Analiza parametrów pracy instalacji fotowoltaicznych w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie

Transkrypt

1 Analiza parametrów pracy instalacji fotowoltaicznych w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie Autorzy: dr hab. inż. Zbigniew Zapałowicz Katedra Techniki Cieplnej, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki, dr inż. Sławomir Konieczny Katedra Polityki Gospodarczej i Rynku, WE Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Szczecin, Polska ( Instal 4/2010) W artykule przedstawiono wyniki analizy pracy trzech różnych instalacji fotowoltaicznych (PV) wiosną 2009 roku. Instalacje te są eksploatowane w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie (ZUT). Najdłużej działająca w ZUT instalacja PV znajduje się w budynku Katedry Techniki Cieplnej (KTC) i jest przyłączona do sieci elektroenergetycznej. Dwie pozostałe instalacje fotowoltaiczne pracują jako autonomiczne. Instalacje te są źródłami energii elektrycznej zasilającej system oświetlenia nocnego terenu w Ośrodku Szkoleniowo-Badawczym w Zakresie Energii Odnawialnej w Ostoi. Instalacje PV wyposażone są w moduły monokrystaliczne i cienkowarstwowe CIS. Wprowadzenie W ostatnich latach obserwuje się na świecie dynamiczny rozwój energetyki wykorzystującej odnawialne źródła energii. Spośród nowych technologii energetycznych jednym z największych trendów rozwojowych charakteryzuje się technologia bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną (fotowoltaika). Ocenę stanu i perspektywy rozwoju instalacji PV na świecie oraz w Europie Centralnej i Wschodniej podano m.in. w pracach [1,3,7,8]. W ostatnim dziesięcioleciu średnioroczny światowy wzrost produkcji modułów PV wyniósł około 45% [7,8]. Do czołówki światowych producentów modułów PV tj. krajów UE, Japonii, USA dołączyły Chiny. W ostatnich latach roczne przyrosty nowo zainstalowanej mocy ulegały podwojeniu. Światowa skumulowana moc zainstalowana instalacji PV wynosiła na koniec 2008 roku około 14,7 GW p. Obecnie najwięcej instalacji PV pracuje w Niemczech, Hiszpanii i Japonii. Zgodnie z założeniami European Photovoltaic Indu-stry Association EPIA instalacje fotowoltaiczne są zdolne do pokrycia 6-12% zapotrzebowania na energię elektryczną w Europie [3]. Produkcja energii elektrycznej wymaga więc wybudowania nowych instalacji PV, których łączna moc zainstalowana wynosiłaby GW p. W instalacjach PV stosuje się przede wszystkim ogniwa krzemowe. Do budowy ogniw krzemowych wykorzystywany jest krzem monokrystaliczny, polikrystaliczny i amorficzny [2,11]. O wiele rzadziej stosuje się ogniwa cienkowarstwowe [11]. Ten dynamiczny rozwój fotowoltaiki natrafia jednak na bariery m.in. związane z brakiem krzemu na rynkach światowych, o czym pisze w swoich publikacjach Radziemska [9,10]. Rozwiązaniem tego problemu jest odzyskiwanie (recykling) krzemu z elementów złomowanych [9,10] lub też zastosowanie ogniw cienkowarstwowych [8]. Jednak najlepszym rozwiązaniem jest zwiększenie sprawności modułów PV przy równoczesnym obniżeniu kosztów produkcji [1,7,8]. W związku z tym trwają intensywne prace nad nowymi generacjami ogniw fotowoltaicznych [1]. Producenci modułów PV starają się także wydłużyć czas ich eksploatacji z 25 lat do 40 [4].

2 W naszym kraju systemy fotowoltaiczne są nadal jeszcze niezbyt często wykorzystywanymi źródłami energii elektrycznej. Przyczyną są przede wszystkim wysokie koszty zakupu instalacji, a więc i wysokie koszty produkcji energii elektrycznej. Jak wynika z prac [3,7] barierą dynamicznego rozwoju fotowoltaiki w Polsce jest przede wszystkim brak odpowiedniego mechanizmu wsparcia finansowego. Stosowany powszechnie w Europie system wspomagania zwany Feed-in Tariffs wydaje się bardziej efektywny niż system zielonych certyfikatów. Na poparcie tej tezy wskazują doświadczenia naszych południowych sąsiadów Czechów [7]. Na podstawie symulacji kosztowych można sądzić, że w Polsce dopiero około 2020 roku ceny energii elektrycznej wytwarzanej w instalacjach fotowoltaicznych będą konkurencyjne w stosunku do cen tej energii uzyskiwanej ze źródeł konwencjonalnych [8]. Kolejną istotną barierą jest skomplikowana procedura urzędnicza przy przyłączaniu instalacji do sieci elektroenergetycznej. Zgodnie z ustawą Prawo energetyczne przyłączenie instalacji PV do sieci elektroenergetycznej wymaga uzyskania koncesji. Natomiast rozwiązania techniczne instalacji PV są już na tyle dobrze opracowane, że nie stanowią problemu dla inwestora. Najprostszym rozwiązaniem technicznym jest stosowanie modułów fotowoltaicznych do bezpośredniego zasilania odbiorników prądu stałego. W tym przypadku zasilanie odbiorników jest możliwe tylko wtedy, gdy do modułów dociera energia promieniowania od słońca lub ze źródeł oświetlenia sztucznego. To rozwiązanie stosowane jest od wielu lat przy zasilaniu urządzeń o bardzo małym poborze mocy np. kalkulatory, zabawki, zegarki. Urządzenia prądu stałego np. lodówki, kuchenki, wymagające pracy ciągłej i o większym zapotrzebowaniu na moc elektryczną zasilane są z systemów PV współpracujących z zestawem akumulatorów. Gdy natężenie promieniowania słonecznego jest duże urządzenia te zasilane są bezpośrednio z zestawu modułów PV. Natomiast w warunkach słabego natężenia promieniowania lub jego braku (noc, pochmurne dni) odbiorniki są zasilane z akumulatorów. W takim zestawie fotowoltaicznym niezbędnym elementem jest regulator ładowania akumulatorów. Regulator ten steruje ładowaniem i rozładowaniem zestawu akumulatorów nie pozwalając na ich przeciążenie lub całkowite rozładowanie. Zastosowanie takiego rozwiązania wymaga starannego doboru obciążenia do mocy systemu PV. Systemy PV mogą być stosowane także jako awaryjne (rezerwowe) źródła zasilania elektrycznego. W takich przypadkach ich zadaniem jest doładowywanie zestawu akumulatorów w przypadku awarii systemu zasadniczego. Systemy PV stosuje się także do zasilania odbiorników prądu zmiennego. W tych przypadkach systemy PV są złożone z zestawu modułów oraz falownika i najczęściej wytwarzają energię elektryczną o parametrach umożliwiających jej przekazywanie bezpośrednio do sieci elektrycznej. Najbardziej skomplikowane instalacje PV mogą zasilać w energię elektryczną zarówno odbiorniki prądu stałego jak i zmiennego. Instalacje te są wtedy wyposażone w elementy, których zadania omówiono powyżej. Celem niniejszej publikacji jest porównanie parametrów pracy trzech różnych instalacji PV pracujących w Zachodniopomorskim Uniwersytecie Technologicznym w Szczecinie ZUT (uczelnia powstała z połączenia Akademii Rolniczej w Szczecinie i Politechniki Szczecińskiej).

3 Wyniki analizy obejmują okres wiosny 2009 roku. Instalacje te wyposażone są zarówno w moduły monokrystaliczne jak i cienkowarstwowe CIS. Instalacje PV w ZUT w Szczecinie Instalacje PV w ZUT w Szczecinie są zlokalizowane w dwóch miejscach. Pierwsza z nich znajduje się w budynku Katedry Techniki Cieplnej Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki (rys.1), dwie pozostałe w Ośrodku Szkoleniowo-Badawczym w Zakresie Energii Odnawialnej w Ostoi niedaleko Szczecina (rys.2). Schematy instalacji PV znajdujących się w obu miejscach przedstawiają rys.3 i 4. W tab.1 podano zasadnicze parametry pracy modułów i paneli fotowoltaicznych. Natomiast w tab.2 zamieszczono podstawowe dane techniczne falowników (inwerterów) pracujących w instalacjach PV. Instalacja PV zlokalizowana w budynku KTC (rys.1) jest przyłączona do sieci (instalacja typu on-grid ). Instalacja ta składa się z 10 monokrystalicznych modułów PV typu M110 firmy Siemens (rys.3; tab.1). Moduły połączone w sposób szeregowo-równoległy tworzą panel o mocy 1100 W. Wytworzony prąd stały jest przekazywany do falownika typu Sunny Boy SWR 850 (tab.2). Powstały w falowniku prąd zmienny jest z kolei przekazywany do sieci elektrycznej budynku.

4 KTC otrzymała zgodę od Zakładu Energetycznego na bezpośrednie przyłączenie instalacji PV do sieci. Instalacja ta jest jedną z najdłużej pracujących w Polsce instalacji PV, a jej działanie i parametry pracy przedstawiono w licznych publikacjach [5,6,12-16,18]. Na podstawie opracowanych 10-cio letnich danych doświadczalnych można szacować, że 1W p mocy zainstalowanej instalacji PV z panelami monokrystalicznymi typu on-grid pozwala wytworzyć rocznie około 900 Wh energii elektrycznej [14]. Pod koniec roku 2008 na terenie Ośrodka Szkoleniowo-Badawczego w Ostoi wybudowano i uruchomiono dwie nowoczesne instalacje PV (rys.2) [17]. Instalacje te powstały ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu INTERREG IIIA Polska (Województwo Zachodniopomorskie Meklemburgia Pomorze Przednie/Brandenburgia). Ze względu na przepisy prawne i skomplikowaną procedurę urzędniczą dotyczącą przyłączania instalacji PV do sieci elektroenergetycznej zdecydowano się na wykorzystanie wytworzonej energii elektrycznej do nocnego oświetlenia terenu ośrodka. Obie instalacje są więc typu wolnostojącego (instalacje typu off-grid ).

5 Instalacje te różnią się rodzajem ogniw fotowoltaicznych tworzących moduł (tab.1). Pierwsza z instalacji posiada 6 modułów fotowoltaicznych monokrysta-licznych typu STP 180S-24/Ac firmy Sun-tech Power. Druga z nich wyposażona jest w 12 modułów fotowoltaicznych cienkowarstwowych CIS typu SCG50 HV firmy Sulfurcell. W obu instalacjach moduły tworzące panel zamontowano na konstrukcjach ruchomych tzw. trackerach (rys.2). Panele nadążają, więc za pozornym ruchem słońca po nieboskłonie. Przemieszczanie się paneli jest możliwe tylko w płaszczyźnie wschód-zachód (system nadążny jednopłaszczyznowy). Każda z instalacji pracuje autonomicznie. Prąd stały wytworzony w instalacji PV wykorzystuje się do ładowania zestawu akumulatorów słonecznych lub jest on kierowany bezpośrednio do falownika typu Quattro 5000 (tab.2). W falowniku następuje przekształcenie prądu stałego w zmienny. Optymalne warunki pracy instalacji prądu stałego zapewniają regulatory ładowania typu MPPT 100/20-1 (dla modułów monokrystalicznych) i CXN 40 (dla modułów cienkowarstwowych). Monitoring parametrów zestawu akumulatorów każdej z instalacji PV umożliwiają urządzenia typu BMV-501. Pojedynczy zestaw akumulatorów składa się z 12 baterii, a jego napięcie znamionowe wynosi 24V. Pojemność elektryczna zestawu jest równa 800Ah. Obecnie obciążenie instalacji PV z modułami cienkowarstwowymi stanowią 2 lampy o łącznej mocy 150W, natomiast obciążenie instalacji PV z modułami mono-krystalicznymi 4 lampy o łącznej mocy 300W. Oświetlenie ośrodka jest uruchamiane automatycznie czujnikiem zmierzchowym. Instalacje PV mogą pracować w trybie zasilania awaryjnego. W tym przypadku energia elektryczna niezbędna do oświetlenia terenu ośrodka pobierana jest z sieci elektroenergetycznej przez falownik. Działanie instalacji PV ogranicza się wtedy do okresowego doładowywania zestawu akumulatorów, które rozładowują się w wyniku strat związanych z przechowywaniem energii elektrycznej. Dopiero awaria w sieci elektroenergetycznej powoduje pobór prądu z zestawu akumulatorów i ich rozładowywanie. Instalacje PV mają wtedy za zadanie doładować zestawy akumulatorów w ciągu dnia, gdy promieniowanie słoneczne dociera do Ziemi.

6 W zasadniczym trybie pracy obu instalacji w ciągu dnia, gdy świeci słońce, następuje proces ładowania zestawu akumulatorów. W okresie nocnym energia elektryczna zgromadzona w akumulatorach jest przekazywana do falownika, a następnie jest wykorzystywana do oświetlenia ośrodka w Ostoi. Analiza pracy instalacji PV w ZUT Parametry pracy instalacji PV analizowano za okres trzech miesięcy (kwiecień, maj, czerwiec 2009 r). W badanym okresie instalacja znajdująca się w budynku KTC ZUT w sposób ciągły przekazywała wytworzoną energię do sieci elektrycznej. Wyjątkiem były 3 pierwsze dni maja. W tych dniach, w związku z pracami modernizacyjnymi w sieci elektrycznej ZUT, ze względów bezpieczeństwa instalacja była wyłączona. Instalacje znajdujące się w ośrodku w Ostoi do dnia 24 maja 2009 r. pracowały w trybie zasilania awaryjnego. W dniu 24 maja przełączono zasilanie na tryb pracy zasadniczej. Wyniki analizy parametrów pracy badanych instalacji PV przedstawiono na rys Dobową produkcję energii elektrycznej, jednostkową dobową produkcję energii elektrycznej w odniesieniu do 1W mocy zainstalowanej oraz w odniesieniu do 1 m 2 powierzchni panelu przedstawiono na rysunkach odpowiednio dla: kwietnia - rys.5-7, maja - rys.8-10 i czerwca - rys Średnie miesięczne i średnie dobowe wartości produkcji energii elektrycznej podano w tab.3 i 4. Z danych przedstawionych na rys.5-10 oraz podanych w tab.3 i 4 wynika, że praca instalacji PV jako awaryjnego źródła energii elektrycznej jest bardzo nieefektywna. Ilości wytwarzanej energii elektrycznej w kwietniu i do dnia 24 maja 2009 r. w instalacjach typu off-grid są wielokrotnie mniejsze niż w instalacji typu on-grid. Zatem tego typu tryb pracy instalacji PV ma swoje uzasadnienie tylko w szczególnych zastosowaniach, w których decyduje pewność działania odbiornika, a więc zabezpieczenie jego ciągłego zasilania, a nie koszty produkowanej energii elektrycznej.

7

8 O wiele efektywniejsza jest praca systemów PV typu off-grid w zasadniczym trybie pracy tj. w okresie od 24 maja do końca czerwca 2009 (rys.8-13, tab.3 i 4). Ilości wytworzonej energii elektrycznej przez instalacje PV typu off-grid są porównywalne z ilością energii produkowanej przez instalację PV typu on-grid. Oczywiste jest, że bezwzględne ilości energii elektrycznej powstałej w instalacjach o większych mocach są większe od tych o mniejszych mocach (rys.8 i 11). Stąd też instalacja PV z panelem monokrystalicznym o mocy 1080W p znajdująca się w Ostoi produkuje najwięcej energii elektrycznej. Bardziej miarodajne jest porównywanie produkcji energii elektrycznej w odniesieniu do jednego wata mocy zainstalowanej lub w odniesieniu do jednego metra kwadratowego brutto powierzchni panelu. Jak wynika z analizy danych pokazanych na rys.9 i 12 jednostkowa ilość energii odniesiona do 1W p mocy zainstalowanej jest porównywalna dla wszystkich badanych instalacji. Z analizy danych na tych rysunkach trudno jest też jednoznacznie wykazać, że zastosowanie systemu nadążnego jest korzystniejsze z punktu widzenia produkcji energii elektrycznej.

9

10 Należy jednak podkreślić, że szczególnie w czerwcu są dni, w których produkcja energii elektrycznej w instalacjach PV z systemem nadążnym jest istotnie dużo większa w porównaniu z instalacją z nieruchomym panelem. Przyczyną rozbieżności mogą być lokalne warunki słoneczne panujące w miejscach lokalizacji instalacji P V.

11 Na rysunkach pokazano zmiany chwilowych mocy wytwarzanego prądu elektrycznego przez instalacje PV z panelami monokrystalicznymi w funkcji czasu dla wybranego dnia czerwca ( r.). Dzień 12 czerwca był dniem o bardzo zmiennym zachmurzeniu. Pola pod odpowiednimi krzywymi na rys odpowiadają ilości wyprodukowanej energii. W dniu 12 czerwca jednostkowa dzienna ilość energii elektrycznej w przeliczeniu na 1W p wytworzona przez instalację PV znajdującą się w ośrodku w Ostoi była istotnie większa od ilości tej energii wytworzonej przez instalację PV zlokalizowaną w budynku KTC (rys.10). Na tej podstawie można sądzić, że efektywność instalacji PV z mechanizmem nadążnym w dniach o bardzo zmiennym zachmurzeniu jest znacznie większa w porównaniu z efektywnością instalacji stacjonarnej. Natomiast wyniki analizy dla instalacji PV z mechanizmem nadążnym wskazują, że jednostkowa ilość wyprodukowanej energii elektrycznej w odniesieniu do 1W p jest nieznacznie większa dla modułów monokrystalicznych w porównaniu z ilością tej energii uzyskanej z modułów typu CIS (rys.10). Z kolei z analizy danych pokazanych na rys.10 i 13 wynika, że w przypadku instalacji nadążnych do wyprodukowania tej samej ilości energii elektrycznej potrzeba około dwukrotnie większej powierzchni paneli cienkowarstwowych w porównaniu do paneli monokrystalicznych. Dane te wskazują także, że 1m 2 powierzchni instalacji PV z panelem monokrystalicznym w układzie z mechanizmem nadążnym pozwala uzyskać dużo większe ilości energii elektrycznej niż 1m 2 powierzchni instalacji PV z panelem monokrystalicznym w układzie stacjonarnym. Otrzymane wyniki badań można porównać tylko pośrednio z wynikami badań innych badaczy. Sibilski i Znajdek [11] badali instalacje PV z modułami wykonanymi z krzemu

12 polikrystalicznego, taśmowego i amorficznego. Wyniki ich badań dotyczą jednak innego okresu badawczego (listopad grudzień 2008). W pracy tej podano sumaryczną ilość wyprodukowanej energii elektrycznej w przeliczeniu na 1m 2 powierzchni panelu w ciągu 14 dni. Obliczone na tej podstawie średnie dobowe wartości wyprodukowanej w okresie zimowym energii elektrycznej dla ogniw wykonanych z krzemu taśmowego, krzemu multikrystalicznego i amorficznego wynoszą odpowiednio: 32,1Wh/m 2, 51,4Wh/m 2 i 16,4 Wh/m 2. Wartości te są oczywiście dużo niższe od tych podanych w tab.4 dla czerwca 2009 r. Wnioski Na podstawie analizy wyników badań można sformułować następujące wnioski: 1. Praca instalacji PV jako awaryjnego źródła energii elektrycznej może być uzasadniona tylko koniecznością zapewnienia pewności zasilania odbiorników. 2. Instalacja PV z modułami cienkowarstwowymi pozwala uzyskać zbliżone wartości produkcji jednostkowej energii elektrycznej w przeliczeniu na 1W p mocy zainstalowanej w porównaniu z instalacją PV z modułami monokrystalicznymi. 3. Do wytworzenia tej samej ilości energii elektrycznej potrzeba około dwukrotnie większej powierzchni modułów cienkowarstwowych w porównaniu z modułami monokrystalicznymi. 4. Zastosowanie mechanizmu nadążne-go pozwala uzyskiwać istotnie większe ilości energii elektrycznej w dni o bardzo zmiennym zachmurzeniu. 5. Praca instalacji PV typu off-grid jest uzależniona od ich obciążenia. BIBLIOGAFIA [1] Kazmerski LL.: Photovoltaics at tipping point: taking us from the evolutionary to the revolu-tionary. Renewable Energy. Innovative Technologies and New Ideas. Eds. Chwieduk D., Domański R., Jaworski M. Warsaw pp [2] Klugmann E., Klugmann-Radziemska E.: Ogniwa i moduły fotowoltaiczne oraz inne niekonwencjonalne źródła energii. Wyd. Ekonomia i Środowisko. Białystok [3] Klugmann-Radziemska E.: Fotowoltaika sposób na bezpieczeństwo energetyczne. Czysta Energia, nr 5, 2009, s [4] Krawczyk-Jezierska A.: Czy Bruksela zablokuje rozwój fotowoltaiki w Europie? Czysta Energia, nr 1, 2010, s.34 [5] Nowakowski J., Zapałowicz Z.: Ocena możliwości zastosowania ogniw fotowoltaicznych w województwie zachodniopomorskim na podstawie danych doświadczalnych. Instal, nr 1 (203), 2001, s

13 [6] Nowakowski J., Zapałowicz Z.: Technical and economical possibilities of using photovoltaics on a sample of Polish household. Tagungsma-terialen VIII International Symposium Wär-meaustausch und Erneurbare Energiequellen, Szczecin-Łeba , pp [7] Pietruszko S.: Status of photovoltaics 2008 in the European Union. New member states. PV-NMS-NET [8] Pietruszko S.: Światowy rynek fotowoltaiki. Czysta Energia, nr 7-8, 2009, s [9] Radziemska E., Lipiński M., Ostrowski P.: Re-use of photovoltaic crystalline silicon solar cells technological possibilities. Proceedings of 12 th International Symposium on Heat Transfer and Renewable sources of Energy. Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej. Szczecin 2008, pp [10] Radziemska E. Ostrowski P.: Photovoltaic energy systems recycling or utilization? Proceedings of 12 th International Symposium on Heat Transfer and Renewable sources of Energy. Wyd. Uczelniane Politechniki Szczecińskiej. Szczecin 2008, pp [11] Sibilski M., Znajdek K.: Krzemowe ogniwa w instalacjach fotowoltaicznych. Czysta Energia, nr 4, 2009, s [12] Zapałowicz Z.: Analysis of PV installation efficiency with panels of M110 type. Maš nzinätne un Transports (Transport and Engineering), 6 sērija, 21. sējums, Siltumenener ētika un Siltumfizika (Heat & Power and Thermal Physics), Izdevniecība RTU, Riga, 2006, pp [13] Zapałowicz Z: Instalacje słoneczne w Katedrze Techniki Cieplnej Politechniki Szczecińskiej. Kwartalnik PTES. Polska Energetyka Słoneczna, nr 3, 2003, s [14] Zapałowicz Z.: Ocena parametrów pracy instalacji fotowoltaicznej z modułami mono-krystalicznymi. Rynek Energii, nr 2 (81) 2009, s [15] Zapałowicz Z: Techniczne i ekonomiczne możliwości stosowania instalacji fotowoltaicz-nych w warunkach polskich. II Międzynarodowa i XIII Krajowa Konferencja-Naukowo Techniczna. Nowe Spojrzenie na Osady Ściekowe. Odnawialne Źródła Energii. 3-5 lutego 2003, Częstochowa. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, nr 49, 2003, s [16] Zapałowicz Z., Nowakowski J.: Verification of parameters of Sunny Boy type SWR850 receiver. 3 rd International Workshop on Teaching in Photovoltaics. Ed. V.Benda. Pra-gue, March 2006, pp [17] Zapałowicz Z., Rogalska P., Batko B., Dawidowski J.B.: Instalacje słoneczne w Ośrodku Szkoleniowo-Badawczym w Zakresie Energii Odnawialnej w Ostoi. Inżynieria Rolnicza, nr 1 (110), Kraków 2009, s [18] Zapałowicz Z., Rogowska A.: PV system evaluation after few years of operation. International Conference: The integration of the renewable energy systems into the building structures. Patra, Greece, 7-10 July 2005, pp