Czyste energie. Projektowanie systemów fotowoltaicznych. wykład 5. dr inż. Janusz Teneta. Wydział EAIiE Katedra Automatyki

Transkrypt

1 Czyste energie wykład 5 Projektowanie systemów fotowoltaicznych dr inż. Janusz Teneta Wydział EAIiE Katedra Automatyki AGH Kraków 2010

2 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 Cel projektu Badawczy Demonstracyjny Użytkowy Komercyjny (zarobkowy) Prywatny Uniwersalny Indywidualny

4 Parametry elektryczne Maksymalizacja produkcji energii elektrycznej systemy zarobkowe Pokrycie konkretnych potrzeb odbiornika z zasilania fotowoltaicznego: Profil czasowo-mocowy odbiornika: napięcie autonomia chwilowe zapotrzebowanie na moc maksymalna potrzebna moc niezawodność zasilania

5 Kalkulator energii

6 Czasowy rozkład mocy

7 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)

8 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

9 Ograniczenia środowiskowe Wybór odpowiedniego generatora pomocniczego w systemach hybrydowych Hałas Zanieczyszczenia powietrza (spaliny) Drgania Zagrożenie pożarowe

10 Ograniczenia finansowe: Budżet określony na wstępie projektu Instalacja podpięta do sieci powinna generować zyski na zakładanym poziomie Cel projektu powinien zostać osiągnięty za rozsądną cenę Liniowość kosztów instalacji PV możliwość rozbudowy etapami

11 Proces symulacji Reguły ogólne obliczenia ręczne Symulacje komputerowe Optymalizacja systemu iteracyjne dochodzenie do równowagi pomiędzy wskaźnikami jakości a kosztami

12 Wskaźniki jakości 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

13 Komputerowe wspomaganie projektowania Specjalistyczne oprogramowanie darmowe (np. SunnyDesign by SMA) Specjalistyczne oprogramowanie komercyjne (np. PVSyst, Solar Design Studio) Otwarte środowiska obliczeniowe (np. Matlab) Bazy danych meteo (pomiary własne, Meteonorm, Helioclim)

14 Weryfikacja wyników Przeprowadzenie symulacji na kilku różnych programach Porównanie wyników z ogólnie przyjętymi regułami (eliminacja błędów grubych ) Porównanie wyników z pomiarami w istniejących już instalacjach, pracujących możliwie blisko docelowej lokalizacji projektowanego systemu

15 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

16 Nadzór nad pracą systemu Statystyczna analiza parametrów chwilowych Wykrywanie uszkodzeń: Pomiary elektryczne Pomiary termiczne

17 Narzędzia analizy przestrzennej Google Earth

18 Narzędzia analizy przestrzennej Dokumentacja fotograficzna

19 Narzędzia analizy przestrzennej Aplikacje na telefony komórkowe (iphone)

20 Narzędzia analizy przestrzennej Specjalistyczne urządzenia

21 Narzędzia analizy przestrzennej Narzędzia geodezyjne dalmierze, poziomice, niwelatory np. Leica Disto D8

22 Obrys horyzontu

23 Widok trójwymiarowy

24 Analiza układu cieni

25 Prąd ogniwa [A] Generowana moc [ W] MPP i charakterystyka I-V ogniwa PV STC: T = 25 C AM = 1.5 E = 1000 W/m I MPP Maximum Power Point MPP I SC 1.4 P MPP A V V OC V MPP Napięcie ogniwa [V] Image: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

26 Znormalizowana moc MPP (P MPP /P MPP (25 C)) Warunki pracy systemów PV Zakres zmian MPP: design points 1. Zakres napięcia MPP % nominalnego napięcia MPP 2. Zakres napięć pola PV % nominalnego napięcia MPP 3. Punkty projektowe 1. Napięcie MPP przy 70 C 2. Napięcie rozwarcia przy -10 C Znormalizowane napięcie MPP (V MPP /V MPP (25 C)) Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

27 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 i napięcia wejściowego. Europejska sprawność ważona definiowana jest następująco: η euro 0.03 η 5%Pn 0.06 η 10%Pn 0.13 η 20%Pn 0.1 η 30%P n 0.48 η 50%P n 0.2 η 100%P n Parametr ten bierze pod uwagę zachowanie falownika przy nie całkowitym obciążeniu Jest to dobry parametr do porównywania różnych falowników.

28 Sprawność [%] Sprawność przy częściowym obciążeniu Sprawność vs. obciążenie falownikasunny Boy 3000 max. Sprawność ok. 95 % przy 50% mocy nominalnej Europejska sprawność ważona: 93.6 % Znormalizowana moc wyjściowa Pac/Pacnom [%] Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

29 Sprawność [%] Sprawność przy różnym obciążeniu Sprawność falowników w różnych topologiach Falownik z transformatorem M. Cz. Falownik bez transformatora Falownik tyrystorowy Falownik z transformatorem W.Cz. Znormalizowana moc AC Pac/Pacnom [%] Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

30 Falowniki typu Grid-Commutated Mostek odwracający L N Zalety Klucze przełączające o wysokiej niezawodności Prosta kontrola elektroniczna Mostek tyrystorowy L N V ac I ac t Wady Niska sprawność < 90 % Wysokie zniekształcenia prądu (wysoka wartość THD) Niski współczynnik mocy (konieczna może być kompensacja) Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

31 Falowniki typu Self-Commutated z transformatorami niskiej częstotliwości (m. cz.) Mostek odwracający L N Zalety Wysoka sprawność Małe zakłócenia elektromagnetyczne inverter bridge L N Wady Duża waga transformatorów Dla zapewnienia maks. sprawności muszą pracować przy niskich napięciach < 300V Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

32 Falowniki typu Self-Commutated z transformatorami wysokiej częstotliwości (W. Cz.) Mostek odwracający L N Zalety Mała masa własna Mostek odwracający Mostek prostowniczy Mostek odwracający L N Wady Skomplikowana elektronika Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

33 Falowniki typu Self-Commutated bez transformatora Mostek odwracający L N Zalety Wysoka sprawność Niska waga Przetwornica DC-DC Mostek odwracający L N Wady Trudności ze spełnieniem wymagań standardów bezpieczeństwa Wymagane wysokie napięcia dla uzyskania wysokiej sprawności Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

34 Różne rodzaje systemów PV Falownik centralny Falownik szeregowy (string) Koncepcje master-slave lub Team Photos: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

35 Tryby pracy falowników w systemach PV Falownik centralny Koncepcja Master-Slave Moduły AC i falowniki (Multi-)String Koncepcja Sunny Team

36 Sprawność Falownik centralny + Duża moc nominalna wysoka sprawność Sprawność falownika Straty spowodowane niedopasowaniem Znormalizowana moc wyjściowa [P / P nom ] - Duże straty niedopasowania (1...3%) spowodowane przez: Rozrzuty parametrów modułów PV Spadki napięcia na okablowaniu Różnice w temperaturze ogniw PV Różnice w orientacji modułów PV Zacienienie Zabrudzenie... Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

37 Sprawność Koncepcja Master-Slave + Sprawność bliska maksymalnej niezależnie od stopnia obciążenia - Wysokie straty niedopasowania - Konieczna wymiana danych pomiędzy falownikami Straty spowodowane niedopasowaniem Sprawność systemu PV Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Znormalizowana moc zainstalowanych falowników [P / P nom ]

38 Sprawność Moduły AC i falowniki (Multi-)String + zminimalizowane straty dopasowania (ok. 0,1%) + zredukowanie okablowanie DC Straty spowodowane niedopasowaniem - Niska sprawność przy niepełnym obciążeniu Sprawność Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Znormalizowana moc zainstalowanych falowników [P / P nom ]

39 Sprawność Koncepcja Sunny Team + Zminimalizowane straty niedopoasowania (ok. 0,1%) + Sprawność bliska maksymalnej niezależnie od obciążenia Straty spowodowane niedopasowaniem - Wymiana danych pomiędzy falownikami Sprawność systemu Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany Znormalizowana moc zainstalowanych falowników [P / P nom ]

40 Sprawność Ranking topologii systemów PV 1 Falownik centralny 2 Koncepcja Master-Slave 3 Falownik szeregowy, moduł AC 4 Koncepcja Team Operation Znormalizowana moc wejściowa [P / P nom ] Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

41 Schemat instalacji systemu dołączonego do sieci Komponenty standardowej instalacji elektrycznej Komponenty standardowego systemu PV *Dodatkowe komponenty instalowane jeśli są konieczne Rozdzielnia Punkt dostarczania mocy L N *Wyłącznik manualny L *Odłącznik N Podwójne monitorowanie sieci i odłączniki V ac f ac dz ac Zabezpieczenie nadprądowe PE *Liczniki *Zabezpieczenia przepięciowe Główna szyna uziemiająca Image: SMA Regelsysteme GmbH, Niestetal, Germany

42 Dziękuję za uwagę!!!