BADANIA WSTĘPNE WPŁYWU PRZESTRZENNEGO POŁOŻENIA PANELI PV NA EFEKTYWNOŚĆ GENEROWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 Mariusz Sarniak Politechnika Warszawska BADANIA WSTĘPNE WPŁYWU PRZESTRZENNEGO POŁOŻENIA PANELI PV NA EFEKTYWNOŚĆ GENEROWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Słowa kluczowe Fotowoltaika, ogniwo, panel, moduł, energia słoneczna, promieniowanie słoneczne. Streszczenie W pracy omówiono podstawowe powody, dla których warto wg autora przeprowadzić badania nad pozycjonowaniem paneli PV w celu zwiększenia efektywności energetycznej. Podkreślono brak jakichkolwiek efektów ubocznych przy produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem efektu konwersji energii promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Zaproponowano plan badań i przedstawiono wyniki wstępnych eksperymentów potwierdzających potrzebę prowadzenia dalszych prac badawczych. Wyciągnięte zostały wnioski, co do kierunku dalszych badań eksperymentalnych. Wprowadzenie Systemy fotowoltaiczne (PV), zgodnie z zasadą zachowania energii, przetwarzają energię promieniowania słonecznego, docierającą do powierzchni Ziemi, bezpośrednio na energię elektryczną. Do naszej planety dociera ok razy więcej energii słonecznej niż wynosi aktualnie jej globalne zużycie [3]. Nie stwierdzono przy tym żadnych istotnych czynników destrukcyjnie wpływających na środowisko naturalne, a zasoby energii słonecznej są praktycznie, w dającej się przewidzieć perspektywie, niewyczerpywalne. U podstaw teoretycznych fotowoltaiki leży przypadkowo odkryte w 1839r. przez Becquerela zjawisko, polegające na absorbowaniu przez materiał półprzewodnikowy promieniowania słonecznego i generowaniu energii elektrycznej. Teoretycznie efekt fotowoltaiczny opisał w 1904r. Einstein (m. in. za co otrzymał Nagrodę Nobla w 19211'.), a pierwsze efektywne ogniwo fotowoltaiczne skonstruowano w 1954r. w Bell Laboratories. Powstanie ogniw zapoczątkowało prowadzenie ciągłych prac nad konstruowaniem modułów fotowoltaicznych, których produkcja na skalę przemysłową ciągle rośnie. Duży postęp technologiczny oraz gwałtowny spadek cen modułów PV w ostatnich latach jak również coraz intensywniejsze poszukiwania alternatywnych źródeł energii przyjaznej środowisku spowodowały, że warto zainteresowania badawcze skierować na ten wciąż niedoceniany sposób pozyskiwania energii. Najnowsze podsumowania roku 2004 pod względem zainstalowanych instalacji fotowoltaicznych świadczą o tym, że Niemcy pod tym względem przewyższyły dotychczasową dominację Japonii [4]. Decydujący wpływ na taki stan rzeczy miało sprzyjające rozwojowi fotowoltaiki w Niemczech prawodawstwo (wysoka gwarantowana cena odkupu.zielonej" energii) i narodowy program,, słonecznych dachów". Zakładając, że warunki klimatyczne są niesprzyjające dla zastosowań fotowoltaicznych oraz występują duże problemy z magazynowaniem energii elektrycznej, 165

2 trzeba podkreślić stosunkowo dużą podatność paneli PV na tworzenie hybrydowych systemó zasilania. Najczęściej w autonomicznych systemach fotowoltaicznych stosowane są połączenia z siłowniami wiatrowymi [5]. 1. Aktualny stan badań i geneza podjętego tematu pracy Dostępne publikacje z zakresu fotowoltaiki wskazują na liczne zalety systemó fotowoltaicznych jako źródła energii elektrycznej: rozproszony charakter źródła energii (brak kosztów przesyłu), korzystny dobowy profil produkcji (największa produkcja w czasie najwyższego zużycia), możliwość zastosowania jako źródła energii w postaci systemów autonomicznych j i dołączonych do sieci, gdzie nie istnieje problem magazynowania energii, zastosowanie w elektronice powszechnego użytku (kalkulatory,' telefony, itp.). Systemy fotowoltaiczne wykorzystują promieniowanie całkowite, które składa się z promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. Tu pojawia się problem, polegający na tym. że promieniowanie bezpośrednie można lepiej wykorzystać, np. przez odpowiednie pochylenie panelu PV w stosunku do poziomu, co z kolei przynosi odwrotny skutek przy promieniowanie rozproszonym. Kolejnym problemem jest spadek efektywności paneli wraz ze wzroster; temperatury. To legło u podstaw zainteresowania się tą problematyką pod kątera zaprojektowania w przyszłości mechanizmu automatycznego pozycjonowania paneli PY. uwzględniając aspekt ekonomiczny przedsięwzięcia. Obecnie zdecydowana większość instalacji fotowoltaicznych jest' montowana w stałym, ściśle określonym położeniu, które najczęściej jest wyznaczane doświadczalnie. Istniejąjednak nieliczne badania [l, 2] wskazujące na możliwość zwiększenia efektywności energetycznej paneli PV nawet do 30% dzię - zastosowaniu, tzw. "śledzących" zespołów paneli PV. Z punktu widzenia użyteczności teg działania istotna jest sprawność procesu konwersji energii promieniowania słonecznego energię użyteczną. Z przeprowadzonych badań wynika, że dla Europy Środkowej maksym roczny uzysk energii uzyskano przy ustawieniu paneli w kierunku południowym pochylony pod kątem 30 stopni od poziomu. 2. Plan, zakres i przykładowe wyniki badań wstępnych Badania ogniw, czy paneli PV dla zapewnienia porównywalności wyników przyj. przeprowadzać w warunkach określonych w STC {ang. Standard Test Conditions) [3]. Jednak tego typu badania mają na celu głównie określenie parametrów elektrycznych, anajczęście; chodzi tu o,,zdejmowanie", tzw. charakterystyk I-V (prądowo-napięciowych). Uzyskanie parametrów, określonych w STC w warunkach klimatycznych Europy Środkowej j praktycznie niemożliwe, a i specyfika proponowanego planu badań nie wymaga ich spełnienia.. Do wstępnych badań przygotowany został eksperymentalny minipanel PV, składaj, się z sześciu połączonych szeregowo krzemowych solarnych ogniw zamkniętych o wymiar 46x26 mm [6]. Jako przyrządy pomocnicze wykorzystano: kompas, poziomnicę, termom i zegar. Jako wyniki pomiarów przy różnych położeniach minipanelu rejestrowano napi '= prądu stałego otwartego (bez obciążenia) ogniwa mierzone miernikiem uniwersaln z dokładnością do 0,01 V. Jako kryterium efektywności funkcjonalnej przyjęto maksymałną wartość napięcia prądu stałego, generowanego przez minipanel PV. Dla ułatwienia interpre - wyników rejestrowano szereg dodatkowych danych, co przedstawiono w postaci ta z przykładowymi wynikami badań (Tab. 1). Zakres badań obejmował 3 położenia kie (Wschód, Południe i Zachód) oraz 4 różne kąty pochylenia minipanelu. Badania prowadzo o różnych godzinach w ciągu doby i w różnych warunkach pogodowych. 166

3 Tabela l. Przykładowe wyniki przeprowadzonych badań Warunki przeprowadzenia badań: Data: Godzina i pogoda: 11oD-słońce Miejsce: Płock Temperatura powietrza: 26 C Wyniki pomiarów: Napięcie prądu Kąt pochylenia [w stopniach] stałego [w V] O Wschód 3,35 3,25 3,11 ~ aj Południe 3,16 3,20 3,18 3,12 ~ Zachód 3,14 2,85 2,76 Zaprezentowane wyniki badań wskazują, że w tym konkretnym przypadku decydującym typem promieniowania było promieniowanie bezpośrednie (słońce). Na wykresie słupkowym (Rys. 1) widać, że największą wartość napięcia dla nieobciążonego minipanelu PV uzyskano w podanych warunkach dla kierunku wschodniego przy pochyleniu 30 stopni względem poziomu. Szczegółowa analiza przeprowadzonych wstępnych badań potwierdza, że wartość optymalna pochylenia panelu w określonej porze roku (tu wiosna) wyraźnie stabilizuje się na określonym poziomie (tu ok. 30 stopni). Wyjątek od tej reguły stanowią wyniki pomiarów w pochmurne dni kiedy to optimum uzyskiwano dla kąta pochylenia O stopni, co oczywiście świadczy o decydującym wpływie promieniowania rozproszonego na całkowite promieniowanie docierające do panelu. Dyskretny zakres pomiaru kąta w badaniach szczegółowych powinien być rozszerzony w zakresie od Odo 90 stopni względem poziomu. Kierunek ustawienia panelu miał decydujący wpływ na ustalanie optymalnych wartości napięcia dla różnych godzin w ciągu doby. I tak w prezentowanych wynikach przykładowych optimum zanotowano dla kierunku wschodniego (godzina przedpołudniowa). Podobnie jak poprzednio dyskretny zakres prowadzonych badań szczegółowych należałoby rozszerzyć od Północny-Wschód do Północny-Zachód.. Kłopotliwa jest interpretacja uzyskanych wyników w niekorzystnych warunkach pogodowych, tzn. w warunkach braku promieniowania bezpośredniego. Wydaje się, że w takich sytuacjach optymalne położenie panelu to położenie poziome. Tak więc ustalenie położeń kątowo-kierunkowych i próba sterowania panelem bez elementu sprzężenia zwrotnego w postaci monitorowania aktualnych warunków pogodowych, może prowadzić do znacznych strat w stosunku do stałego położenia panelu. 167

4 3,50 3,00 ł ~ 2,00 1->' ił 12._.!! U 1,60 O 2,50 iz 1,00 0,50 0,00 30 KAlt pochylenia względem poziomu [w stopniach) Zachód Rys. 1. Wykres dla przykładowych wyników badań wstępnych, przedstawionych w Tabeli 1 Podsumowanie Wstępne wyniki badań wpływu przestrzennego położenia paneli PV na ich efektywność energetyczną wykazały potrzebę przeprowadzenia badań szczegółowych w tym zakresie o poszerzonym zakresie kąta i kierunku. Wyniki tych badań będą podstawą do zaprojektowania mechanizmu automatycznej regulacji ze sprzężeniem zwrotnym. Podczas badań dodatkowo należy mierzyć temperaturę panelu, aby wyeliminować jej wpływ na wyniki pomiarów i ewentualnie, gdy taka potrzeba zaistnieje, zaproponować metodę chłodzenia panelu PV. Wyniki badań szczegółowych powinny dać odpowiedź, czy przy obecnym poziomie cen paneli PV - sterowanie ich położeniem będzie ekonomicznie opłacalne. Podobna analiza zaprezentowana w pracy [2] dowodziła, że rozwiązania te są nieopłacalne, ale trzeba tu zauważyć, iż było to robione blisko 20 lat temu. Potwierdzenie tamtych wyników przy obecnym poziomie cen rynkowych pozwala przypuszczać; że to się może opłacać. Po części wskazują na to wstępne wyniki badań zaprezentowane w pracy. Bibliografia 1. Baltas P., Tortoreli M., Russell P. E.: Evaluation of power output.for fixed and step tracking photovoltaic arrays. Solar Energy 37, 147, Goetzberger A., Stahl W.: Comparison of yearly efficiency and cost of energy for stationary, tracking and concentrating PV systems. Proc. of the 7 th Photovoltaic Solar Energy Conference, Seville, Szkolenie z dziedziny fotowoltaiki - materiały szkoleniowe -- w ramach projektu SOLTRAIN z programu ALTENER (kontrakt nr /Z/02-67). Warszawa, Politechnika Warszawska, Centrurn Fotowoltaiki, ~005.@: 168

5 5. GTB-SOLARIS, 6. Ulotka informacyjna dołączona przez dystrybutora ogniw solarnych o parametrach: 450mV, loorna, Recenzent: Sławomir LAMOWSKI PRELIMINARY INVESTIGATION INFLUENCE OF THREE-DIMENSIONAL ORIENTATION PV SYSTEMS ON EFFICIENCY OF ELECTRIC ENERGY GENERATE Summary In this paper discuss fundamental genesis of the preliminary investigation influence of three-dimensional orientation PV systems on efficiency of electric energy generate. Propose scheme of detailed investigation. Present results of the preliminary investigation and draw the conclusion. 169