Analiza uzysków energetycznych z instalacji fotowoltaicznej

Transkrypt

1 FIGURA Radosław 1 GUTOWSKI Radosław 2 Analiza uzysków energetycznych z instalacji fotowoltaicznej WSTĘP Instalacje fotowoltaiczne w Polsce cieszą się coraz większym zainteresowaniem inwestorów. Podpisana 11 marca 2015 roku przez Prezydenta Rzeczpospolitej Polskiej Ustawa o odnawialnych źródłach energii [4] wprowadza system cen gwarantowanych dla właścicieli wybranych instalacji fotowoltaicznych. Dostępność energii promieniowania słonecznego oraz niskie koszty eksploatacji instalacji fotowoltaicznych powodują, że koszt wytworzenia 1 kwh energii elektrycznej w instalacji fotowoltaicznej zależy głównie od kosztów inwestycyjnych. W takim przypadku istotnym staje się problem oszacowania produkcji energii elektrycznej w okresie przewidywanej eksploatacji systemu fotowoltaicznego. 1 INSTALACJA FOTOWOLTAICZNA W LABORATORIUM FOTOWOLTAIKI Jednym z elementów tworzących hybrydowe źródło zasilania w Laboratorium Fotowoltaiki jest instalacja fotowoltaiczna przetwarzająca energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Instalacja fotowoltaiczna składa się z generatora fotowoltaicznego, falowników sieciowych oraz z urządzenia monitorującego parametry pracy instalacji. Całość podłączona jest do sieci wydzielonej zasilającej obiekty laboratoryjne. 1.1 Generator fotowoltaiczny Wchodzący w skład instalacji generator fotowoltaiczny zawiera 21 modułów fotowoltaicznych (PV ) wykonanych w technologii monokrystalicznej [1]. Moc nominalna generatora fotowoltaicznego dla standardowych warunków badania (STC Standard Test Conditions E=1000W/m 2, t=25 C, AM=1,5 [2]) wynosi P N =3,78 kwp. Moduły fotowoltaiczne podzielone zostały na 3 sekcje (rys. 2). W każdej sekcji zainstalowano 7 szeregowo połączonych modułów fotowoltaicznych tworzących łańcuchy fotowoltaiczne, w których wartość nominalnego napięcia łańcucha wynosi U ŁN = 264,04V. Wartość nominalnego napięcia U ŁN łańcucha wyznaczona została zgodnie z zależnością: U ŁN n U N (1) gdzie: n liczba modułów PV tworzących łańcuch fotowoltaiczny, U N nominalne napięcie modułu PV w standardowych warunkach badania (STC). Podczas normalnej eksploatacji napięcie łańcucha zmienia się w granicach od U Łmin dla modułów nieoświetlonych do U Łmax dla modułów nieobciążonych. Istotny wpływ na wartość napięcia łańcucha ma również temperatura modułów fotowoltaicznych. Przy doborze liczby szeregowo połączonych modułów fotowoltaicznych, tworzących łańcuch PV, projektant powinien zwrócić uwagę, aby maksymalne napięcie U Łmax łańcucha nie przekroczyło maksymalnego napięcia U DCmax wejściowego falownika. Maksymalną wartość napięcia U Łmax łańcucha fotowoltaicznego określono z następującej zależności: 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Instytut Systemów Transportowych i Elektrotechniki, Zakład Napędu Elektrycznego i Elektroniki Przemysłowej, r.figura@uthrad.pl, tel.: Impact Clean Power Technology S.A., sales@icpt.pl, tel.:

2 U Ł max n U OC 1 t min tstc (2) 100% gdzie: U OC napięcie obwodu otwartego pojedynczego modułu w warunkach STC, t min minimalna przewidywana temperatura modułu w trakcie eksploatacji, t STC temperatura w standardowych warunkach badania (25 C ±2 C), β względny współczynnik temperaturowy dla napięcia obwodu otwartego modułu. Rys. 1. Schemat połączeń instalacji fotowoltaicznej Na podstawie zależności (2) wyznaczono charakterystyki zmian napięcia maksymalnego U Łmax łańcuchów fotowoltaicznych w funkcji temperatury modułów dla instalacji znajdującej się w laboratorium fotowoltaiki (rys. 2). Z zależności (2) oraz rysunku 2 wynika, że napięcie maksymalne U Łmax łańcucha fotowoltaicznego rośnie wraz ze spadkiem temperatury modułów, a zależność ma charakter liniowy. W instalacji fotowoltaicznej zainstalowanej w laboratorium fotowoltaiki (rys. 2) łańcuchy są bezpośrednio podłączone do wejść DC falowników sieciowych SB1200 [L3]. Łańcuchy fotowoltaiczne zabezpieczone są wyłącznikami nadmiarowo-prądowymi (F1 F6) przeznaczonymi do zastosowania w instalacjach fotowoltaicznych. Energia elektryczna w postaci prądu i napięcia stałego pozyskana w każdym z trzech łańcuchów fotowoltaicznych jest przetwarzana na energię elektryczną o parametrach odpowiadającym parametrom sieci elektroenergetycznej (230V, 50Hz). Przetwarzanie energii elektrycznej realizowane jest w trzech falownikach fotowoltaicznych SB1200 [3]. Falowniki SB1200 podłączone są poprzez zabezpieczenia F7, F8 oraz F9 do trójfazowej autonomicznej sieci wewnętrznej (L 1a, L 2a, L 3a ) wytwarzanej przez falowniki wyspowe SI2012. Po synchronizacji z siecią autonomiczną falowniki generują energię elektryczną (rys. 2). 3173

3 Rys. 2. Wpływ zmian temperatury na napięcie maksymalne U Łmax łańcucha fotowoltaicznego 1.2 System nadążny Generator fotowoltaiczny zamontowany został na ruchomej konstrukcji, która przestawiana jest za pomocą dwóch siłowników elektrycznych. Zastosowany astronomiczny system wyznaczania pozycji słońca umożliwia ustawienie generatora fotowoltaicznego pod kątem 90 do kierunku padania promieni słonecznych. Ruchoma konstrukcja wraz z siłownikami oraz systemem sterowania tworzy system nadążny PV. Jest to jeden z największych systemów nadążnych w Polsce zamontowanych na dachu budynku (rys. 3). Rys. 3. Konstrukcja systemu nadążnego z generatorem fotowoltaicznym zamontowana na dachu budynku Powierzchnia generatora fotowoltaicznego przekracza 27 m 2, co naraża konstrukcję na działanie dużych obciążeń występujących pod wpływem naporu wiatru. Ze względów bezpieczeństwa, system nadążny wyposażony został w monitor prędkości wiatru, który w przypadku przekroczenia granicznej wartości prędkości wiatru daje sygnał do ustawienia konstrukcji generatora fotowoltaicznego 3174

4 w pozycji poziomej. Urządzenia sterujące oraz układ awaryjnego zasilania systemu nadążnego wraz z monitorem prędkości umieszczone zostały w szafce sterującej (rys. 4). Rys. 4. Widok szafki sterującej systemu nadążnego Parametry pracy instalacji fotowoltaicznej są monitorowane poprzez urządzenie Sunny Webbox (rys. 5). Urządzenie to odbiera za pośrednictwem protokołu RS485 aktualnie mierzone parametry pracy i przechowuje na karcie SD. Wbudowany Ethernetowy interfejs umożliwia zdalny dostęp do urządzenia. Na podstawie zarchiwizowanych parametrów istnieje możliwość analizy pracy instalacji fotowoltaicznej. Dane gromadzone są w postaci średnich wartości z okresów 5-cio lub 15-to minutowych. a) b) Rys. 5. Sunny Webbox: a) widok urządzenia, b) podgląd parametrów falownika 2 PRODUKCJA ENERGII ELEKTRYCZNEJ Instalacje fotowoltaiczne produkują energię elektryczną przetwarzając energię promieniowania słonecznego. Ilość wyprodukowanej energii elektrycznej zależy do ilości energii promieniowania słonecznego która dociera do generatora fotowoltaicznego. Głównymi czynnikami ograniczającymi ilość promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi są warunki atmosferyczne oraz zmieniający się współczynnik optycznej masy powietrza AM (Air Mass). Współczynnik optycznej masy powietrza AM określa względną wartość długości drogi promieniowania słonecznego w atmosferze w stosunku do grubości atmosfery i określony jest zależnością [5]: 3175

5 L AM (3) D gdzie: L długość drogi promieniowania słonecznego w atmosferze w [km] (rys. 6), D grubość atmosfery w [km] (rys. 6). Rys. 6. Graficzna interpretacja współczynnika optycznej masy powietrza AM Energia promieniowania słonecznego jest w atmosferze wytracana. Im dłuższą drogę L promieniowanie słoneczne musi pokonać w atmosferze, tym bardziej więcej energii zostaje wytracone i rozproszone w atmosferze. W wyniku tego zjawiska mniej energii promieniowania słonecznego dociera do powierzchni ziemi. 2.1 Produkcja energii elektrycznej w dzień bezchmurny Ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w instalacji fotowoltaicznej w dzień bezchmurny ograniczana jest przez współczynnik AM, temperaturę, ciśnienie itp. Na rysunku 7 przedstawiono przykładowy dobowy wykres mocy generowanej w instalacji laboratoryjnej o mocy nominalnej P N =3,78 kwp. Rys. 7. Dobowy wykres mocy generowanej w instalacji fotowoltaicznej w dzień bezchurny 3176

6 Od około godziny 9 do godziny około 16-tej można zaobserwować stabilną pracę instalacji fotowoltaicznej, zależną jedynie od chwilowej wartości natężenia promieniowania słonecznego. Całkowita moc generowana wynosiła ponad 3 kw. Po godzinie 15tej nastąpił spadek mocy generowanej. Płaska charakterystyka utrzymująca się między godzinami 9-tą a 15tą jest efektem zastosowania systemu nadążnego, dzięki któremu promieniowanie słoneczne pada na generator fotowoltaiczny pod kątem bliskim Wpływ czynników atmosferycznych na produkcję energii elektrycznej Ograniczenie ilości energii promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi i związaną z nią produkcje energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych pod wpływem współczynnika optycznej masy powietrza AM można wyznaczyć i dokładnie przewidzieć. Czynnikiem który charakteryzuje się większą dynamiką zmian oraz mniejszą przewidywalnością są warunki atmosferyczne. Silne zachmurzenie może spowodować znaczny spadek mocy generowanej na zaciskach generatora fotowoltaicznego (rys. 8). Na rysunku 8 przedstawiono wykres mocy generowanej w instalacji fotowoltaicznej w lipcu, w dzień pochmurny. Ścisły związek między natężeniem promieniowania słonecznego a możliwościami produkcyjnymi w instalacja elektrycznych uniemożliwia zakwalifikowanie tych instalacji jako stabilne źródła energii. Rys. 8. Dobowy wykres mocy generowanej w instalacji fotowoltaicznej w dzień pochmurny Dość rzadkim zjawiskiem wpływającym na produkcję energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych jest zaćmienie Słońca. Wpływ częściowego zaćmienia słońca, które miało miejsce w dniu 20 marca 2015 r., na produkcję energii elektrycznej pokazano na rysunku 9. Rys. 9. Dobowy wykres mocy generowanej w instalacji fotowoltaicznej w dzień pochmurny 3177

7 Przewidywane zaćmienie Słońca miało obejmować ponad 60% tarczy słonecznej. Analizując wartość mocy generowanej można zaobserwować, że spadek mocy generatora fotowoltaicznego wynosił około 63%. Wpływ zaćmienia Słońca jest w porównaniu ze zmianami lokalnych warunków atmosferycznych przewidywalny, a ograniczenie mocy instalacji jest proporcjonalne do zacienionej powierzchni tarczy Słońca. 3 ROCZNY UZYSK ENERGETYCZNY Zmiana współczynnika optycznej masy powietrza wpływa na kształt dobowej charakterystyki określającej chwilową moc generowaną w instalacji fotowoltaicznej. Warunki atmosferyczne stanowią czynnik zaburzający tą charakterystykę. Szerokość okna czasowego charakterystyki, czyli potencjalny czas działania instalacji fotowoltaicznej zależy szerokości geograficznej na której umiejscowiona jest instalacja fotowoltaiczna oraz od położenia kuli Ziemskiej na orbicie Słońca. Charakterystycznymi dniami, w których występują ekstremalne wartości czasu działania instalacji fotowoltaicznych (pomijając wpływ warunków atmosferycznych) są 21 czerwca przesilenie letnie, gdy na półkuli północnej czas między wschodem Słońca a zachodem jest najdłuższy oraz 22 grudnia, gdy na półkuli północnej czas między wschodem a zachodem Słońca jest najkrótszy ze wszystkich dni w roku. Wpływ położenia geograficznego oraz ruchu Ziemi wokół Słońca na moc generowaną na zaciskach generatora w grudniu oraz czerwcu przedstawia rysunek 10. Rys. 10. Dobowy wykres mocy na zaciskach generatora fotowoltaicznego w grudniu oraz czerwcu Zmienność produkcji energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych można rozpatrywać w różnych cyklach czasu. Najbardziej typowymi są dobowa, sezonowa oraz roczna zmienność produkcji. Jednym z najbardziej powtarzalnych i przewidywalnych okresów do prognozowania uzysków energetycznych jest okres jednego roku. Analizując produkcję energii elektrycznej w poszczególnych latach [5] można stwierdzić, że różnice rocznych uzysków energetycznych nie przekraczają 10-15%. Roczny uzysk energii elektrycznej w instalacji fotowoltaicznej znajdującej się w Laboratorium Fotowoltaiki w 2014 roku wyniósł 4,14 MWh, W przeliczeniu na 1 kwp mocy zainstalowanej instalacja fotowoltaiczna wyprodukowała 1,09 MWh/kWp w 2014 roku. 3178

8 Rys. 11. Roczny uzysk energii elektrycznej w instalacji fotowoltaicznej w dzień pochmurny WNIOSKI Instalacje fotowoltaiczne stanowią źródła energii odnawialnej. Produkcja energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych zależna jest od takich czynników jak szerokość geograficzna, warunki atmosferyczne, współczynnik optycznej masy powietrza itp. Szerokość geograficzna ogranicza sezonowo przedział czasu w którym promieniowanie słoneczne może padać na powierzchnię ziemi w danym miejscu. Sezonowa oraz dobowa zmiana współczynnika optycznej masy powietrza AM, powoduje zmianę widma promieniowania słonecznego docierającego do generatora fotowoltaicznego. Wpływ szerokości geograficznej oraz współczynnika optycznej masy powietrza na produkcję energii elektrycznej w instalacji fotowoltaicznej jest przewidywalny i można go wyznaczyć uwzględniając pozycję Ziemi na orbicie Słońca oraz obrót Ziemi wokół własnej osi. Warunki atmosferyczne, mające również bezpośredni wpływ na produkcję energii w instalacjach fotowoltaicznych są czynnikiem losowym. W cyklach dobowych zmiany warunków atmosferycznych powodują, że nie powtarzalność dobowa produkcji energii elektrycznej jest bardzo niska. Wydłużając okres analizy uzysków energetycznych do jednego roku, można prognozować produkcję energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych z błędem nie przekraczającym 15%. Streszczenie W ostatnich latach następuje rozwój odnawialnych źródeł energii (OZE) w Polsce. Wprowadzone zostały nowe regulacje prawne dotyczące wspierania instalacji tego typu. Jedną z technologii OZE jest przetwarzanie energii promieniowania słonecznego w instalacjach fotowoltaicznych. W artykule omówiono wpływ wybranych czynników na produkcję energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych takich jak szerokość geograficzna, współczynnik optycznej masy powietrza oraz czynniki atmosferyczne. Zaprezentowano rzeczywiste parametry pracy instalacji fotowoltaicznej znajdującej się w Laboratorium Fotowoltaiki wybudowanym w ramach projektu: Stworzenie powiązań kooperacyjnych między sferą badawczą a przedsiębiorstwami w celu poprawy konkurencyjności regionu i zwiększenia spójności gospodarczej i społecznej działanie 1.1 w ramach RPOWM p. 1. Słowa kluczowe: Instalacja fotowoltaiczna, Laboratorium fotowoltaiki, współczynnik optycznej masy powietrza, produkcja energii elektrycznej, generator fotowoltaiczny Analysis of the PV system energy yields Abstract The renewable energy sources (RES) are developing in recent years in Poland. The new regulations were introduced for this type of installation support. One of the renewable energy technologies is the processing 3179

9 of solar energy in photovoltaic installations. This paper discusses the influence of selected factors such as latitude, the coefficient of optical air mass and weathering on the production of electricity in photovoltaic installations. The paper presents the actual parameters of the PV system located in the Photovoltaics Laboratory built under the project: "Development of cooperative relations between the research sector and enterprises in order to improve the competitiveness of the region and enhance the economic and social cohesion" in the context of action 1.1 RPOWM p. 1. Keywords: photovoltaic instalation, photovoltaics laboratory, air mass, production of electricity, PV generator BIBLIOGRAFIA 1. Dokumentacja techniczna modułów GreenTech GT-180MCY. Wamtechnik, Warszawa Norma PN-EN :2005 Moduły fotowoltaiczne (PV) z krzemu krystalicznego do zastosowań naziemnych -- Kwalifikacja konstrukcji i aprobata typu. 3. PV Inverters SUNNY BOY 1100 / 1200 / 1700 Installation Guide. SMA Solar Technology AG, SB11_12_17-IEN100132, Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii 5. Wacławek M., Rodziewicz W., Ogniwa słoneczne wpływ środowiska na ich pracę, WNT, Warszawa 2011 r. 3180