FIGURA Radosław 1 Laboratorium fotowoltaiki baza badawczo-dydaktyczna dla przemysłu WSTĘP W 2010 r. zostały uruchomione środki finansowe na budowę Hali Technologicznej przy ówczesnej Politechnice Radomskiej im. K. Pułaskiego w Radomiu 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. W czerwcu 2013 odbyło się uroczyste otwarcie nowych laboratoriów, kończąc jednocześnie proces inwestycyjny. Pozyskane fundusze pozwoliły na wybudowanie i wyposażenie laboratoriów z przemysłu chemicznego, mechanicznego oraz energetycznego. W ramach niniejszego projektu powstało Laboratorium Fotowoltaiki, które ze względu na wyposażenie i profil działalności należałoby nazwać Laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii. Zakres działalności badawczodydaktycznej tego laboratorium obejmuje pozyskiwania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł, magazynowanie energii oraz przetwarzanie tej energii w wydzielonej sieci elektrycznej. 1 ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII Założeniem głównym przy projektowaniu laboratorium było dążenie do zbudowania systemu, w którym możliwe byłoby pozyskanie energii z odnawialnych źródeł i wykorzystanie jej w procesie przemysłowym. Zaplanowano wybudowanie elektrowni słonecznej o mocy 3,78 kw oraz elektrowni wiatrowej o mocy 3 kw (fot. 1.). Fot. 1. Hala technologiczna z zainstalowanymi na dachu odnawialnymi źródłami energii Obydwie elektrownie tworzą hybrydowe źródło zasilania. Elektrownie przyłączone są do autonomicznej trójfazowej sieci elektrycznej wytworzonej przez trzy współpracujące ze sobą falowniki wyspowe SI2012 [8] (rys. 1.). Urządzenia te pozwalają na wytworzenie sinusoidalnego napięcia trójfazowego. Mogą one współpracować z generatorem spalinowym lub z siecią elektroenergetyczną jako rezerwowym źródłem zasilania. Ze względu na zapewnienie ciągłości 1 Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki; 26-600 Radom; ul. Malczewskiego 29. Tel: + 48 48 361-77-62, e-mail: r.figura@uthrad.pl 3552
zasilania w trakcie wykonywania prac badawczych, falowniki wyspowe SI2012 są połączone poprzez wyłącznik P1 do sieci elektroenergetycznej, z której uzupełniane są ewentualne niedobory energii elektrycznej. Odbiornik energii elektrycznej zestaw pompowy, może być zasilany bezpośrednio z sieci elektroenergetycznej (L1, L2, L3). Przełączanie źródeł zasilania dokonuje się z wykorzystaniem przełącznika P2. Falownik wyspowy SI2012 kontroluje parametry energii elektrycznej w autonomicznej sieci wewnętrznej (L1a, L2a, L3a). Jego zadaniem jest takie gospodarowanie przepływem energii między odnawialnymi źródłami energii, magazynem energii LiFePO4 a źródłem rezerwowym, aby przy zmieniającym się obciążeniu utrzymać skuteczną wartość napięcia oraz wartość częstotliwości na poziomie zadanych wartości umożliwiających poprawną pracę zestawu pompowego (rys. 1.). Rys. 1. Schemat poglądowy instalacji OZE w Laboratorium Fotowoltaiki 1.1 Pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego Jednym z elementów tworzących hybrydowe źródło zasilania w Laboratorium Fotowoltaiki jest instalacja fotowoltaiczna przetwarzająca energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Wchodzący w skład instalacji generator fotowoltaiczny zawiera 21 modułów fotowoltaicznych (PV1.1.3.7) wykonanych w technologii monokrystalicznej [3], podzielonych na 3 sekcje (rys. 2). W każdej sekcji zainstalowano 7 szeregowo połączonych modułów fotowoltaicznych tworzących łańcuchy fotowoltaiczne, w których wartość nominalnego napięcia stałego jest na poziomie U PVN = 264,04V. 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 [7]. 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 i po synchronizacji z siecią wewnętrzną generują energię elektryczną (rys. 2). 3553
Rys. 2. Schemat połączeń instalacji fotowoltaicznej Instalacja fotowoltaiczna wyposażona została w urządzenie Webbox [10] umożliwiające zdalną zmianę parametrów w falownikach oraz archiwizację i wizualizację parametrów pracy falowników z wykorzystaniem sieci Ethernet. Na rysunku 3 pokazano przykładowy wykres ilustrujący moc chwilową generatora fotowoltaicznego w czasie jednej doby z dnia 10 października 2014 r. Tego dnia instalacja wyprodukowała 19,48 kwh energii elektrycznej. Rys. 3. Chwilowa wartość mocy generatora fotowoltaicznego z dnia 10 października 2014 r. [9] 1.2 Pozyskiwanie energii wiatru Drugim źródłem energii elektrycznej w hybrydowym systemie zasilania jest elektrownia wiatrowa o pionowej osi obrotu Simply Vertical [4]. W elektrowniach wiatrowych tego typu charakterystyczne jest koło wiatrowe, które pod wpływem naporu wiatru obraca się wokół pionowej osi. Zastosowane rozwiązanie konstrukcyjne eliminuje konieczność stosowania układów badających kierunek wiatru oraz obracających koło wiatrowe zgodnie z jego kierunkiem. Koło wiatrowe osadzone jest na wirniku 3554
generatora synchronicznego GS. Wraz ze wzrostem prędkości wiatru, napędzany przez koło wiatrowe generator GS zwiększa swoje obroty generując trójfazowe napięcie przemienne U GS. Wartość skuteczna generowanego napięcia U GS oraz jego częstotliwość f GS zmieniają się wraz ze zmianami prędkości obrotowej n GS generatora GS, co powoduje, że generator GS nie może być włączony bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej. Wstępne przetwarzanie energii elektrycznej uzyskanej z generatora GS jest realizowane za pomocą kontrolera pracy turbiny wiatrowej KPT (rys. 4.). W kontrolerze KPT znajduje się układ prostujący napięcie przemienne U GS oraz mierzona jest częstotliwość f GS [1]. Na podstawie zmierzonych wartości wyznaczana jest prędkość obrotowa n TW turbiny wiatrowej. Gdy prędkość obrotowa n TW osiągnie wartość większą od wartości maksymalnej n TWmax, kontroler KPD dołącza bezpośrednio do zacisków generatora GS układ hamujący RH w skład którego wchodzą trzy rezystory hamujące o rezystancji R h połączone w gwiazdę. Po dołączeniu układu hamującego RH prędkość obrotowa n TW turbiny wiatrowej zmniejsza się. Uzyskiwane na wyjściu kontrolera KPT napięcie stałe U WDC doprowadzone jest do trzech falowników napięcia AUR2.0 [6] (rys. 4.). Falowniki AUR2.0 w stanie czuwania monitorują wartość napięcia stałego i po przekroczeniu minimalnego progu napięcia przechodzą w normalny stan pracy i rozpoczynają synchronizację z autonomiczną siecią wewnętrzną. Po zakończeniu procesu synchronizacji generują energię elektryczną o zadanych parametrach i stanowią źródło energii w trójfazowej autonomicznej sieci wewnętrznej (L 1a, L 2a, L 3a ) wytwarzanej przez falowniki wyspowe SI2012 (rys. 1.). Rys. 4. Schemat połączeń instalacji turbiny wiatrowej 2 MAGAZYNOWANIE ENERGII Opisane w rozdziale 1.1 falowniki wyspowe SI2012 są urządzeniami, które wymagają podłączenia magazynu energii akumulatorów. W przypadku instalacji fotowoltaicznej znajdującej się w Laboratorium Fotowoltaiki Uniwersytetu Technologiczno-Humanistycznego im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu rolę magazynu energii pełnią akumulatory wykonane w technologii litowożelazowej - LiFePO4 (fot. 2.). Akumulatory LiFePO4 są od kilku lat jednymi z najczęściej stosowanych magazynów energii w samochodach z napędem elektrycznym. Charakteryzują się wysoką trwałością, liczoną w tysiącach cykli do momentu utraty 20% pojemności początkowej. Badania prowadzone przez Jens a Groot a [5] pokazują, że odpowiednia eksploatacja akumulatorów 3555
LiFePO4 zapewnia im żywotność do 10 tyś cykli ładowania oraz rozładowania. Należy jednak zaznaczyć, że decydujący wpływ na żywotność akumulatorów ma głębokość ich rozładowania. Jeżeli akumulatory będą rozładowywane do 100% ich pojemności, wówczas pięciokrotnie może skrócić się ich żywotność. Żywotność akumulatorów LiFePO4 zależy również od wielkości prądów ładowania i rozładowania oraz od temperatury pracy [5]. Niewątpliwie właściwości akumulatorów są bardzo użyteczne szczególnie dla branży pojazdów elektrycznych. Zastosowanie tego typu magazynu energii w instalacji fotowoltaicznej z której zasilany jest zestaw pompowy umożliwia bezpośredni rozruch silników pomp charakteryzujący się wysokimi prądami rozruchowymi, nawet przy odłączonej sieci elektroenergetycznej. Maksymalna chwilowa wydajność prądowa magazynu energii eksploatowanego w Laboratorium Fotowoltaiki wynosi ponad 1500A przy napięciu równym 12V. Fot. 2. Akumulator LiFePO4 wraz z układem kontroli i sterowania 3 ODBIORNIK ENERGII ELEKTRYCZNEJ Energia produkowana w instalacji fotowoltaicznej oraz w turbinie wiatrowej zużywana jest głównie przez zestaw pompowy składający się z czterech pomp wirowych, z których każda napędzana jest trójfazowym silnikiem indukcyjnym klatkowym o mocy 0,55 kw (fot. 3.). Fot. 3. Zestaw pompowy składający się z czterech pomp wirowych 3556
Zestaw pompowy tłoczy wodę do rurociągu umieszczonego pod posadzką laboratorium o długości około 40 metrów zakończonego zestawem kapilar (fot. 4.). Fot. 4. Zestaw kapilar do zmiany rozbioru w układzie pompowym Elektrozawory oraz sterowany zawór motylowy umieszczone na zestawie kapilar umożliwiają zadawanie rozbioru wody według charakterystyki wybranych obiektów przemysłowych lub komunalnych. Zaletą prezentowanego rozwiązania jest możliwość wielokrotnego zadawania tej samej charakterystyki rozbioru wody przy zastosowaniu różnych systemów sterowania pracą pomp. Zainstalowana aparatura kontrolno-pomiarowa umożliwia wykonanie analizy efektywności energetycznej pracy zestawu pompowego dla wybranych systemów sterowania pomp oraz wybranych warunków zasilania. 4 POMIARY WŁAŚCIWOŚCI OGNIW I MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH Wyposażenie laboratorium umożliwia wyznaczanie właściwości elektrycznych ogniw oraz modułów fotowoltaicznych. W ramach prac badawczych oraz dydaktycznych wyznaczane są charakterystyki prądowo-napięciowe (rys. 5.) modułów GT-130PCX [2] z wykorzystaniem zinformatyzowanego stanowiska laboratoryjnego. Badania wykonywane są z wykorzystaniem wirtualnego systemu pomiarowego zrealizowanego w środowisku LabView w oparciu karty pomiarowe National Instruments. Automatyzacja procesu badawczego umożliwia wykonanie charakterystyk określających wpływ temperatury na parametry modułu takie jak napięcie obwodu otwartego (rys. 6.), prąd zwarcia (rys. 7.) czy moc. Rys. 5. Charakterystyki prądowo-napięciowe modułu fotowoltaicznego 130W 3557
Rys. 6. Napięcie obwodu otwartego w funkcji temperatury dla modułu fotowoltaicznego 130W Rys. 7. Prąd zwarcia w funkcji temperatury dla modułu fotowoltaicznego 130W WNIOSKI Laboratorium Fotowoltaiki działające przy Uniwersytecie Technologiczno-Humanistycznym im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu jest nowoczesnym zapleczem naukowo-dydaktycznym dla przemysłu. Badania prowadzone w laboratorium mają na celu zwiększenie efektywności energetycznej procesów przemysłowych oraz upowszechnienie stosowania technologii odnawialnych źródeł energii w systemach zasilania. Studenci kierunków takich jak Transport, Elektrotechnika oraz Elektronika i Telekomunikacja mają okazję poznać zasady funkcjonowania oraz eksploatacji odnawialnych źródeł energii, a firmy mają możliwość testowania nowych rozwiązań w zakresie systemów sterowania, wykorzystania technologii OZE oraz magazynowania energii elektrycznej. Laboratorium jest zaprojektowane i wykonane w sposób umożliwiający dostosowanie możliwości badawczych do pojawiającego się zapotrzebowania. Streszczenie W 2013 roku otwarte zostało Laboratorium Fotowoltaiki Uniwersytetu Technologiczno-Humanistycznego im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu. Laboratorium wybudowane zostało przy wsparciu finansowym uzyskanym 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. Unikatowy charakter tego laboratorium oraz najnowocześniejsza aparatura pomiarowa stwarza szerokie możliwości badawcze w zakresie pozyskiwania, magazynowania oraz przetwarzania energii elektrycznej. Zaprezentowane w artykule systemy pozyskiwania energii promieniowania słonecznego i wiatru wraz z litowo-żelazowym magazynem energii oraz systemem przetwarzania energii, realizowanym na przykładzie pompowni wodociągowej, stanowi niezastąpione zaplecze 3558
badawcze dla małych, średnich oraz dużych przedsiębiorstw z sektora energetycznego oraz inżynierii środowiska. The photovoltaic s laboratory - research and teaching base for industry Abstract The Photovoltaic s Laboratory of the Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom was opened in 2013. The laboratory was built with the financial support received in the framework of the project "Creation 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" within the Measure 1.1 RPOWM p. 1. The unique nature of the laboratory and the most modern measuring equipment provides ample research opportunities in the field of production, storage and processing of electricity. The energy power systems with photovoltaic and wind power plant with lithium energy storage are presented in the article. The energy power system includes energy conversion system, implemented on the example of pumping water. The systems is an indispensable research facilities for small, medium and big companies in the energy sector and environmental engineering. BIBLIOGRAFIA 1. Dokumentacja techniczna kontrolera turbin wiatrowych Aurora Wind. Power-One member of the ABB group, Ver. 2013-04.0-EN, 2013. 2. Dokumentacja techniczna modułów GreenTech GT-130PCX. Wamtechnik, Warszawa 2011. 3. Dokumentacja techniczna modułów GreenTech GT-180MCY. Wamtechnik, Warszawa 2011. 4. Dokumentacja techniczna turbiny wiatrowej Simply Vertical. Ropatec GmbH, 2008. 5. Groot J., State-of-Health Estimation of Li-ion Batteries: Cycle Life Test Methods. Thesis for the degree of licentiate of engineering, Chalmers University of Technology, Göteborg, Sweden 2012. 6. Instruction manual for the installer UNO-2.0-I-W. Power-One member of the ABB group, 2012 7. PV Inverters SUNNY BOY 1100 / 1200 / 1700 Installation Guide. SMA Solar Technology AG, SB11_12_17-IEN100132, 2010. 8. Stand-alone grid inverter SUNNY ISLAND 2012 / 2224 Technical Description. SMA Solar Technology AG, SI2012_2224-TEN091830, 2009. 9. Sunny Portal Info Report for PV System: Laboratorium Fotowoltaiki. Sunny Portal, 10.10.2014. 10. Sunny Webbox RPC User Manual. SMA Solar Technology AG, SWebBoxRPC-BA-en-14, Version 1.4, 2013. 3559