POZNAN UNIVE RSITY OF TE CHNOLOGY ACADE MIC JOURNALS No 81 Electrical Engineering 2015 Grażyna FRYDRYCHOWICZ-JASTRZĘBSKA* Paweł JANCZAK* INSTALACJE FOTOWOLTAICZNE MAŁEJ MOCY W pracy przedstawiono rodzaje systemów fotowoltaicznych wraz ich z krótką charakterystyką i schematami blokowymi. Scharakteryzowano stanowisko pomiarowe, oraz przedstawiono metodykę badań mających na celu określenie możliwości generacji mocy elektrycznej przez ogniwa fotowoltaiczne w warunkach rzeczywistych. Przedstawiono uśrednione wyniki badań oraz ich graficzną interpretację wraz z omówieniem i wynikające z nich konsekwencje dla indywidualnego użytkownika. SŁOWA KLUCZOWE: moduł fotowoltaiczny, instalacje fotowoltaiczne, generacja mocy w warunkach rzeczywistych 1. WPROWADZENIE Zmiany klimatu, postępujące utrudnienie w dostępie do złóż zasobów paliw kopalnych oraz zwiększanie się świadomości społeczeństw w zakresie związanym z ochroną środowiska naturalnego, wymuszają poszukiwanie nowych, przyjaznych środowisku źródeł energii. Dodatkowo, z punktu widzenia indywidualnego odbiorcy energii, bardzo istotną kwestią są stale zwiększające się koszty utrzymania budynków mieszkalnych, których znaczną część stanowią wydatki poniesione na wykorzystanie energii elektrycznej. Powyższe problemy przyczyniły się do rozwoju odnawialnych źródeł energii, do których należy również energia słoneczna. Jej potencjał energetyczny przekracza 15000 razy całkowite światowe zapotrzebowanie na energię [2]. Do jej zalet należy powszechny dostęp oraz nieograniczone zasoby. W ostatnich latach, między innymi za sprawą coraz bardziej sprzyjających inwestorom przepisów prawa, małe instalacje fotowoltaiczne, o mocy do 10 kwp [2] znajdują coraz powszechniejsze zastosowanie również w Polsce [2, 3, 4]. 2. RODZAJE INSTALACJI FOTOWOLTAICZNYCH Ze względu na konfiguracje, wykorzystywane źródła energii oraz sposób podłączenia do publicznej sieci elektroenergetycznej wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje systemów fotowoltaicznych [1, 2, 3, 4]: - autonomiczne (off-grid), * Politechnika Poznańska.
146 Grażyna Frydrychowicz-Jastrzębska, Paweł Janczak - sprzężone z siecią elektroenergetyczną (on-grid), - hybrydowe (mieszane). Pierwszą grupę systemów stanowią instalacje odseparowane galwanicznie od sieci elektroenergetycznej. W skład instalacji autonomicznej wchodzą trzy podstawowe bloki: moduły fotowoltaiczne, zasobniki energii elektrycznej wraz z kontrolerem ładowania oraz falownik, jeśli zachodzi konieczność zasilania urządzeń prądu zmiennego. Wadą tego systemy może być konieczność rozbudowy baterii akumulatorów, wynikająca z dużej zmienności czasowej energii słonecznej [2, 3, 4]. Schemat blokowy instalacji fotowoltaicznej autonomicznej przedstawiono na rysunku 1. Rys. 1. Schemat blokowy instalacji fotowoltaicznej autonomicznej [3] W skład instalacji współpracujących z siecią wchodzą: zespół paneli fotowoltaicznych, falownik sieciowy oraz licznik energii pobieranej z sieci i oddawanej do sieci [2, 3]. Systemy takie służą do oddawania energii do sieci, umożliwiając również pobór energii z sieci w okresie większego na nią zapotrzebowania [1, 2, 3, 4]. Rys. 2. Schemat blokowy instalacji fotowoltaicznej sprzężonej z publiczną siecią energetyczną [3]: R sieci, L sieci, U sieci rezystancja, indukcyjność i napięcie sieci elektroenergetycznej; I M, U M, - prąd i napięcie modułu fotowoltaicznego
Instalacje fotowoltaiczne małej mocy 147 Przedstawiony na rysunku 2 schemat blokowy instalacji połączonej z siecią występuje w dwóch wariantach: a) w wypadku, gdy cena energii oddawanej do sieci jest niższa od ceny energii pobieranej, do sieci oddawany jest jedynie nadmiar energii, w wypadku jej niedoboru jest ona pobierana z sieci publicznej, b) w sytuacji, gdy cena energii oddawanej do sieci jest większa niż cena energii pobieranej, do sieci oddawana jest cała wygenerowana moc elektryczna, a następnie całkowita zapotrzebowana energia pobierana jest z sieci. Wybór wariantu systemu jest więc zależny ściśle od ceny energii [2, 3]. Ostatnią z podstawowych instalacji fotowoltaicznych jest konfiguracja hybrydowa. Rozwiązanie to charakteryzuje się zastosowaniem dwóch lub więcej generatorów energii elektrycznej, bazujących na różnych źródłach. Do współpracy z modułami fotowoltaicznymi stosuje się między innymi [2, 4]: turbiny wiatrowe, generatory spalinowe, generatory gazowe, a także generatory z ogniwami paliwowymi. System hybrydowy przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Schemat blokowy instalacji fotowoltaicznej hybrydowej [4] W zależności od konfiguracji, źródła generacyjne w systemie mogą być dołączone do wspólnej szyny stałoprądowej lub zmiennoprądowej. W pierwszym przypadku konieczna jest konwersja napięcia pochodzącego np. z generatora spalinowego lub wiatrowego z prądnicą synchroniczną ze wzbudzeniem od magnesów trwałych na napięcie stałe [4], w drugim konieczne jest zastosowanie falownika za panelem fotowoltaicznym [2, 4]
148 Grażyna Frydrychowicz-Jastrzębska, Paweł Janczak 3. STANOWISKO BADAWCZE Przeprowadzone pomiary miały na celu doświadczalne wyznaczenie możliwości generacji mocy elektrycznej przez moduł fotowoltaiczny w rzeczywistych warunkach jego użytkowania. Przedmiotem badań był moduł fotowoltaiczny krzemowy monokrystaliczny TopRay 240 W. Parametry elektryczne modułu przedstawiono w tabeli 1. Tabela 1. Parametry elektryczne modułu fotowoltaicznego TopRay 240 W [6] PARAMETR ELEKTRYCZNY WARTOŚĆ Moc max. [Wp] 240 Napięcie max. V mp [V] 29,70 Prąd max. I mp [A] 8,06 Napięcie obwodu otwartego V oc [V] 36,80 Prąd zwarciowy I sc [A] 8,68 Max. napięcie systemu [V] 1000 Zakres temp. pracy [ C] -40 do +85 Sprawność po 10 latach [%] 90 Sprawność po 20 latach [%] 80 Gwarancja 3 lata Badania przeprowadzono w województwie łódzkim, na szerokości geograficznej 51 99'N. Obiekt badań zlokalizowany był na płaskim dachu jednopiętrowego budynku i pochylony pod kątem 35 do jego powierzchni. Moduł skierowany był na południe. Taka orientacja przestrzenna stacjonarnego odbiornika fotowoltaicznego w skali całorocznej jest optymalna. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 4. Rys. 4. Schemat układu pomiarowego [5]
Instalacje fotowoltaiczne małej mocy 149 Pomiary mocy modułu fotowoltaicznego TopRay 240 Wp wykonano metodą techniczną w okresie miesięcy: grudnia 2013 r. oraz marca, czerwca i września 2014 r., w godzinach od 6 do 21 z odstępem czasowym 1 godziny. W pomiarach zastosowano: - multimetr cyfrowy BRYMEN BM857A jako amperomierz, - multimetr cyfrowy BRYMEN BM857A jako woltomierz, - licznik energii prądu stałego MK-30-DC, - rezystor dekadowy. 4. WYNIKI POMIARÓW Graficzną interpretację wyników, otrzymanych z pomiarów, przedstawiających uśrednioną dobową wartość energii dla danego miesiąca oraz uśredniony godzinowy rozkład energii w miesiącu zobrazowano odpowiednio na rysunku 5 oraz na rysunku 6. Rys. 5. Uśredniona wartość energii elektrycznej uzyskanej z pojedynczego modułu fotowoltaicznego w ciągu doby dla wybranych miesięcy [1] Rys. 6. Uśredniony godzinowy rozkład energii w miesiącach: a) grudzień 2013, b) marzec 2014, c) czerwiec 2014, d) wrzesień 2014 [1]
150 Grażyna Frydrychowicz-Jastrzębska, Paweł Janczak Na podstawie wykresu z rysunku 5. można stwierdzić, że największą średnią dobową wartość energii uzyskano dla miesiąca czerwca (1221 Wh), a najmniejszą wartość dla miesiąca grudnia (547 Wh). Można też zaobserwować, że około 2/3 całkowitej energii możliwej do wygenerowania w ciągu roku przypada na okres wiosenno-letni. Otrzymane wyniki pokrywają się z tendencjami przestawianymi w źródłach literaturowych [4]. Wykresy z rysunku 6 obrazują uśredniony godzinowy rozkład energii generowanej dla poszczególnych miesięcy. Można zaobserwować, że w czerwcu możliwe jest efektywne wykorzystywanie generacji z modułu w godzinach od 10 do 17, a w marcu od 11 do 16. Pomimo, że w grudniu i wrześniu średnia dobowa ilość energii wytworzonej ma zbliżoną wartość, znacząco inny jest jej godzinowy rozkład. We wrześniu średni godzinowy rozkład energii charakteryzuje większa symetria w godzinach od 10 do 16, osiągający wyraźne maksimum w południe, natomiast w grudniu niemalże cała energia wytwarzana jest w przedziale od godziny 12 do 16. 5. PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych pomiarów można wnioskować, że z powodu znacznej rocznej zmienności wytwarzanej energii, w przypadku projektowania fotowoltaicznych instalacji autonomicznych może zaistnieć konieczność przewymiarowania systemu oraz zasobnika energii, ze względu na bardzo niekorzystne warunki pracy w okresie od września do lutego. Należy podkreślić, że w tym czasie produkowane jest jedynie około 30% całkowitej rocznej energii, dodatkowo w bardzo wąskim zakresie godzinowym. W praktyce ogranicza to stosowanie tego typu rozwiązań do zasilania pojedynczych urządzeń, często jedynie sezonowo. Z uwagi na znaczą zmienność czasową energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych, lepszym rozwiązaniem okazać się może zastosowanie instalacji hybrydowej, uzupełnionej np. o turbinę wiatrową. Wykorzystanie dodatkowego źródła energii umożliwi zwiększenie niezawodności zasilania oraz redukcję liczby modułów fotowoltaicznych i wielkości zasobników energii elektrycznej [4]. W tym wypadku jednak należy liczyć się ze zwiększeniem kosztów na konserwację systemu. Jest to bardzo dobre rozwiązanie w wypadku zasilania obiektów znacząco oddalonych od sieci publicznej [2, 4]. Najkorzystniejszym ze względów ekonomicznych rozwiązaniem dla użytkownika indywidualnego jest zastosowanie systemu sprzężonego z siecią publiczną. Rozwiązanie takie pozwala na sprzedaż nadwyżek (lub całości) energii, wytworzonej w okresie wiosenno-letnim, umożliwiając jednocześnie użytkownikowi pobór energii z krajowego systemu
Instalacje fotowoltaiczne małej mocy 151 elektroenergetycznego w wypadku, gdy zapotrzebowanie na nią przekracza możliwości wytwórcze instalacji fotowoltaicznej lub hybrydowej. Rozwiązanie takie zapewnia także największą stabilność ciągłości zasilania. Znaczącą przeszkodę stanowi jednak brak konkretnego aktu prawnego regulującego kwestie energetyki odnawialnej, jak i niska cena odsprzedawanej do sieci energii [2, 4]. W celu dodatkowego zwiększenia efektywności systemów fotowoltaicznych można zainstalować trackery, czyli urządzenia do optymalnego ustawiania modułu fotowoltaicznego w wyniku śledzenia ruchu Słońca, jednak rozwiązania takie, ze względu na konieczność importu, są na chwilę obecną bardzo kosztowne [7] w stosunku do ceny instalacji [6]. Jednakże w ostatnim czasie naukowiec z Akademii Górniczo- Hutniczej w Krakowie, Janusz Teneta skonstruował tracker sterowany dwuosiowo, co przyczyni się do redukcji kosztów. LITERATURA [1] Janczak P., Analiza techniczno-ekonomiczna wybranych systemów fotowoltaicznych małej mocy, Poznań, praca magisterska 2014. [2] Jastrzębska G., Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie, Warszawa, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności 2013. [3] Klugmann-Radziemska E., Klugmann E., Systemy słonecznego ogrzewania i zasilania elektrycznego budynków, Białystok, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko 2002. [4] Zimny J., Odnawialne źródła energii w budownictwie niskoenergetycznym, Kraków-Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne 2010. [5] http://convert.com.pl/docs/instrukcje/mk-30-dc_licznik_energii_pradu_stalego.pdf (dostęp 01.11.2013) [6] http://suntrack.pl/baterie-sloneczne/861-panel-sloneczny-topraysolar-240w.html (dostęp 05.09.2014) [7] http://sklep.rotero.com.pl/fotowoltaika/systemy-montazowe/trackery/ (dostęp 12.12.2014) LOW-POWER PHOTOVOLTAIC SYSTEMS The paper presents the types of photovoltaic systems along with a brief characterisation and block diagrams. It characterized measuring stand, and the methodology of reserch to determine the possibilities of electric power generation by photovoltaic cells in real conditions. It shows the averaged results of the tests and their graphical interpretations along with a discussion and the consequences for the individual user.