Odbiór energii z modułu fotowoltaicznego Charakterystyki pracy typowych odbiorników biernych są w większości nieoptymalne dla poboru energii z ogniw fotowoltaicznych Dopasowanie obciążenia: przełączanie odbiorników Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 16
Śledzenie punktu mocy maksymalnej Maximum power point tracking (MPPT) maximum power trackers, current boosters, power boosters zwykle przetwornica impulsowa, ale może też być zintegrowane w falowniku Zwiększa koszt systemu oraz zmniejsza sprawność energetyczną ale P o = η P i jeżeli P i wzrośnie bardziej, to P o też wzrośnie Odbiornik rezystancyjny Silnik pompy hiperbola na niej iloczyn I U jest stały I pv U pv I L U L (przy założeniu η 1) zbyt mała moc w punkcie A spowoduje zacięcie się wirnika przy rozruchu, tymczasem z MPPT można dostarczyć dużo większą moc (A max ) przy identycznym nasłonecznieniu, a nawet wystarczającą przy mniejszym Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 17
Typowe przekształtniki dławikowe przetwornice prądu stałego Obniżająca napięcie Obniżająco-podwyższająca Tylko zwiększenie prądu (current booster) gdyż 0 D 1 Oprócz funkcji MPPT może jednocześnie realizować ładowanie akumulatora Napięcie wyjściowe może być mniejsze lub większe od PV Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 18
Magazynowanie energii Akumulatory (rechargeable batteries) kwasowo-ołowiowe (lead-acid) najbardziej efektywne kosztowo, duża gęstość energii większość problemów rozwiązana akumulatory bezobsługowe NiCd, NiMH, Li-ion itp. mogą pracować w każdym położeniu, ale większy koszt i gabaryty silna zależność efektywnej pojemności od przebiegu ładowania/rozładowania Superkondensatory (ultracapacitors, supercapacitors) proporcjonalna zależność napięcia od ładunku silne zmiany napięcia, niskie napięcie w dużym przedziale stanu ładunku pojemność niezależna od prądu, ale mała gęstość energii Systemy mechaniczne pompowanie wody do zbiornika na wysokości energia potencjalna koło zamachowe (flywheel) energia kinetyczna Technologie wodorowe (hydrogen) ogniwa paliwowe (fuel cells) drogie, ale wydajne i ekologiczne główny problem generacja, składowanie i ew. transport wodoru Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 19
Układy ładowania akumulatorów Maksymalizacja czasu życia akumulatora odłączenie obciążenia w chwili granicznego rozładowania akumulatora odłączenie modułu PV w chwili pełnego naładowania akumulatora optymalizacja wartości i przebiegu prądu ładowania często wymagane uwzględnienie wpływu temperatury na charakterystyki akumulatora lub temperatury jako wskaźnika procesu ładowania Niekorzystny wpływ starzenia Najprostszy schemat zastępczy akumulatora rezystancja wewnętrzna zwykle znacząca zmiana napięcia między ładowaniem a rozładowaniem Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 20
Kontrola stanu ładunku (stopnia naładowania) Źródła problemów: rezystancja szeregowa zależność od prądu zależność od temperatury zależności są różne dla różnych technologii i modeli Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 21
Złożony algorytm ładowania Początkowo ładowanie dużym, stałym prądem Po osiągnięciu ~85% ładunku, ładowanie coraz mniejszym prądem przy stabilizacji napięcia 100% osiągane jest przy bardzo małym prądzie redukcja skoku napięcia w chwili zakończenia ładowania / rozpoczęcia rozładowania Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 22
Proste sterowniki ładowania Bocznikowy (równoległy, shunt controller) łącznik (tranzystor) zwykle sterowany w zakresie liniowym (wzmacniacza) kiedy akumulator osiągnie stan naładowania, część prądu modułu jest przekierowywana przez bocznik napięcie na akumulatorze zostaje ograniczone do bezpiecznej wartości duża moc strat w łączniku (tranzystorze) Energia cały czas odbierana z modułu może być wykorzystana do zasilania bocznika użytecznego np. grzałki Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 23
Proste sterowniki ładowania (cd.) Szeregowy (series controller) prąd ograniczany przez tranzystor zależny od sygnału sterującego z modułów odbierane jest tyle energii, ile może pobrać akumulator podczas ładowania straty mocy w tranzystorze brak strat przy pełnym odłączeniu, ale wówczas ogniwa się marnują brak możliwości wykorzystania energii nadmiarowej Praca łącznikowa sterowanie akumulatorem i odbiornikiem (4 możliwe stany) problem detekcji naładowania / rozładowania powodowany przez rezystancję wewnętrzną Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 24
Prosta samoczynna regulacja ładowania Wymaga dobrego dopasowania napięcia maksymalnej mocy modułu dla dobrego nasłonecznienia (np. 30 ogniw zamiast 36) napięcia rozwarcia ogniw dla niskiego nasłonecznienia napięcia akumulatora W południe praca w pobliżu punku maksymalnej mocy Wieczorem samoczynne ograniczenie prądu aby nie przeładować Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 25
Parametry różnych rozwiązań falowników Wybór zależy od: wymagań odbiornika co do przebiegu zasilającego (zniekształcenia, prąd rozruchu) wymagań sieci (zniekształcenia, zaburzenia) sprawności (zależy od obciążenia) podłączenia wyjścia do odbiornika / do sieci (źródło napięciowe / prądowe) ceny najtańsze falowniki o wyjściu prostokątnym ** ** Less than for others. Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 26
Falownik o wyjściu prostokątnym Łączniki mogą być synchronizowane zewnętrznie napięciem sieci bardzo prosta synchronizacja w przypadku połączenia z siecią V o(rms) = V s Zwykle wymaga transformatora dla podwyższenia napięcia Duża zawartość harmonicznych straty mocy w elementach magnetycznych, które mogą znajdować się na wejściu odbiorników, rosną z częstotliwością wysokie harmoniczne mogą spowodować przegrzanie dotyczy silników, stateczników lamp fluorescencyjnych i in. Częstotliwość przełączania równa sieciowej niska duże gabaryty transformatora wyjściowego Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 27
Falowniki z modulacją szerokości impulsu kontrola kształtu kontrola częstotliwości (silniki prądu przemiennego) kontrola amplitudy Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 28
Zasada realizacji modulacji szerokości impulsu Identyczna jak w przetwornicach prądu stałego, tylko ze zmiennym sygnałem sterującym modulatorem (sygnałem odniesienia sprzężenia zwrotnego) Wymaga wyjściowego filtru L, C lub LC w zależności od wymagań odbiornika (sinusoidalne napięcie czy prąd) Dla wielu odbiorników istotne uzyskanie zerowej składowej stałej Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 29
Falownik zintegrowany ze śledzeniem punktu maksymalnej mocy modułu PV Amplituda sygnału modulującego zależy od napięcia na module PV Oczywiście zawsze U o < U pv, dla idealnej sinusoidy U o < U pv / 2 W każdym falowniku PWM częstotliwość przełączania f s f o dokładniejsze odwzorowanie sinusoidy mniejsze rozmiary wymaganego filtru oraz ewentualnego transformatora większe dynamiczne straty mocy w łącznikach półprzewodnikowych ( f s ) Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 30
Instalacja elektryczna Wymagane parametry przewodów i zabezpieczeń przy braku przetężeń, dla wkładki topikowej I n 1,25 I B dla źródeł kondensatorowych i odbiorników indukcyjnych do 4 I B I Z > I n I Z I 2 / 1,45 k 2 współczynnik zależny od rodzaju zabezpieczenia, 1,6 2,1 dla wkładek topikowych, mniejszy dla innych I n Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 31
Sposoby układania przewodów Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 32
Wymagany przekrój przewodu Dla wiązki 2 przewodów stosuje się współczynnik korekcyjny 0,80 0,94 Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 33
Wpływ temperatury Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 34
Spadek napięcia w instalacji Rezystancja przewodu W instalacji DC lub 1-fazowej długość = 2 odległość Miedź w 20 przewodność γ = 5,8 10 7 S/m rezystywność ρ = 1,8 10 8 Ω m Zwykle podawana w mω/m (Ω/km), w USA w Ω/(1000 ft) Przykład 2 przewody 1,5 mm 2 na odległości 25 m przy swoim znamionowym obciążeniu W niskonapięciowych (12 V 48 V) systemach fotowoltaicznych przekrój przewodu jest często narzucony przez dopuszczalny spadek napięcia w instalacji zmniejsza wartość dostępnego napięcia zasilania ale również oznacza straty mocy zmniejszenie sprawności najczęściej przyjmowane wartości dopuszczalne to (1 5)% nominalnego napięcia pracy instalacji Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 35
Przyrządy i układy półprzewodnikowe dla fotowoltaiki ST Microelectronics ST products and solutions for solar energy Łukasz Starzak, Przetwarzanie energii elektrycznej w fotowoltaice, lato 2015/16 36