MOBILNE STANOWISKO DO BADAŃ EFEKTYWNOSCI MODUŁÓW PV www.oze.utp.edu.pl
MOBILNE STANOWISKO DO BADAŃ EFEKTYWNOSCI MODUŁÓW PV Prezentacja stanowiska łącznie z mobilnym układem instalacji solarnej z kolektorem płaskim
Rynek systemów fotowoltaicznych na świecie (moc zainstalowana w MW)
Rodzaje modułów stosowanych obecnie w instalacjach PV
Obecnie udział w rynku krystalicznych, słonecznych ogniw krzemowych (c-si) w różnych odmianach (monokrystaliczne, multikrystaliczne, taśmowe) przekracza 90%. Pozostała część przypada na technologie cienkowarstwowe (TF) (amorficzne ogniwa Si, CI(G)S, CdTe).
Budowa stanowiska Zaprojektowane i zbudowane na wydziale Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy stanowisko do badań modułów fotowoltaicznych ma charakter mobilny. Za podstawę pod konstrukcję wsporczą posłużył typowy wózek platformowy. Wspornik, na którym zamontowany jest moduł umożliwia regulacje kąta pochylenia do 90. Model i wykonane stanowisko do badań instalacji PV
Budowa stanowiska
Schemat blokowy W skład instalacji PV stanowiska wchodzi: ogniwo fotowoltaiczne (monokrystaliczne) o mocy 180Wp przy napięciu 36V i prądzie 5A. (1szt.) inwerter o mocy ciągłej 1,5kW z wbudowaną ładowarką sieciową. (1szt.) akumulatory żelowe 12V/120Ah (2szt.) układ pomiarowy Powyższe elementy tworzą instalację nie współpracującą z siecią energetyczną.
Do instalacji podłączony jest system monitorujący parametry pracy. System ten został zaprojektowany i wykonany od podstaw na potrzeby niniejszego stanowiska. W jego skład wchodzi: - piranometr w którym w roli sensora zastosowana została fotodioda BPW34 ze względu na liniową charakterystykę irradiacja-fotoprąd, - woltomierze do pomiaru napięcia na ogniwie oraz akumulatorach, - amperomierze do pomiaru prądu ogniwa i akumulatora. Pomiar prądu akumulatora ze względu na znaczne jego wartości odbywa się pośrednio przy pomocy czujnika Halla. Układ pomiarowy wyposażony został w wyświetlacz ciekłokrystaliczny o rozdzielczości 240x128, na którym wyświetlane są na bieżąco wszystkie monitorowane parametry. Aktualne odczyty mogą być w każdej chwili przesłane do komputera poprzez złącze szeregowe RS232 i przy pomocy dedykowanej aplikacji zapisane do arkusza kalkulacyjnego Excel. Umożliwia to łatwą późniejszą analizę, przedstawienie w formie graficznej oraz tworzenie charakterystyk. Dodatkowo układ posiada funkcję logowania danych, która polega na automatycznym ich przesyłaniu w jednominutowych odstępach czasu. Jako że stanowisko ma służyć również do badania samych ogniw fotowoltaicznych zostało wyposażone w obciążenie aktywne, które umożliwia symulowanie obciążenia rezystancyjnego w zakresie ok. ok. 0[Ω] do [MΩ]. Obciążenie pozwala na wyznaczanie charakterystyk modułów o wartości prądu mocy maksymalnej Imp do 7 [A]. Umożliwia to wyznaczanie charakterystyk prądowo-napięciowych przy różnych kątach pochylenia ogniwa i różnych wartościach promieniowania słonecznego.
Wszystkie mierzone parametry pracy instalacji to: napięcie na ogniwie PV w zakresie 0-100 V (rozdzielczość 0,1 V,+/- 5%), prąd ogniwa PV w zakresie 0-10 A (rozdzielczość 0,01 A,+/-5%), napięcie akumulatora w zakresie 0-100 V (rozdzielczość 0,1 V,+/- 5%) prądu akumulatora w zakresie do 100 A (-100 do -0,5 / +0,5 do +100, +/-5%), moc pobierana z ogniwa PV oraz akumulatora, temperatura ogniwa PV (-55 C do +125 C,rozdzielczość 0,5 ), energia promieniowania słonecznego w zakresie 0-2000 W/m2 (rozdzielczość 2 W/m2,+/-5%). Jednostka centralna z wyświetlaczem
Możliwe badania do realizacji Pierwsze badanie może polegać na wyznaczeniu charakterystyk I-U dla różnych kątów pochyleń modułów PV, np.: β = 0, 45 i 90st. Wzorcowe badanie przeprowadzone było w prawie bezchmurny sierpniowy dzień w godzinach 16:00-16:30, na terenie Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy, azymut modułu wynosił 56,0 o W. Wyznaczanie charakterystyki prądowo napięciowej modułu fotowoltaicznego przeprowadza się stopniowo zwiększając lub zmniejszając rezystancję obciążenia od wartości minimalnej do maksymalnej i dla każdej z nich, zapisując wartości prądu i napięcia modułu. Schemat elektryczny układu do pomiaru charakterystyk I-U
Zapis danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego.
6,1 11,3 18,3 28,4 31,2 34,2 35,9 37,1 37,4 39,1 39,9 40,8 Prąd modułu [A] Charakterystyka ogniwa SUNTECH STP180S-24/Ac (β = 45 o ) 6,00 I - pv P - pv Pmax=145,9W 5,00 Isc = 4,73A Impp = 4,83A 4,00 3,00 2,00 1,00 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 Moc modułu [W] 0,00 Umpp = 30,2V Uoc = 41,0V U[V] 0,0
Charakterystyka ogniwa SUNTECH STP180S-24/Ac (β = 0 o ) Prąd modułu [A] 3,00 3,20 4,10 6,30 12,80 16,80 19,40 22,30 30,40 32,60 33,10 34,00 34,70 35,20 35,80 36,00 36,40 36,70 36,90 37,20 37,40 37,70 37,90 38,10 38,30 38,40 38,60 38,80 38,90 39,10 Moc modułu [W] 2,50 2,00 Isc = 2,26A I - pv P - pv Pmax = 68,46 W Impp = 2,10A 70,00 60,00 50,00 1,50 40,00 1,00 30,00 20,00 0,50 10,00 0,00 Umpp=32,60V Uoc = 39,10V 0,00 U[V]
5,50 14,10 24,40 32,40 34,30 35,20 36,20 37,00 37,80 38,50 38,80 39,50 40,00 Prąd modułu [A] Moc modułu [W] Charakterystyka ogniwa SUNTECH STP180S-24/Ac (β = 90 o ) 5,00 I - pv P - pv 4,50 Isc = 4,27A Pmax = 123,24W 4,00 Impp = 3,90A 3,50 3,00 2,50 2,00 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 1,50 1,00 0,50 0,00 Umpp = 31,60V Uoc = 40,10V 40,00 20,00 0,00 U[V]
Parametr modułu PV Dane producenta (przy STC) Kąt pochylenia modułu (β) 0 o 45 o 90 Napięcie obwodu otwartego U oc [V] 44,8 39,1 41,0 40,1 Prąd zwarcia I sc [A] 5,29 2,26 4,73 4,27 Napięcie w punkcie mocy max U mpp [V] 36,0 32,6 30,2 31,6 Prąd w punkcie mocy max I mpp [A] 5,00 2,10 4,83 3,90 Moc maksymalna P mpp [W] 180,0 68,4 145,9 123,2 Rezystancja optymalna R opt [Ω] 7,2 15,5 6,25 8,10 Współczynnik wypełnienia FF 0,76 0,77 0,75 0,72 Sprawność η [%] Natężenie promieniowania padającego prostopadle na powierzchnie modułu E [W/m 2 ] Dla mono-si 15-18 13,5 15,8 15,5 1000 445,5 * 755,2 * 708,5 * Porównanie charakterystycznych parametrów modułu dla różnych kątów pochylenia. * wartości średnie Analizując wyniki badań dla przyjętego w pracy zakresu trzech kątów, można stwierdzić, że dla warunków pogodowych i pory przeprowadzonych badań największy wpływ na kształt charakterystyki miała zmiana kąta pochylenia. Największą wartość liczbową (145,9 W) mocy maksymalnej uzyskano dla kąta 45 o, a najniższą (68,4 W) dla kąta pochylenia 0 o. Zmiana natężenia promieniowanie padającego na powierzchnię modułu nie wpływała znacznie na napięcie otwartego obwodu, powoduje jednak znaczące zmiany wartości generowanego prądu.
Napięcie, prąd, moc, irradiacja Badanie wpływu zacienienia Drugim badaniem przeprowadzonym na stanowisku było sprawdzenie wpływy zacienienia jednego ogniwa w całym module fotowoltaicznym na jego moc maksymalną. 1024,00 512,00 678,00 W/m2 682,00 W/m2 716,00 W/m2 714,00 W/m2 450,00 W/m2 452,00 W/m2 256,00 128,00 64,00 32,00 32,50 V 127,73 W 22,40 V 80,19 W 32,50 V 126,40 W 22,00 V 79,10 W 30,90 V 66,40 W 21,60 V 43,20 W 16,00 8,00 4,00 3,93 A 3,58 A 3,89 A 3,60 A 2,00 2,15 A 2,00 A 1,00 45st. B.Z 45st. Z 90st. B.Z 90st. Z 0st. B.Z 0st. Z U - pv I - pv P - pv Irr Rys. 6 Wpływ zacienienia ogniwa na moc szczytową, napięcie Umpp i prąd Impp
Badanie wpływu zacienienia może wykazać jak znaczny wpływ ma ono na wydajność i powinno być w jak najwyższym stopniu eliminowane. Podczas montażu modułów fotowoltaicznych należy zwracać ogromną uwagę na stałe elementy otoczenia takie jak wysokie obiekty budowlane, słupy, przewody energetyczne, drzewa, itp. Podczas eksploatacji również należy pamiętać aby utrzymywać powierzchnie modułu w czystości, zalegające liście, śnieg, ptasie odchody, a nawet kurz spowoduje, że wydajność całego systemu PV znacznie spadnie.
Wartości skumulowane Parametry instalacji fotowoltaicznej w dniu 09.05.2012,godz 15:46:30 800,00 752,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 111,80 100,00 24,80 24,90 4,49 0,00-1,68-100,00 1 Napięcie akumulatora [V] 24,80 Napięcie ogniwa PV [V] 24,90 Prąd ogniwa PV [A] 4,49 Prąd akumulatora [A] -1,68 Moc ogniwa PV [W] 111,80 Moc akumulatora [W] -41,60 Irradiacja [W/m2] 752,00 Temp. ogniwa PV [oc] 29,50-41,60 29,50
Wnioski 1. Na efektywność pracy instalacji PV wpływa odpowiedni dobór mocy, typu ogniwa oraz prawidłowa instalacja i eksploatacja. 2. Chwilowe moce wytwarzane przez badane moduły PV mogą różnić się od podanych przez producenta, co wynika z różnicy warunków badań realizowanych w warunkach rzeczywistych pracy danego modułu w porównaniu z warunkami laboratoryjnymi bądź wzorcowymi. 3. Realizowane badania umożliwią porównywanie modułów oferowanych na rynku nie tylko z punktu widzenia ich mocy szczytowej. 4. Zaproponowane stanowisko do badań efektywności modułów fotowoltaicznych jest przykładem próby rozwiązania problemu badań modułów w warunkach rzeczywistych.
Dziękuję za uwagę! www.oze.utp.edu.pl