15. BADANIE WPL YWU PRZESTRZENNEGO USTAWIENIA PANELI FOTOWOLTAICZNYCH NA PRZEBIEGI CHARAKTERYSTYK PRĄDOWO-NAPIĘCIOWYCH 15.1. Wprowadzenie Do naszej planety dociera ok. 8000 razy więcej energii słonecznej niż wynosi aktualnie jej globalne zużycie. Szacuje się, że pokrycie obszaru ok. 640 tys. km 2 powierzchni Ziemi panelami fotowoltaicznymi zaspokoiłoby w pełni aktualne zapotrzebowanie na energię. Ogniwa fotowoltaiczne (oznaczane często - PV) przetwarzają energię promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Zjawisko to odkrył Becquerel już w 1839 r. Teoretycznie efekt fotowoltaiczny (efekt konwersji) opisał w 1904 r. Einstein (m. in. za to otrzymał Nagrodę Nobla w 1921 r.), a pierwsze efektywne ogniwo fotowoltaiczne skonstruowano w 1954 r. w Bell Laboratories. Najbardziej powszechne w produkcji masowej są ogniwa, funkcjonujące na zasadzie krzemowej diody półprzewodnikowej. Poglądowo zasadę funkcjonowania ogniwa PV przedstawiono na rys. 1. Energia słoneczna Krzem typu n Obeiątenie zewnętrzne Krzem typu p t Prąd Rys. l. Zasadafunkcjonowaniatypowegoogniwafotowoltaicznego Pojedyncze ogniwa są mało efektywne i dlatego łączy się je, najczęściej szeregowo, w większe jednostki zwane modułami, z których projektowane są baterie słoneczne o różnych mocach znamionowych zwane panelami PV. Fotowoltaika od dawna znajduje zastosowanie jako źródło energii w kosmonautyce (GaAs - arsenek galu), a w zastosowaniach naziemnych zasila urządzenia elektroniczne powszechnego użytku i jest podstawowym elementem systemów wolnostojących i dołączonych do sieci. W obecnej sytuacji jedyną realną szansą na rozwój fotowoltaiki są odpowiednio zaplanowane uwarunkowania prawne, np. takie, jak narodowy program,,100 000 słonecznych dachów" w Niemczech. Doprowadził on do tego, że Niemcy wyprzedziły Japonię w liczbie nowobudowanych instalacji fotowoltaicznych. 15.2. Stanowisko badawcze do pomiarów charakterystyk prądowo-napięciowych paneli PV Producenci ogniw i paneli PV najczęściej podają jako parametr charakterystyczny, tzw. moc szczytową, oznaczaną Wp (Watt-peak), która jest mocą maksymalną w ściśle ustalonych 176
i porównywalnych warunkach laboratoryjnych, tzw. STC (Standard Test Conditions). Warunki te to: T=25 [C], AM=I,5 i E=1000 [W/m 2 ] (objaśniono dalej). W rzeczywistości efektywność paneli fotowoltaicznych zależy od temperatury i natężenia promieniowania, które zmieniają się w sposób ciągły w ciągu doby, pory roku i warunków pogodowych. Istotne jest również przestrzenne ustawienie płaszczyzny paneli PV w stosunku do kierunku bezpośredniego promieniowania słonecznego. Zależność natężenia promieniowania od kąta, pod jakim pada światło na powierzchnię Ziemi opisuje, tzw. optyczna masa atmosfery AM (Air Mass). AM jest równa jedności na poziomie morza, przy bezchmurnym niebie, gdy Słońce znajduje się w zenicie i przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym (Po=I,013. 10 5 [Pa]). Systemy fotowoltaiczne wykorzystują promieniowanie całkowite, które składa się z promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. Tu pojawia się problem, polegający na tym, że promieniowanie bezpośrednie można lepiej wykorzystać, np. przez odpowiednie pochylenie panelu PV w stosunku do poziomu, co z kolei przynosi odwrotny skutek przy promieniowaniu rozproszonym. Kolejnym problemem jest spadek efektywności paneli, wykonanych z ogniw krzemowych, wraz ze wzrostem temperatury. To legło u podstaw zainteresowania się tą problematyką pod kątem zaprojektowania w przyszłości mechanizmu automatycznego pozycjonowania paneli PV, uwzględniając aspekt ekonomiczny przedsięwzięcia. Obecnie zdecydowana większość instalacji fotowoltaicznych jest montowana w stałym, ściśle określonym położeniu, które najczęściej jest wyznaczane doświadczalnie. Istnieją jednak nieliczne badania wskazujące na możliwość zwiększenia efektywności energetycznej paneli PV nawet do 30% dzięki zastosowaniu, tzw. "śledzących" zespołów paneli PV. Z punktu widzenia użyteczności tego działania istotna jest sprawność procesu konwersji energii promieniowania słonecznego na energię użyteczną. Z praktycznego punktu widzenia istotne jest określenie efektywności paneli fotowoltaicznych zainstalowanych w określonym miejscu (położeniu geograficznym) w różnych warunkach pogodowych i przy różnych ustawieniach w stosunku do kierunku promieniowania bezpośredniego. Pełną informację o efektywności paneli możemy uzyskać przez wykonanie charakterystyki prądowo-napięciowej (ozn. I-V). Na rys. 2 przedstawiono schemat stanowiska pomiarowego do "zdejmowania" charakterystyk I-V dla ogniw i paneli PV. Uklad przestrzeunej orientacji ogurwa PV Rys. 2. Schemat i fotografia stanowiska pomiarowego 177
Wykonanie badań rozpoczynamy od pomiarów napięcia ogniwa otwartego - Voc (opencircuit voltage) i prądu zwarciowego - Isc (short-circuit current). Następnie ustalamy liczbę punktów pomiarowych charakterystyki i zmieniając obciążenie obwodu zewnętrznego potencjometrami dr! i/lub dr 2 wyznaczamy charakterystykę we współrzędnych I-V. Kolejnym krokiem jest obliczenie dla każdego punktu pomiarowego mocy wyjściowej oraz ustalenie punktu mocy maksymalnej MPP. Na podstawie tak przeprowadzonych pomiarów można obliczyć wg wzoru (1) wartość liczbową parametru, zwanego współczynnikiem wypełnienia FF (FiUFactor), który charakteryzuje ogniwo lub panel PV. FF = VMPP' IMPP = PMPP (1) Voc.Isc Voc. Isc Obecnie najwyższą wartość tego współczynnika ok. 0,85 uzyskuje się dla ogniw i paneli PV wykonanych z krzemu monokrystalicznego. Na rys. 3 przedstawiono przykładową charakterystykę I-V dla modułu PV zbudowanego z 6 szeregowo połączonych zamkniętych ogniw PV, wykonanych z krzemu polikrystalicznego o łącznej powierzchni 71,76 [cm 2 ]. 3,0 ~ 2,0 as Q. 1,5 ~ = 1,0 0.5.._~-_.. --- - - -_.- - - ---- ---- - ---- - ----- ---- 0,0 ~-----.----r--.----.---r--.---'--~----''----.-.::::r. 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 U [V] -o- prąd I [ma] -fr- moc P [mvv] Rys. 3. Przykładowa charakterystyka I-V modułu PV Charakterystykę wykonano przy sztucznym oświetleniu halogenowym (o typowej temp. barwowej 3000-3400 0 K) o mocy 20 [W], ustawionym prostopadle do powierzchni modułu w odległości 25 [cm]. Pomiary wykonano dla 22 punktów charakterystyki w temperaturze 19 [C]. Pomocniczymi przyrządami pomiarowymi był kompas, poziomica i kątomierz. Zmierzono następujące wartości liczbowe dla punktów charakterystycznych: Voc=2,1 [V], Isc=2,55 [ma], V MP P=1,6 [V], I MP P=l,n [ma], P MP P=2,75 [mw] i FF=O,51. Przy zmniejszeniu mocy sztucznego oświetlenia do 10 [W] kształty wykresów nie uległy zasadniczo zmianie, ale wartości liczbowe punktów charakterystycznych uległy zmianie, oto one: Voc=1,9 [V], Isc=1,67 [ma], V MP P=1,4 M, I MP P=1,06 [ma], P MP P=1,48 [mw] i FF=O,47. 15.3. Zakres i warunki badań Badania zaplanowano tak, aby podczas ich przeprowadzania zapewnie w miarę możliwości stabilne warunki pogodowe. Ustalono zakres badań, który przewidywał zmianę 178
położenia minipanelu PV poprzez zmiany dwóch kątów: kąta azymutalnego oraz kąta pochylenia względem poziomu. Dla kąta azymutalnego przyjęto dwa położenia: Południowe i Południowo-Wschodnie, natomiast dla kąta pochylenia względem poziomu ustalono również dwa położenia: 30 i 60. Badania, których wyniki są prezentowane w pracy, przeprowadzono w Płocku dnia 4 maja 2005 r. Pomiary prowadzono w godzinach popołudniowych od 14 00 do 16 30 Podczas badań temperatura powietrza wynosiła niezmiennie 20 o e, a niebo było bezchmurne. Podczas badań nie było możliwości pomiaru natężenia promieniowania słonecznego, a w konsekwencji ustalenia wartości parametru AM. Dlatego też wyniki badań nie mogą być porównywane z danymi nominalnymi ogniw PV podawanymi przez producenta. 15.4. Wyniki pomiarów charakterystyk Zgodnie z przyjętą wcześniej terminologią oraz oznaczeniami pokazanymi na rys. 3, charakterystyki prądowo-napięciowe będą wykreślane w układzie współrzędnych, w którym jest wspólna oś odcięta - U[V] oraz oś rzędna podwójna - I[mA] razem z P[mW]. Ustalono również zakresy wartości liczbowych na osiach identycznie dla wszystkich wykresów: na osi odciętych od O do 3 [V], a na osi rzędnych od O do 100 [ma] lub [mw]. Takie przedstawienie charakterystyk ułatwi porównanie uzyskanych wyników pomiarów. Na rys. 4 przedstawiono wykresy charakterystyk I-V dla kierunku azymutalnego południowego przy dwóch różnych ustawieniach kąta pochylenia minipanelu względem poziomu 30 i 60. 100 Kierunek azymutalny - POŁUDNIOWY... 80 ==... E 60 D..,...:; <C 40... E 20 o o 0,5 1,5 2 2,5 3 U [V] Rys. 4. Charakterystyki I-V dla kąta azymutainego południowego oraz dla dwóch kątów pochylenia minipanelu PV względem poziomu: 30 i 60 179
W warunkach, w których przeprowadzono badania, zgodnie z oczekiwaniami uzyskano większą wartość dla punktu mocy maksymalnej przy ustawieniu kąta pochylenia 30, ale należy zaznaczyć, że rozbieżność była stosunkowo niewielka i wynosiła ok. 17 [mw]. Na uwagę zasługuje prawie identyczny kształt i duża zbieżność krzywych obrazujących charakterystyki w tym przypadku. W przedstawionym na rys. 5 przypadku ustawienia kąta azymutalnego południowowschodniego sytuacja była już inna dla tych samych dwóch kątów pochylenia minipanelu PV względem poziomu widać wyraźną różnicę w położeniu punktu mocy maksymalnej, która wynosiła ok. 42 [mw]. 100 Kierunek azymutalny - POŁUDNIOWO-WSCHODNI 80 ~... E 60 e,,...:; <C 40-... E 20 o o 0,5 1,5 2 2,5 3 U [V] -o-1-30 0 [ma] -o- P-300[mW] -t:r-1-600[ma] -t:r- P-600[mW] Rys. 5. Charakterystyki I-V dla kąta azymutalnego południowo-wschodniego oraz dla dwóch kątów pochylenia rninipanelu PV względem poziomu: 30 i 60 Można również zaobserwować znaczne przesunięcie tego punktu na prawo dla kąta pochylenia minipanelu PV względem poziomu wynoszącego 30. Na rys. 6 i 7 przedstawiono zestawienie charakterystyk dla dwóch zbadanych wartości kątów pochylenia względem poziomu (30 i 60 ) w zależności od kierunków azymutalnych ustawienia płaszczyzny minipanelu PV. W tym ujęciu wyraźnie widać, że zmiana kąta azymutalnego wpływa zdecydowanie na pogorszenie się korelacji pomiędzy porównywanymi liniami charakterystyk. Widać istotne różnice w wartościach i przede wszystkim w kształcie przebiegu krzywych charakterystyk, które w tym przypadku są dosyć wyraźnie rozbieżne. 180
100 Kąt pochylenia względem poziomu - 30... 80 ==... E D.. 60...; «... E 40 20 o o 0,5 1,5 2 2,5 3 I--<>-I-PD [ma] --ł3- P-PD [mw] ~ u [V] I-PD-WSCH [ma] ---()- P-PD-WSCH [mw] I Rys. 6. Charakterystyki I-V dla kąta pochylenia minipanelu PV względem poziomu wynoszącego 30 oraz dla dwóch zmienianych kątów azymuta1nych południowego i południowo-wschodniego 100 Kąt pochylenia względem poziomu - 60 80 i... E 60 D.....; «40... E 20 o o 0,5 1,5 2 2,5 3 I--<>-I-PD [ma] --ł3- P-PD [mw] ~ u [V] I-PD-WSCH [ma] ---()- P-PD-WSCH [mw] I Rys. 7. Charakterystyki I-V dla kąta pochylenia minipanelu PV względem poziomu wynoszącego 60 oraz dla dwóch zmienianych kątów azymutalnych południowego i południowo-wschodniego Dla ułatwienia obliczenia współczynników wypełnienia charakterystyk I-V zebrano w tabeli 1 potrzebne wartości liczbowe. Po podstawieniu tych wartości liczbowych do wzoru (1) uzyskano wyniki, tzw. współczynnika FF, które umieszczono w ostatnim wierszu tabeli 1 wytłuszczonym drukiem. Wg Klugmanna wartość współczynnika FF jest ograniczona efektami dyfuzji w złączu do ok. 0,89 oraz dodatkowo rekombinacją nośników do ok. 0,86. 181
Tabela 1. Tabela zbiorcza wartości liczbowych charakterystycznych punktów na wykresach I - V oraz współczynników wypełnienia FF dla krzywych I-V Parametry modułu PV Kierunek azymutalny I Kąt pochylenia panelu PD-WSCH 30 60 30 60 v: [V] 2,8 2,7 3 2,9 r; [ma] 43 28 62 52 V MPP [V] 2 1,6 1,7 1,8 I MPP [ma] 35 18 54 41 P MPP [mw] 70 28,8 91,8 73,8 Ropt [O] 57 89 31 44 FF 0,58 0,38 0,49 0,49 PD Jak wynika z tabeli l współczynnika FF nie należy interpretować jako miary sprawności, czy efektywności paneli PV. Jest to tylko współczynnik wypełnienia charakterystyki I-V dla ogniwa lub panelu PV. Dowodem tego niech będzie wysoka jego wartość liczbowa (0,58 dla azymutu PD- WSCH i kąta 30 ) dla charakterystyki, której punkt mocy maksymalnej nie był najwyższy. Istotnym parametrem pracy minipanelu PV jest optymalna rezystancja obciążenia RopI> dla której uzyskujemy maksymalną moc wyjściową. Wartości liczbowe tego parametru szacujemy z prostej zależności, którą opisuje wzór (2): R = V MPP [O] opt I MPP Wartości liczbowe Ropt dla wyznaczonych w pracy czterech charakterystyk I - V zamieszczono w tabeli 1 w przedostatnim wierszu. (2) 15.5. Wnioski z badań Badania wstępne wykazały, że pomimo zbliżonego kształtu charakterystyk I-V, przy różnej mocy oświetlenia sztucznego uzyskano istotnie różniące się wartości liczbowe współczynnika wypełnienia. Zmniejszenie intensywności oświetlenia znacznie zmniejszyło współczynnik wypełnienia - FF. W niewielkim natomiast stopniu zmieniło się napięcie ogniwa otwartego - Vcc- Podsumowując badania dla przyjętego w pracy zakresu dwóch kątów pochylenia i dwóch kierunków azymutalnych, można stwierdzić, że dla warunków pogodowych i pory przeprowadzenia badań większy wpływ na kształt charakterystyki miała zmiana kąta azymutalnego niż zmiana kąta pochylenia względem poziomu. Najwyższą wartość liczbową (ok. 92 [mw]) dla, tzw. punktu mocy maksymalnej uzyskano dla kąta azymutalnego południowego przy pochyleniu minipanelu PV pod kątem 30 względem poziomu, a najniższą (ok. 29 [mw]) dla kąta azymutalnego południowowschodniego i kąta pochylenia 60. 182
Jak pokazały wstępne badania, przeprowadzone w bardzo ograniczonym zakresie, przy zmianach położenia płaszczyzny minipanelu PV uzyskano blisko 32 % różnicę w obliczonych wartościach liczbowych dla punktów mocy maksymalnej, co pozwala wnioskować, że problem jest wart dalszych dociekań badawczych. Warto zastanowić się nad tym, aby optymalizować przestrzenne położenie paneli i modułów PV w celu uzyskania większej sprawności konwersji fotowoltaicznej. Aby badania usprawnić i poprawić ich dokładność niezbędny jest dodatkowo pomiar natężenia promieniowania - E [W/m 2 ] pyranometrem oraz automatyczna i równoległa rejestracja wyników pomiarów następujących wielkości: l, V, AR, T (modułu i otoczenia), E. Obecnie autor testuje przydatność do tego celu uniwersalnej karty pomiarowej ADVANTECH model: USB-4711. Koniecznejest zaprogramowanie algorytmu postępowania przy badaniach. Do tego wykorzystywane jest oprogramowanie ADAM viśw ADW ANTECH w wersji: 4.25.000. Wyniki badań prowadzonych w dłuższym przedziale czasu (np. cały rok kalendarzowy) dostarczą danych do ustalenia algorytmu sterowania mechanizmem, zwanym: "śledzącym" lub "nadążnym". Literatura 1. Baltas P., Tortoreli M., Russell P. E.: Evaluation of power output for fixed and step tracking photovoltaic arrays. Solar Energy 37, s. 147, 1986 2. Dreszer K., Michałek R., Roszkowski A.: Energia odnawialna - możliwości jej pozyskania i wykorzystania w rolnictwie. Wyd. PITR-PAN, Lublin-Kraków-Warszawa, 2003 3. Goetzberger A., Stahl W.: Comparison of yearly efficiency and cost of energy for stationary, tracking and concentrating PV systems. Proc. of the 7 th Photovoltaic Solar Energy Conference, Seville, 1986 4. Klugmann E.: Energetyka fotowoltaiczna. PWN, 1999 5. Klugmann E., Klugmann-Radziemska E.: Alternatywne źródła energii. Energetyka fotowoltaiczna. Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko. Białystok, 1999 6. Pluta Z.: Podstawy teoretyczne fototerrnicznej konwersji energii słonecznej. Oficyna Wydawnicza PW, 2000 7. Pluta Z.: Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna Wydawnicza PW, 2003 8. Politechnika Warszawska, Centrum Fotowoltaiki, @: http://www.pv.pl. 2006 9. Sarniak M.: Badania wstępne wpływu przestrzennego położenia paneli PV na efektywność generowania energii elektrycznej. Politechnika Warszawska, Inżynieria Systemów Bioagrotechnicznych, z. 5(14), s. 165-169,2005 10. Smoliński S.: Fotowoltaiczne źródła energii i ich zastosowanie. Wyd. SGGW, 1998 11. Szkolenie z dziedziny fotowoltaiki: Materiały szkoleniowe - w ramach projektu SOLTRAIN z programu ALTENER (kontrakt nr 4.10301Z/02-67), Warszawa, 2004 12. Ulotka informacyjna polikrystalicznych ogniw solarnych o parametrach: 450m V, 100mA, @: http://www.conrad.pl/pici11119/80/198030.pdf. 2006 183