MONITORING STACJI FOTOWOLTAICZNYCH W ŚWIETLE NORM EUROPEJSKICH

51 Aleksande Zaemba *, Tadeusz Rodziewicz **, Bogdan Gaca ** i Maia Wacławek ** * Kateda Elektotechniki Politechnika Częstochowska al. Amii Kajowej 17, 42-200 Częstochowa e-mail: zaemba@el.pcz.czest.pl ** Zakład Badań Fizykochemicznych Uniwesytet Opolski ul. kad. B. Kominka 4, 45-032 Opole tel. 077 453 89 76, e-mail: maia.waclawek@uni.opole.pl MONITORING STACJI FOTOWOLTAICZNYCH W ŚWIETLE NORM EUROPEJSKICH MONITORING OF PHOTOVOLTAIC STATIONS IN THE EUROPEAN STANDARDS Steszczenie: Pzedstawiono założenia nowej nomy euopejskiej dotyczącej monitoingu stacji fotowoltaicznych (IEC 61724). Pokazano jej zastosowanie na pzykładzie ministacji pacującej na dachu Uniwesytetu Opolskiego. Słowa kluczowe: monitoing, fotowoltaika, moduł PV, system PV, nomy euopejskie, noma IEC 61724 Summay: The new Euopean standad IEC 61724 (concened with photovoltaic monitoing) was pesented. Application of this standad to mini photovoltaic system woking on the oof of the Opole Univesity was given. Keywods: monitoing, photovoltaics, PV module, PV system, Euopean standads, IEC 61724 W ciągu ostatnich dziesięciu lat wzosło znacząco zainteesowanie i zapotzebowanie na altenatywne źódła enegii. W związku z tym zaczęto pojektować i konstuować wiele odzajów modułów fotowoltaicznych (PV), óżniących się od siebie paametami technicznymi i możliwościami aplikacyjnymi, a także pacujących w óżnych waunkach, to jest pzy óżnym nasłonecznieniu, zmiennym współczynniku AM oaz innych ważnych paametach otoczenia [1]. Powstała potzeba badania oaz poównywania zachowania tych modułów z użyciem paametów, któe uwzględniałyby te zóżnicowania, o któych wspomniano. Noma IEC 61724 [2] jest w tej kwestii nowatoska, gdyż uwzględniane w niej paamety zależą od nasłonecznienia globalnego. Powstaje pytanie, czy jest celowe monitoowanie działających już systemów fotowoltaicznych. Aby odpowiedzieć na nie, należy zwócić uwagę na kilka kwestii: - spawdzenie popawności pojektu: w takcie monitoowania i obóbki danych powstaje możliwość zweyfikowania założeń pojektu, zakładanych w nim mocy, enegii i innych pojektowanych paametów. Taka weyfikacja może pomóc pzy pojektowaniu nowych stacji PV i uchonić pzed dalszym powielaniem błędów, - wykywanie i usuwanie usteek: w wyniku monitoowania nowo powstałej stacji można wykyć niedokładności wykonania względnie usteki, któe pojawiły się w systemie PV, popzez analizę działania systemu i poównanie go z opacowanymi założeniami, - pomoc pzy pojektowaniu nowych instalacji: zapojektowanie nowej instalacji w nowych waunkach klimatycznych można popzedzić analizą działania już istniejącej w podobnych waunkach. Po zapojektowaniu jednej dobze działającej instalacji PV można ją kopiować, jeśli następna ma pacować w podobnych waunkach, - okeślenie potencjału i zasobów enegii słonecznej: w danej stefie klimatycznej, w któej nie były powadzone dokładne badania, możemy popzez analizę wyników uzyskać infomacje na temat tych właśnie watości, w ten sposób można ocenić pzydatność modułów w danych waunkach. Oczywiście opócz zalet monitoowanie pociąga za sobą także dodatkowe poblemy, w głównej mieze są to: - dodatkowe koszty: uządzeń monitoujących, stacji meteoologicznej, potzeba zbieania danych, a więc uządzenie z pamięcią stałą (kompute), dodatkowe mocowania, kable, zwiększenie masy całej instalacji, co ma szczególne znaczenie w pzypadku fasad czy instalacji dachowych,

52 CHEMIA DYDAKTYKA EKOLOGIA METROLOGIA 2005, R. 10, NR 1-2 - zużycie enegii elektycznej z systemu PV: nowe uządzenia podłączone do systemu PV i służące do jego monitoowania są zasilane zazwyczaj z sieci elektycznej (ponieważ jest wymagana ich paca, nawet kiedy system PV nie dostacza enegii), jednak mają wpływ na bilans enegii pobanej i oddanej do sieci. Dlatego też, bioąc pod uwagę zasugeowane powyżej poblemy, monitoowanie stosuje się do instalacji nowego typu (aby spawdzić popawność pojektu), a także dla instalacji montowanych w nowych waunkach klimatycznych (aby okeślić zasoby enegii słonecznej na danym obszaze). Monitoowanie globalne i analityczne Często stosuje się monitoowanie tylko pzyostu enegii w wybanych punktach układu (np. enegię pomieniowania słonecznego, padającą na system PV, dostaczaną pzez moduły systemu PV oaz oddaną do sieci enegetycznej). Szczególnie ważny jest ostatni paamet, ponieważ na jego podstawie dokonuje się ozliczeń z odbiocami enegii. Do takiego monitoowania potzebne są tylko liczniki enegii, więc jest to metoda niedoga, jednak pod względem ilości infomacji uboga. Ten odzaj monitoingu nazywamy monitoowaniem globalnym. Dugim odzajem jest monitoing analityczny. Polega on na zebaniu jak największej liczby paametów niezbędnych do dokładnego opisu systemu fotowoltaicznego, a także do ustalenia powiązań między óżnymi waunkami atmosfeycznymi a działaniem tego systemu. W ten sposób zbieanych jest dużo óżnych paametów, zaówno meteoologicznych (nasłonecznienie, wilgotność, tempeatua otoczenia), jak i paametów elektycznych systemu PV (pądy i napięcia w óżnych punktach systemu, moc itp.). Pzykładem zastosowania tej metody analizy systemu fotowoltaicznego jest stacja badawczo--szkoleniowa zainstalowana na południowym szczycie dachu budynku Uniwesytetu Opolskiego pzy ul. kad. B. Kominka [3, 4]. Wymagania stawiane systemom monitoującym Monitoowanie systemów fotowoltaicznych jest opeacją skomplikowaną. Niepawidłowa instalacja czy kalibacja uządzeń pomiaowych jest często pzyczyną niepowodzenia. Aby otzymane wyniki były wiaygodne, system monitoujący musi spełnić wiele wymagań: - system monitoujący powinien być zapojektowany i zainstalowany w taki sposób, by w minimalnym stopniu wpływać na pacę systemu PV. Głównie chodzi o umiejscowienie czujników meteoologicznych i ich komponentów, aby nie pzesłaniały kolektoa PV, ponieważ wpływa to na nasłonecznienie i powoduje zmniejszenie enegii docieającej do modułów, - pomia wielkości elektycznych systemu PV powinien w jak najmniejszym stopniu wpływać na miezoną wielkość, - pobó mocy pzez uządzenia monitoujące powinien być możliwie najniższy. Moc ta nie powinna pzekaczać 5% mocy podukowanej pzez system PV. Pobieanie zbyt dużej mocy powoduje nie tylko wypaczenie wyników, ale także staty finansowe (mniej enegii zostanie odpowadzonej do sieci), - system monitoujący powinien być odpony na tudne waunki atmosfeyczne. System ten powinien działać zaówno podczas wiatu, deszczu, jak i w całym zakesie tempeatu spotykanych w danych waunkach klimatycznych. Ważne jest, aby te waunki nie wpływały na jakość pomiaów i ich dokładność, - system monitoujący powinien być odpony na zakłócenia elektomagnetyczne pochodzące tak od elementów systemu PV (np. falowników), jak i od innych elementów, mogących znajdować się w pobliżu (silniki klimatyzatoów, anteny). W systemie fotowoltaicznym może być podłączonych wiele uządzeń, jak np.: obciążenie AC, DC, falowniki itp. Dlatego ważne jest zobazowanie pzepływu mocy oaz enegii między nimi (ys. 1). Nie wszystkie elementy umieszczone na ysunku 1 muszą występować w systemie PV, np. zadko instaluje się geneato pomocniczy DC, ale ysunek ten obazuje, jak dużo paametów w skajnym pzypadku należy zmiezyć i zapisać. Paamety miezone i zapisywane zostały wymienione w tabeli 1. Obciążenie DC Obciążenie AC I L,DC P L,AC Ogniwo PV I A V A DC/DC I C V S I II DC/AC P IO P TU P FU Użyteczna G I,T am I SI,I SO I BU,DC P BU,AC Bateia Gen. pomoc DC Gen. pomoc AC

53 Rys. 1. Diagam pzepływu mocy w systemie PV [2] Tabela 1. Paamety systemu PV [2] Paamet Symbol Jednostka Natężenie pomieniowania, całkowite, w płaszczyźnie ogniwa G I [W/m 2 ] Tempeatua otoczenia w cieniu T am [ C] Napięcie wyjściowe ogniwa V A [V] Pąd wyjściowy ogniwa I A [A] Pąd wyjściowy pzetwonika I C [A] Pąd wejściowy bateii I SI [A] Pąd wyjściowy bateii I SO [A] Napięcie międzypzewodowe DC (napięcie bateii) V S [V] Pąd do wszystkich specjalistycznych obciążeń DC I L,DC [A] Pąd DC falownika/postownika (+/-) I II [A] Moc DC falownika/postownika (+/-) P IO [kw] Moc wszystkich specjalistycznych obciążeń AC P L,AC [kw] Moc do sieci użytkowej P TU [kw] Moc z sieci użytkowej P FU [kw] Moc z geneatoa pomocniczego AC P BU,DC [kw] Pąd z geneatoa pomocniczego DC I BU,AC [A] Czas, w któym system nie pacował t NAV [h] Podobnie jak w pzypadku ysunku 1, nie wszystkie watości tu opisane będą występować w każdym z systemów, ale należy wziąć pod uwagę możliwość ich monitoowania w nowo powstałej stacji PV. Wskaźniki wydajności Watości paametów, któe uzyskano w wyniku monitoowania systemu PV, jeszcze niewiele nam mówią. Pzy poównaniu systemów PV jest ważne stwozenie znomalizowanych wskaźników wydajności. Można to uzyskać pzez podzielenie odnośnych bilansów enegii pzez moc nominalną P o lub pzez całkowitą powiezchnię ogniw A A (i całkowite natężenie pomieniowania w danej płaszczyźnie). Piewsza doga powadzi do otzymania zysków całkowitych, a duga do całkowitej spawności. Uzyski (śednie watości dzienne) Znomalizowane watości są uzyskiwane pzez poównanie danych enegii z mocą nominalną P o (w kw p ) instalacji. P o jest pojektowaną watością mocy wyjściowej modułu w maksymalnym punkcie mocy w standadowych waunkach testowych (STC): Y A - uzysk ogniwa jest dzienną enegią otzymaną pzez moduł E day na kw p zainstalowanego ogniwa PV, np. Y = E / P A day Watość ta ma wymia kwh/(d kw p ) i może być ównież ozpatywana jako liczba godzin pacy na dzień z mocą P o, któe dadzą taki sam uzysk enegii jak zapisana całkowita watość dla tego dnia. Y f - uzysk końcowy jest to użyteczna enegia oddana pzez elektownię PV na zainstalowany kw p : Y = E / P f use, PV, day Całkowite dzienne natężenie pomieniowania G dt I day w płaszczyźnie ogniwa podzielone pzez natężenie o o pomieniowania odniesienia w płaszczyźnie modułu w standadowych waunkach testowych (STC) G STC = 1 kw/m 2 może być użyte jako definicja uzysku odniesienia Y, kiedy z definicji mocy nominalnej w STC natężenie pomieniowania w płaszczyźnie ogniwa w jednostkach [kwh/m 2 d] jest co do watości ówne odpowiedniej nominalnej enegii wyjściowej ogniwa w jednostkach [kwh/(d kw p )]: Staty Y = G dt / G day Możemy ównież zdefiniować znomalizowane staty jako óżnice pomiędzy uzyskami, np.: - staty modułu (L c - captue losses) spowodowane są pacą modułu w goszych waunkach niż testowe (nagzewanie, pokycie pyłem itp.) Lc = Y YA - staty systemu (L s - system losses) - spowodowane są nieoptymalnym dopasowaniem falownika, statami w akumulatoach itp. L = Y Y Spawność modułu s Współczynnik PR zwany współczynnikiem wydajności definiujemy jako: PR = Y f /Y Dla okesu spawozdawczego liczącego n dni (miesięcy, lat) śednie zyski i staty są uzyskiwane pzez zsumowanie tych watości i podzielenie ich pzez n. Śednia spawność modułu podczas okesu spawozdawczego jest zdefiniowana jako: η = E gdzie = G A dt I A f STC E / S, E S, A, I A ; η epezentuje śednią spawność konwesji enegii ogniwa PV, któa jest użyteczna do poównania z nominalną spawnością η nom. Ich óżnica jest związana ze statami na niedopasowanie oaz enegią taconą podczas pacy. Całkowita spawność systemu PV podczas okesu spawozdawczego jest zdefiniowana jako: η tot, = PV use, / ES, Współczynnik η tot, /η mean, jest spawnością obciążenia. W dalszej części atykułu zostanie zapezentowane zastosowanie tych metod do stacji fotowoltaicznej Uniwesytetu Opolskiego. Ministacja fotowoltaiczna Uniwesytetu Opolskiego W kwietniu 1997. w Uniwesytecie Opolskim uuchomiono automatyczne stanowisko do akwizycji podstawowych paametów stacji fotowoltaicznej oaz danych metologicznych [3, 4]. Do niego podłączono moduł o mocy nominalnej P nom = 20 W p (w waunkach STC), któy zainstalowano na południowym szczycie dachu

54 CHEMIA DYDAKTYKA EKOLOGIA METROLOGIA 2005, R. 10, NR 1-2 uniwesyteckiego budynku pzy ul. kad. B. Kominka 4. Moduł ten znajduje się na teenie odkytym i pzewiewnym na wysokości czwatego pięta względem powiezchni Ziemi. Z danych, któe są gomadzone za pomocą tej stacji, można obliczyć następujące wskaźniki wydajności: uzysk ogniwa, uzysk końcowy, uzysk efeencyjny, staty ogniwa jak ównież systemowe oaz współczynnik PR. Wskaźniki te pzedstawiono na ysunkach 2-4. Uzyski [kwh/kwp] 1200 1000 800 600 400 200 Ya Yf Y 0 Rys. 2. Uzyski enegii w poszczególnych latach 250 Staty [kwh/kwp] 200 150 100 50 Lc Ls 0 Rys. 3. Staty w poszczególnych latach działania systemu 0,85 0,8 PR 0,75 0,7 0,65 0,6

55 Rys. 4. Zmiany współczynnika PR w poszczególnych latach Wnioski 1. Zastosowanie nomy IEC 61 724 umożliwia (ponieważ mamy do czynienia ze wskaźnikami względem mocy nominalnej) monitoowanie óżnych modułów fotowoltaicznych w óżnych waunkach klimatycznych. 2. Watość współczynnika PR dla stacji PV Uniwesytetu Opolskiego kształtowała się na poziomie 70 82% (typowe watości dla tego typu modułów to 0,65 0,8). W paździeniku 2003. nastąpiło uszkodzenie akumulatoa, co spowodowało obniżenie watości tego współczynnika do 68%. 3. Roczna enegia oddawana pzez system PV na zainstalowany 1 kw p mocy oscyluje w ganicach 700 860 kwh/kw p. Występująca óżnica między watością enegii wygeneowanej a enegią faktycznie oddaną jest spowodowana niedopasowaniem obciążenia oaz bateii akumulatoów do systemu PV w godzinach dużych nasłonecznień, co ma wpływ na zwiększenie stat systemu (L s ). 4. Pzepowadzone badania pokazały, że opłacalne jest stosowanie systemów fotowoltaicznych w klimacie południowej Polski. 5. Podczas okesu, w któym system PV był monitoowany, nie zaobsewowano uszkodzeń modułów fotowoltaicznych ani samego systemu monitoowania. Potwiedzono słuszność twiedzenia, że systemy PV nadają się do długotwałego wykozystania. Liteatua [1] Rodziewicz T., Ząbkowska-Wacławek M. i Żdanowicz T.: Wykozystanie modułów fotowoltaicznych w obszaach o większych szeokościach geogaficznych. Chem. Dydakt. Ekol. Metol., 1998, 3(1-2), 45-50. [2] Euopejska noma: IEC 61 724 Photovoltaic System Pefomance Monitoing - Guidelines fo Measuement, Data Exchange and Analysis. [3] Rodziewicz T. i Ząbkowska-Wacławek M.: Moduł fotowoltaiczny do celów badawczych i dydaktycznych. Chem. Dydak. Ekol., 1997, 2(1-2), 79-85. [4] Czeniak J., Rodziewicz T., Wacławek M. i Zaemba A.: Badawczo--szkoleniowa stacja fotowoltaiczna i meteoologiczna. Księga konfeencyjna/poceedings ECOpole 03, Poc. XII Cental Euopean Confeence ECOpole 03, Jamozowa Polana 16-18.10.2003. TChIE, Opole 2003, 177-181. [5] Żdanowicz T., Gaca B., Rodziewicz T., Wacławek M. i Zaemba A.: Model autonomicznej stacji PV Uniwesytetu Opolskiego. Księga konfeencyjna/poceedings ECOpole 04, Poc. XIII Cental Euopean Confeence ECOpole 04, Jamozowa Polana 21-23.10.2004. TChIE, Opole 2004, 385-390.