Możliwości wykorzystania instalacji fotowoltaicznych w Polsce Targi Energetyki Odnawialnej Bydgoszcz 22-24.03.2013r.
Scentralizowana produkcja w połowie lat 80 Zdecentralizowana produkcja dzisiaj
Technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych
Technologia wytwarzania ogniw fotowoltaicznych
Metoda Czochralskiego - technika otrzymywania monokryształów, która polega na powolnym, stopniowym wyciąganiu z roztopionego materiału zarodka krystalicznego w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację na jego powierzchni. Dodatkowo, jeśli wymagają tego warunki procesu krystalizacji zarodek oraz tygiel mogą zostać wprawione w ruch obrotowy celem polepszenia warunków transportu masy i ciepła. W rezultacie otrzymuje się cylindryczny monokryształ o orientacji krystalograficznej zarodka. Wymiary i kształt hodowanego kryształu(średnica oraz długość) kontrolowane są poprzez prędkość przesuwu i prędkość obrotową zarodka, ograniczone są jednak poprzez parametry układu zastosowanego do hodowli.
Wytwarzanie ogniw fotowoltaicznych
Wytwarzanie ogniw fotowoltaicznych
Wytwarzanie ogniw fotowoltaicznych
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).
Wzrost Sprawności Ogniw Fotowoltaicznych
Źródło:
1 MW, Wierzchosławice, Energia Wierzchosławice
Po trzech zimowych miesiącach w 2011 roku od uruchomienia, farma słoneczna w Wierzchosławicach zarobiła już około 60 tys. zł. 4445 paneli słonecznych o łącznej mocy 1 MW. Tarnów i okolice to jeden z najbardziej nasłonecznionych subregionów w kraju, tzw. Polski Biegun Ciepła Farma solarna o mocy 1 MW została uruchomiona pod Wierzchosławicami w październiku 2011 roku, a jej budowa kosztowała 8,6 mln zł, przy czym połowa inwestycji została sfinansowana ze środków unijnych. Gmina dostarczyła teren, a także zapłaciła firmie Tauron 200 tys. zł za przyłączenie do sieci energetycznej. W 2012 roku dochody z tytułu sprzedaży zielonych certyfikatów i energii, przy rocznym nasłonecznieniu wynoszącym 1300 godzin, zyski z farmy słonecznej wyniosą ok. 750 tys. zł/rok. W sumie za wyprodukowanie 1 MWh energii można zarobić ok. 475 zł. Farma słoneczna zostanie z czasem rozbudowana do mocy 10 MW, co może dać przychody w wysokości 7,5 mln zł rocznie.
1 MW, Wierzchosławice, Energia Wierzchosławice
1 MW, Wierzchosławice, Energia Wierzchosławice
1 MW, Wierzchosławice, Energia Wierzchosławice
1 MW, Wierzchosławice, Energia Wierzchosławice
Badanie modułów fotowoltaicznych 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
Rys.4 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.) akumulatoryżelowe 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: napięcienaogniwiepvwzakresie0-100v(rozdzielczość 0,1V,+/-5%), prądogniwapvwzakresie0-10a(rozdzielczość 0,01A,+/-5%), napięcie akumulatora w zakresie 0-100 V(rozdzielczość 0,1 V,+/- 5%) prąduakumulatorawzakresie do100a(-100do-0,5/+0,5do+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 2W/m2,+/-5%). Fot.1 Jednostka centralna z wyświetlaczem
Przeprowadzone badania Pierwsze badanie polegało na wyznaczeniu charakterystyk I-U dla kąta β = 0, 45, 90st. Przeprowadzone było wprawie bezchmurny sierpniowy dzień wgodzinach 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 idla każdej z nich, zapisując wartości prądu i napięcia modułu. Rys.5 Schemat elektryczny układu do pomiaru charakterystyk I-U
Zapis danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego.
6,00 I -pv P -pv Pmax=145,9W 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 Umpp = 30,2V Uoc = 41,0V 0,00 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 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] Moc modułu [W] Charakterystyka ogniwa SUNTECH STP180S-24/Ac (β = 45 o ) Isc= 4,73A Impp = 4,83A U[V]
Charakterystyka ogniwa SUNTECH STP180S-24/Ac (β = 0 o ) 2,50 2,00 Isc= 2,26A I -pv Pmax= 68,46W Impp = 2,10A P -pv 70,00 60,00 50,00 Prąd modułu [A] 1,50 1,00 40,00 30,00 Moc modułu [W] 20,00 0,50 10,00 0,00 Umpp=32,60V Uoc = 39,10V 3,00 4,10 12,80 19,40 30,40 33,10 34,70 35,80 36,40 36,90 37,40 37,90 38,30 38,60 38,90 0,00 U[V]
Charakterystyka ogniwa SUNTECH STP180S-24/Ac (β = 90 o ) I -pv P -pv 5,00 140,00 4,50 4,00 3,50 Isc = 4,27A Pmax = 123,24W Impp = 3,90A 120,00 100,00 Prąd modułu [A] 3,00 2,50 2,00 Moc modułu [W] 80,00 60,00 1,50 40,00 1,00 0,50 0,00 Umpp = 31,60V Uoc = 40,10V 20,00 0,00 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 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 Sprawnośćη[%] 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 * Tabela.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.
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 Napięcie, prąd, moc, irradiacja 128,00 64,00 32,00 16,00 8,00 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 4,00 3,93A 3,58A 3,89A 3,60A 2,00 2,15A 2,00A 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
Koszt energii z instalacji fotowoltaicznej w poszczególnych latach z podziałem na wielkość instalacji - źródło EPIA
Przy obecnych cenach koszt instalacji 1,5 kw to wydatek w przeliczeniu na wat mocy 13zł i więcej. Znaczący udział w kosztach będzie stanowić tu montaż, projekt, transport. Wiele kosztów związanych z przygotowaniem inwestycji nieznacznie zależy od jej mocy. Także wśród kosztów związanych w montażem nie mamy do czynienia z proporcjonalnym do mocy wzrostem wydatków. Im większa instalacja tym koszty wykonania w przeliczeniu na wat mocy mniejsze. Dla instalacji dachowych ekonomicznie uzasadnioną wielkością mocy instalacji PV jest 5-10 kw. Tej wielkości instalację zazwyczaj mieszczą się na dachach a koszt jednostkowy spada do 7.5-8 zł za wat, czyli jest o 40% niższy niż dla najmniejszych instalacji. W przypadku instalacji większej niż 10 kw cena jednostkowa nadal będzie spadać jednak bardzo powoli. Duże instalacje 100-1000 kw można obecnie wykonać w granicach 6-6.7 zł/wat.
Odnosząc koszty eksploatacyjne do wartości instalacji w przypadku najmniejszych mocy 1.5 kw należy założyć, że średnioroczne koszty eksploatacyjne(uwzględniające już przyszłe naprawy) będą wynosić 10-15% wartości instalacji co jest bardzo wysokim kosztem. W przypadku optymalnej wielkości małej instalacji 5-10 kw koszty te spadają do zaledwie 3-4%. W przypadku dużych instalacji 100-1000 kw koszty eksploatacyjne mogą zostać zredukowana do 1-2% wartości instalacji.
Parytet sieciowy coraz bliżej Celem branży fotowoltaicznej jest osiągnięcie parytetu sieciowego, czyli poziomu cenowego produkcji energii równego lub niższego niż cena energii w sieci. Z roku na rok przybliżamy się do tego poziomu i według analiz EPIA już w roku 2013 parytet sieciowy zostanie osiągnięty we Włoszech przez instalacje fotowoltaiczne w segmencie instalacji komercyjnych. Dwa lata później, czyli w roku 2015 cena energii z fotowoltaicznych instalacji domowych osiągnie we Włoszech rynkowy poziom cen. W poszczególnych krajach parytet sieciowy będzie następował w różnych latach i będzie głównie uzależniony od nasłonecznienia w danym kraju oraz ceny energii. Włochy pod tym względem są w bardzo dobrej sytuacji. Posiadają bardzo wysokie nasłonecznienie zwłaszcza na południu a deficyt energii sprawia, że jest ona w tym kraju bardzo droga. Rok osiągnięcia przez instalację fotowoltaiczną parytetu sieciowego
Współczynniki korekcyjne jako element wsparcia rozwoju OZE wg planowanej do wdrożenia ustawy o OZE
Co w przyszłości? Dziękuję za uwagę!
Wykorzystane źródła: 1. http://solaris18.blogspot.com 2. www.cire.pl 3. www.gramwzielone.pl 4. Materiały ze szkoleń z dziedziny Fotowoltaiki - http://pv.pl/szkolenia-z-fotowoltaiki 5. Lewandowski W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii. Wydanie IV. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa 2010 6. Klugman-Radziemska E.: Odnawialne źródła energii. Przykłady obliczeniowe. Wyd. IV, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2011