. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Je sklenice solární energie z poloviny plná?
28. května 2010 - 9:21 | David Freeman | Je sklenice solární energie z poloviny plná? | Komentářů: 2  

Je sklenice solární energie z poloviny plná?

Rozbor problematiky solárních panelů, jejich pořizovacích a provozních nákladů i následného zisku. Odborníci v oboru se vyjadřují k otázce, zda a za jakých podmínek je solární energie přínosem.

Otázka, zda je sklenice "z poloviny prázdná" nebo "z poloviny plná", je často založena na odpovědi, zda jste optimistické nebo pesimistické povahy. Kritici solární energie obvykle pocházejí z ekonomické stránky instalace solárních zařízení. Jakmile je však instalace dokončena, náklady na provoz jsou téměř nulové. Na následujících řádcích tak budeme diskutovat o rozdílu mezi uvažovaným poměrem $/W a skutečným poměrem $/Wh, a jak modul elektroniky může přispět k optimalizaci systému celkové získané energie.

Bill Sweet[1] nedávno uvedl jinou podobu oblíbeného Mooreova zákona - jako předpověď: Náklady na solární instalace vzrostou o 20 procent za každé zdvojnásobení instalovaného výkonu. Jelikož se tak však zatím neděje, zdá se být pomyslná sklenice spíše z poloviny prázdná.

Solární průmysl dnes připouští, že potřebuje pomoci se snížením nákladů na instalaci. Nicméně, jejich hlavním cílem je samozřejmě co možná nejrazantnější snížení poměru $/kW-h. Na webových stránkách Solarbuzz[2] jsou uvedeny přehledy a současné trendy v tomto oboru. Zároveň dochází k rozlišování mezi spotřební a průmyslovou solární energií. Rezidenční cena je kolem 0.35 $/kW-h, zatímco průmyslová se blíží k 0.20 $/kW-h. Tato čísla ukazují, že "sklenice není poloprázdná," ale blíží se k tomu.

Spíše než srovnávat solární energii s jinými energetickými zdroji by zde měla být otázka: "Chceme žít v domě poháněné jen solární energií?" Tato otázka je rovněž součástí projektu Solar Decathlon. Každý účastník si zde vytváří obyvatelný dům a je vázán současnými možnostmi trhu. Každý den na svém domě pracuje a vytváří optimální inženýrská řešení. Samozřejmostí je komunikace s dalšími studenty, zapojenými v projektu a mínění, že sklenice je napůl plná. Samozřejmě dům napájený solární energií dává větší smysl pouze v případě, že jsou v něm použity energeticky-úsporné spotřebiče. Je tedy žádoucí, zajistit zcela solárně poháněný dům a k němu odpovídající účinné zařízení. Pak se skutečně technologie solární energie mohou považovat za z poloviny plné.

Pojďme se nyní podívat na systémy solární energie a zvážit, co zde lze udělat pro zvýšení jejich výkonu.

Chování fotovoltaických modulů
Solární buňky, pokud jsou navzájem sériově nebo paralelně spojeny, tvoří fotovoltaické (FV) moduly. V typické aplikaci mají FV systémy jeden nebo více FV modulů zapojených v sérii, tvořících řetězec pro zvýšení napětí celkového systému. Každý takový řetězec je přitom připojen paralelně k FV poli a současně pomáhá zvýšit výtěžnost celého systému. Cílem takového systému nebo pole, je dodávat maximální výkon do připojené zátěže. Vzhledem k tomu, že výkon dodaný solárními buňkami/moduly/poli je součinem proudu a napětí za stanovených podmínek, je důležité zajistit, aby se tyto dvě hodnoty pohybovaly na vhodné křivce U-I. Zde je totiž maximalizována celková výtěžnost a je zde možné dosáhnout maximálního dodaného výkonu - MPP (Maximum Power Point).

Za předpokladu, že jeden MPP v řetězci může být nesprávné polohován vůči slunci, dochází v důsledku nesouladu mezi jednotlivými panely k různému ozáření a tím i produkovaným výkonům. Inteligentní elektronický modul umožňuje zajistit často velice efektivní řešení tohoto problému. Pro návrh a konstrukci optimálních modulů elektroniky je důležité přesně charakterizovat a porozumět chování parametrů FV modulů v rámci různých ozáření a okolních podmínek.

Konfigurace fotovoltaického pole
Před pochopení chování parametrů modulu je třeba pochopit celou konfiguraci FV pole (viz obrázek 1).


Obr. 1: FV pole a testovací blokový diagram

Osm modulů (SP01-SP08) je zapojeno do série a všechny jsou připojeny na centrální měnič 1. Podobně je i dalších osm modulů spojených do řetězce a přivedeno na střídač číslo 2. Všech šestnáct modulů je vyrobeno z mono-krystalického křemíku, užívaného na solární články a to vždy od stejného výrobce. Moduly jsou určeny na výkon 215 W při standardních provozních podmínkách 1000 W/m2 a 25 °C. AC napájení z měniče je vedeno zpět do lokální sítě. Chování každého modulu lze individuálně sledovat na provozu MPP.

UI a PU charakteristiky modulu
Obrázek 2 zachycuje křivku U/I (napětí / proud) a křivku P/U (výkon / napětí), vytvořenou praktickým měřením na jednom z modulů (SP08) při ozáření - stav 1050 W/m2. MPP se nachází v blízkosti kolena křivky UI, kde je maximální proud i napětí v souladu.


Obr. 2: UI a PU křivky pro FV modul poskytující maximální možný výkon do připojené zátěže

Změna stavu ozáření snižuje ISC a v menší míře i VOC (viz obr. 3).


Obr. 3: UI křivka za různých podmínek ozáření

U většina komerčních modulů trvá ustálení UI poměru dvě až tři sekundy [3]. Tento stav však zároveň brání jakémukoliv falešnému vyhodnocení neexistujících vrcholů a propadů na křivce, které by mohly nastat například od pohybujících se mraků a jiného částečného a krátkodobého zastínění.

Vzájemný nesoulad modulů
Obrázek 4 zachycuje možný nesoulad všech modulů pro shodný stav sluneční aktivity. Nesoulad se pohybuje od -0,9 % do +1,25 %. Statické nebo pohybující se oblačnosti nebo jakékoli jiné reálné podmínky mohou však toto číslo i výraznou měrou zvýšit. Toto je tedy vhodné místo, kde se může inteligentní elektronický modul velice dobře uplatnit.

Není zde žádný nesouhlasný stav, celkový maximální výkon z pole (osm modulů zapojených v sérii) je tedy roven prostému součtu výstupů jednotlivých modulů. Bez modulu MPP a při nesouladném stavu je celkový maximální výkon vydaného pole vždy menší než celkový součet jednotlivých modulů a jejich maximálních výkonů, neboť některé moduly jsou provozovány pod jejich maximálním Power Point bodem. Při výkonu ozáření 1015 W/m2 a použití pole modulů SP01-SP08 je poměr nesouladu 2,4 procenta a celková ztráta 37W.


Obr. 4: Nesoulad při 1015 W/m2

Výhody inteligentních elektronických modulů
Řada malých, ale i některé velké společnosti, používají elektronické moduly pro zlepšení energetické výnosnosti a monitoring či řízení solárních modulů. Elektronické moduly spadají do dvou kategorií: Micro-Inverters (dc/ac) a Micro-Converters (dc/dc). Mikro-invertor přeměňuje energii tak, že ji lze použít přímo na AC vedení jednoduchým připojením k energetické síti. Naproti tomu Mikro-konvertor přeměňuje proud z fotovoltaického modulu tak, aby odpovídal společnému výstupnímu proudu, sdíleného s dalšími moduly v rámci sériového řetězce. Kombinace technologií se využívá v případě rozsáhlejšího řetězce nebo v případě centrálního střídače, dodávajícího AC proud do sítě. V tom případě je prakticky lhostejné, bude-li použit invertor či konvertor. Bez ohledu na typ elektronického modulu, princip je vždy shodný: Zajištění provozu jednotlivých solárních modulů v bodě UI, který poskytuje maximální elektrický výkon pro danou úroveň slunečního záření.

FV moduly produkují relativně konstantní výstupní napětí pro danou teplotu. Nicméně, jejich výstupní proud se s intenzitou ozáření mění velice zásadně. Po připojení do typické řetězové konfigurace je proud v celém řetězci a tedy i pro každý modul konstantní. To není problém v případě, že jsou všechny moduly shodné a mají identickou UI výstupní charakteristiku a zároveň jsou vystaveny shodné intenzitě slunečního záření.

Nicméně, pokud jsou použité moduly různé, nebo tvořené jedním či více modulů, které se liší kvůli stínu a jiným podmínkám osvětlení, je celý řetězec ovlivněn produkcí všech FV modulů, neboť moduly mají omezený soulad, tvořící případné rozdíly mezi společným řetězcem proudu a vlastním individuálním aktuálním výkonem. To ve své podstatě způsobuje, že výstupní napětí se dle zastíněných modulů výrazně snižuje, nebo dokonce ztrácí. Ochranné diody jsou umístěny po celé trase FV modulů. V důsledku toho celkové množství energie, vyrobené řetězcem, výrazně klesá i při pouze částečném zastínění jednoho modulu.

Přidání Mikro-konvertoru k FV modulům poskytuje hned dvě výhody: 1) Každý připojený modul pracuje neustále při svém maximálním výkonu, tedy bodu UI (MPP), což se dociluje inteligentní regulací jeho proudu, takže výsledný celkově produkovaný proud a napětí zůstávají na maximální možné hodnotě po celou dobu provozu, 2) Převádí proměnlivou energii, vyrobenou modulem, na proměnné výstupní napětí, čímž zajišťuje optimální výkon všech panelů bez ohledu na proud, který teče v řetězci. To poskytuje MPP každému FV modulu možnost zohlednění prostřednictvím napětí, přispívajícím k celkovému řetězci a to bez ohledu na jeho charakteristický průběh UI křivky nebo aktuálního slunečního záření, dopadajícího na daný modul.

Obrázek 5 přibližuje typické zjednodušené blokové schéma Mikro-konvertoru, které se váže k jedinému solárnímu FV modulu. Třemi hlavními prvky jsou: H-můstek výkonového obvodu, mikrokontrolér a samostatný napájecí zdroj. H-můstek výkonového obvodu poskytuje Mikro-konvertoru flexibilitu pro provoz v obou pracovních režimech, tedy režimu Both Buck (step-down) a Boost (step-up) spínané regulace. Buck vedení tvoří synchronní přepínací pár - S1-S2, doplněný o S3-S4 v případě režimu Boost. Když VPV VO je aktivní Buck režim. Jakmile je však VO  VPV je naopak aktivní režim Boost. Nevyužívané komponenty při daném režimu provozu jsou buď ve stavu Idle, nebo mohou být stále aktivní, aby umožnily požadovaný průchod proudu.


Obr. 5: blokový diagram solárního Mikro-konvertoru

Řídit H-můstek je poměrně náročné. Jeho výhodou je však možnost plynulého přechodu mezi pracovními režimy a vyšší konverzní účinnost při vlastním řízení kompenzace. Aplikace je nucena neustále sledovat napětí a proudy na vstupních i výstupních pinech. To určuje provozní režim, stejně jako podmínky UI, které jsou korelovány modulem MPP. Zajištění maximálního výkonu, sledováním MPPT, činí z tohoto zařízení odpovídající aplikaci pro embedded digitální řízení. Jednotka mikrokontroléru - MCU je uvedena na obr. 5. Power Conversion musí být provedeno s přihlédnutím na velmi vysokou účinnost.

K identifikaci MPP pro modul FV je využíváno několika metod [4]. Mezi tyto techniky patří kupříkladu operace jednoduchého stejnosměrného napětí, technika P&O (perturb & observe) a metody, které dopočítávají MPP pomocí přídavného modulu pro měření aktuální teploty a intenzity osvětlení FV modulů. Dvě nejpopulárnější metody poskytují dobrou přesnost s použitím pouze hodnot VPV a IPV, měřených při běžném provozu: optimalizované P&O a dílčích vodivosti.

Pro kompenzaci poruch a rušivých stavů je využívána optimalizace P&O průměru několika vzorových modulů. Takto získané informace jsou využity k identifikaci pracovního bodu a dynamické korekci perturbační velikosti a směru. Tato metoda přitom poskytuje nejlepší poměr výkon versus cena.

Dílčí vodivosti jsou získávány metodou porovnává okamžité vodivosti (IPV/VPV) s přírůstkovou vodivostí (dIPV/dVPV). Když IPV/VPV = –dIPV/dVPV, pracuje FV modul na jeho MPP. Zjednodušeně řečeno, systém přírůstku a úbytku zajišťuje současné nalezení takového místa, kde je poměrná změna v modulu napětí. Tato metoda nabízí nejlepší výkon při vysokém stupni ozáření a zároveň i rychlou odezvu na rychle se měnící podmínky. Nicméně, není tak přesná jako optimalizované P&O za podmínek minimálního slunečního svitu (<30 procent).

Ekonomický přínos z modulu elektronické sestavy lze analyzovat pouze tehdy, pokud má jít o navrácení nákladů na elektřinu. Energetické ztráty v celém řetězci v důsledku jednoho nebo více zastíněných modulů mohou být značné. Micro-konvertor umožní v tomto případě obnovit až 50 procent energie z částečně zastíněného modulu, jehož produkované napětí by jinak mohlo být sníženo až na nulu. Zatímco zastínění modulů je obvykle otázkou maximálně na pár hodin během celého slunečného dne, nesourodá orientace modulů tvoří trvalý stav. Jakmile se však podaří odhadnout množství získané energie, lze již velice snadno vypočítat úspory v dolarech, potažmo jiné měně. Rovnice 1 poskytuje přehled o roční úspoře G ($), z ESAVED nebo množství energie získané za den (kW-h), samozřejmě ve spojení s úrokovou sazbou nebo lokálním elektrickým tarifem ($/kW-h):

  Vzorec 1

Energetické úspory musí být vyrovnány ročním nákladem na modul elektronické sestavy. Splátky úvěru na nákup modulů a dalšího materiálu - A ($), za předpokladu, že se tato investice během životnosti vyplatila, je celkový výnos vypočítán pomocí kapitálu výtěžnost (CRF) v rovnici 2:

  Vzorec 2
kdy: PE ($)
i
n
= počáteční náklady na montáž
= úroková míra (APR% 100)
= doba úvěru nebo životnost panelů v letech

V konečném důsledku ekonomické zdůvodnění vyžaduje, aby A ($) G ($).

Příklad: Za předpokladu, že energie získaná za jeden den je 0,06 kWh, ukazuje rovnice 3 náklady na mikro-konvertor, souhlasící za předpokladu fixního tarifu 12c/kW-h místního maloobchodního dodavatele a úroky z úvěru ve výši sedmi procent APR v průběhu 25-leté životnosti? (Viz rovnice 3).

  Vzorec  3
  Odpověď: PE($) $30.63  

Tento příklad poskytuje informaci pouze o jediném instalovaném solárním modulu na jeden FV modul v řetězci. Obrázek 4 odráží typické výhody Mikro-konvertoru a poskytuje informace o dobré instalaci a výtěžnosti energie. Jde o ekvivalent tří-až-sedmi procent celkové účinnosti modulů v přeměně energie. Poměr mezi výnosností a náklady je nižší v částech řetězce, kde jsou použity méně kvalitní moduly nebo ty, které jsou pravidelně v částečném stínu.

Výhody bezpečnosti, monitorování a řízení
Jakmile jsou elektronické moduly přidány do systému, mohou poskytnout další funkce mimo konverze energie a MPPT. Takovými funkcemi jsou kupříkladu bezpečnost, monitoring a řízení. V tradičním řetězci instalace jednotlivých prvků, nemůže být řetězec snadno odpojen například v případě požáru. Místní hasičský sbor má pouze možnost odpojení od rozvodné sítě, to však jen vypne výstupní řetězec z měniče. Mnohá města mají požadavky na kontrolu pro správnou instalaci, ale podmínka možnosti celkového rozpojení v současné době chybí. Některá místa mají však větší zájem o zvýšení povědomí o systému a součástí takové instalace musí být nutně i pojištění. Mikrokontrolérem řízené systémy mohou snadno splnit všechny tyto podmínky.

Monitorování a řízení patří mezi žádoucí funkce. Umožňují rychlé odhalení problémů jako je zanášení povrchu modulů nebo zásah stínů od stromů a nové výstavby, které mohou být odhaleny ve velice krátké době a ihned může být vytvořen požadavek pro službu správy.

Závěr
Jak to tedy vypadá s naší pomyslnou sklenicí? Je z poloviny plná, nebo z poloviny prázdná? Záleží na konkrétním pohledu. Pokud jste se zaměřili na hodnotu ceny za jeden watt, nejsou solární panely konkurence schopné a pravděpodobně nebude ani brzy dosaženo uspokojivé návratnosti. Nicméně, pokud se moduly použijí na doplnění inteligentních sítí a využije se schopnost řízení řady distribuovaných zdrojů energie přerušovaného výkonu, pak sluneční energie může být dobrou volbou. Instalace 4 kW solárního systému na váš dům či podnik je určitě atraktivnějším řešením, než instalace 4 kW peletového kotle. Solární systém v kombinaci s energeticky efektivní možností použití může být ještě atraktivnější. Přesto že tak solární energie není rozhodně nic nového, s využitím moderních technologií výroby modulů a inteligentních elektronických systémů, tvoří stále atraktivnější zdroj obnovitelné energie. Dříve byly prováděny instalace, kde především vysoké prvotní náklady korespondovaly s obecně malým zájmem ze stran koncových uživatelů. Nyní je cena vlastních solárních modulů tlačena velkým zájmem směrem dolů a při ceně elektronických modulů, pohybující se kolem hranice 30 USD, jde o velice zajímavou dlouhodobou investici s odpovídajícím ziskem. Z našeho pohledu je tak sklenice minimálně z poloviny plná a dá se očekávat i její další růst.

Pro více informací o solární energii navštivte: http://www.ti.com/solar-ca.

Reference

[1] Photovoltaic Grid Parity, Bill Sweet, November 2009, IEEE Spectrum Energy Wise News.
[2] http://www.solarbuzz.com
[3] Performance Evaluation of Solar Photo Voltaic Modules Under Field Conditions Through a Quick Diagnostic Tool, Proceedings of ISES World Congress 2007 (Vol. I – Vol. V), Springer Berlin Heidelberg.
[4] Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems, Roberto Faranda and Sonia Leva, WSEAS TRANSACTIONS on POWER SYSTEMS, Issue 6, Volume 3, June 2008
[5] Renewable and Efficient Electric Power Systems, by Gilbert M. Masters. Pub. John Wiley & Sons, Inc.

O autorech
David Freeman - TI Fellow a technický manažer
Nagarajan Sridhar - technolog v laboratoři TI Solar Lab
Christopher Thornton - Power Systems Designer







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (2):

Zobrazit starší 30 dnů (2)...

host
2. Dne 02. 11. 2010 v 10:37 zaslal host
Bez titulku
Kdyby alespoň vláda neschválila ten úplně debilní zákon o podpoře solárních elektráren. :-(


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
AS433 AUREL
Anténa vertikální 433.92MHz, 50 ohmů, max. 50W, s koaxiálním kablíkem
od 189 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007