Zkušenosti z provozu fotovoltaického systému FVS 2003A na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze

Fotovoltaické panely se skládají z modulů, ve kterých jsou použity křemíkové monokrystalické solární články typu SC22 vyrobené firmou SOLARTEC s vysokou účinností konverze (13,4–15 %). Články mají čtvercový tvar o rozměru 102,5x102,5 mm, byly kusově měřeny a tříděny podle účinnosti. Moduly jsou řady RADIX72 a jsou vyrobeny technologií „tvrzené sklo – EVA fólie – tedlar“ s hliníkovým rámem, mají rozměry 1320x660x36 mm a podle použitých FV článků se rozdělují do tří kategorií s parametry uvedenými v tabulce 1.

Na nosné konstrukce je namontováno vždy deset sériověpropojených modulů, tvořících tak tři FV pole. Moduly v polích jsou propojeny na své zadní straně a jejich sériové propojení je možné změnit na paralelní či sériově-paralelní podle potřebného výstupního napětí. Pole jsou horizontálně orientována na jih s různým vertikálním úhlem, jejich celková plocha je 26,3 m². Parametry jednotlivých polí jsou uvedeny v tabulce 2.

Elektrická energie z FV polí se přenáší stejnosměrným vedením jištěným proti nadproudu a proti přepětí do střídačů Sunrise Mini (pro FV pole se sklonem 45 ° a pole s volitelným sklonem) a střídače Sunrise Micro (pro kolmé FV pole). Jedná se o bezúdržbové sinusové střídače s automatickým sfázováním s elektrickou sítí. Ve střídačích jsou také čidla teploty a střídače jsou přizpůsobeny ke komunikaci s dataloggerem Sunrise. Zajišťují galvanické oddělení stejnosměrné a střídavé části systému a přeruší dodávku elektrické energie okamžitě, jestliže se hodnoty napětí sítědostanou mimo povolenou toleranci. Splňují požadavky elektromagnetické kompatibility, mají certifikát CE a splňují normu ČSN 369060. 

Informace o elektrických veličinách a teplotěstřídačů získaných ze střídačů doplňují údaje ze senzoru intenzity dopadajícího záření a senzoru teploty FV pole. Senzor intenzity dopadajícího záření od firmy Solartec je napevno umístěn na konstrukci se sklonem 45 ° orientované na jih. V principu jde o normalizovaný FV článek zapojený přes malý odpor nakrátko. Senzor má stupeň krytí IP65 a pracuje v širokém rozsahu vnějších teplot –30 až +60 °C. V těsné blízkosti článku je převodník PI100 firmy Ravett, který hodnoty čidla převádí na proud v rozmezí 4–20 mA. Proudová dráha je odolná vůči rušení a úbytkům napětí na dlouhém vedení od senzoru do A/Č převodníků logické jednotky. Senzor teploty N1ATG7 je termočlánek typu STI-Ni od firmy Sensit. Jeho výstupní napětí je převodníkem firmy Sensit převedeno na proudový signál o rozsahu 4–20 mA, který je veden a zpracován obdobně jako výstup převodníku Ravett. Senzor je silikonovým lepidlem připevněn na zadní stranu FV modulu se stálým sklonem 45 °, jeho pracovní rozsah je –30 až +60 °C.

Pro ukládání získaných údajů jsou v systému zapojeny dva dataloggery (logické obvody s časovým obvodem a interní pamětí). Do paměti se v pravidelných intervalech ukládají data, která lze přes sériové rozhraní RSxxx přenést příslušným softwarem do paměti počítače. Podle zapnutého PC se při stahování dat také automaticky seřizují časové obvody. Datalogger Sunrise sbírá data přímo ze střídačů, proto v něm nejsou ukládány informace o teplotě FV polí a intenzitě dopadajícího záření. Paměť má kapacitu k uložení dat minimálně za 28 dní bez nutnosti stažení do PC, po jejím naplnění datalogger automaticky přepisuje nejstarší data. Datalogger Solartec byl zapojen až koncem roku 2002 a rozšiřuje možnosti systému sběru dat, která se neukládají v Dataloggeru Sunrise, tj. informace o teplotě FV polí a intenzitě dopadajícího záření. Datalogger ukládá údaje v intervalu nastaveném jeho obslužným softwarem Datalog, při nastavení na 15 minut je kapacita jeho paměti přes 200 dní. Po jejím zaplnění se data nepřepisují, ale je třeba ji vymazat obslužným programem.

Údaje o činnosti systému je možné sledovat nejen na připojeném PC s příslušným softwarem, ale také na dvou zobrazovacích jednotkách VS2000 umístěných v prostorách budovy. Zobrazují údaje o okamžitém dodávaném výkonu, energii dodané za den, celkové dodané energii, intenzitě dopadajícího záření, datu, čase a teplotě FV pole.

 

Vzhledem k proměnlivosti počasí je pro porovnání dodávek energie v několika letech či různých částech roku výhodné pracovat s průměrnými hodnotami. Období pro vytvoření denního průměru dodané energie musí být dostatečně dlouhé, aby se statisticky snížil vliv extrémních výchylek v počasí, nesmí však překročit mez, do které se jednotlivé průměry od sebe liší. Z tohoto důvodu je ideální vytváření a porovnávání průměrů denních dodávek energie za období jednoho měsíce.

 

Uvedený odhad dodávané energie vychází z průměrných denních hodnot energie dopadající v daném měsíci na jižně orientovanou plochu se sklonem 45 °, tyto údaje byly měřeny po dobu šesti let firmou Solartec (viz [2] a [4]). Odhady dodávky energie pro jednotlivá FV pole jsou vypočteny z těchto šestiletých průměrů. Při výpočtu je uvažován rozdílný sklon panelů a také jejich rozdílná celková účinnost konverze (viz [1]).

 

V roce 2002 byly skutečné hodnoty dodávané energie oproti předpokladům v lednu vyšší o 1952 Wh/den, v únoru pak o 1305 Wh/den. Během března a dubna byly skutečné hodnoty téměř shodné s předpokládanými, od května do prosince byly již nižší okolo 1500 Wh/den. Tento pokles oproti předpokladům byl způsoben výkonovým omezením střídačů Sunrise Micro, které se uplatňovalo v době největších dodávaných výkonů. Proto byly střídače 1 a 2 ke konci roku 2002 vyměněny za výkonnější typy Sunrise Mini. U výrazných poklesů dodávané energie oproti předpokladům se také uplatnil vliv výpadků systému, neboť i když se statistické průměry nevypočítávají ze dnů bez jakékoliv výroby energie, zahrnují se do výpočtů dny, kdy byl systém v činnosti pouze částečně. Propady způsobené výpadky systému se uplatnily v závěru roku 2002, výrazné však byly také v květnu a srpnu 2002, kdy byla průměrná hodnota dodávané energie o 3833, respektive o 5305 Wh/den menší.

V roce 2003 kromě ledna již systém běžel bez výpadků a výkonových omezení, což se příznivě projevilo na zvětšeném dodávaném výkonu, který byl oproti očekávaným hodnotám větší o 850 až 2000 Wh/den. Pouze nadměrná oblačnost v červenci měla za následek propad o 1180 Wh/den.

V roce 2004 nastaly další výpadky systému sběru dat, a to v části července, v srpnu a v prosinci. Co se týká vyrobené energie, tak tento rok byl vlivem počasí podprůměrný. Téměř po celý rok byly předpokládané hodnoty vyšší než hodnoty naměřené, a to o 170 až 5000 Wh/den.

V roce 2005 již systém běžel bez výpadku kro­mě 10 dní začátkem července. Tento rok téměř ­odpovídal předpokládaným hodnotám, kro­mě září a října, kde systém vyráběl průměrně o 2000 Wh/den více energie, což bylo způsobeno velmi slunečným podzimem.

I přes proměnlivost klimatických veličin působících na systém a jeho výpadky jsou hodnoty dodávané energie ve značném souladu s předpokládanými, a je tedy možné do jisté míry chování systému předvídat. Tyto předpoklady ověří a zpřesní další údaje nasbírané a zpracované stejným způsobem v následujících letech. Grafické znázornění předpokládaných a skutečných hodnot je na obr. 2 až 5. Detailní naměřené hodnoty je možno nalézt na http://k313.feld.cvut.cz/.

Podle [5] se při běžných teplotách u monokrystalických článků očekává při zvýšení teploty o 1 °C pokles napětí naprázdno okolo 0,4 % a zhruba stejný pokles účinnosti. V praktickém zapojení může být tento pokles ještě zvětšen v důsledku nárůstu odporu proudových drah v systému vlivem vyšší teploty. Při nerovnoměrně rozložené teplotě na FV panelech se také negativně projeví rozdílnost VA charakteristik při různých teplotách dílčích FV článků. Při jejich sérioparalelním propojení pak nejméně účinné články omezují ostatní, méně ohřáté články (podrobněji viz [6]).

 

Pro ověření závislosti dodávané energie na úhlu naklonění FV pole byla od února do srpna 2002 a od dubna do září 2003 prováděna optimalizace úhlu naklonění α₂ u FV pole 2 zhruba podle doporučených hodnot (podrobněji viz [1] a [3]). Cílem bylo dosáhnout co největšího energetického zisku s minimálním počtem zásahů do systému pro porovnání s následujícím obdobím (leden 2002, září 2002 až březen 2003), kdy byl úhel α₂ neměnný. Další optimalizace byla prováděna v období od ledna 2004 až do současnosti, kde úhel naklonění FV pole je měněn pouze dvakrát ročně, a to na hodnoty 30 ° v letním období a 60 ° v zimním období. Podrobný přehled naměřených hodnot je rovněž na http://k313.feld.cvut.cz/.

Za období se stálým sklonem α₂ = 30 ° (rok 2002 a 2003) vyrábělo FV pole 2 průměrně jen o 3 % více energie, než byl průměr na jedno FV pole. Vůči FV poli 1 vyrábělo průměrně o 5,5 % energie méně, vůči FV poli 3 o 13 % více energie.

Za období s optimalizovaným sklonem se změnou úhlu dvakrát ročně (rok 2004 a 2005) tak FV pole 2 vyrobilo průměrně o 11,3 % více energie, než byl průměr na jedno FV pole. Vůči FV poli 1 vyrábělo průměrně o 0,3 % energie méně, vůči FV poli 3 o 34 % více energie.

Z těchto hodnot je patrný vliv optimalizace úhlu naklonění FV pole, kdy lze pomocí dvou změn úhlu naklonění za půl roku získat v určitém období průměrně až o 40 % více energie než při zvolení kolmého postavení, oproti stálému sklonu 45 ° pak o 4 %. Při změně úhlu dvakrát ročně vyrobilo FV pole 2 o něco méně energie než FV pole 1, což je způsobeno částečným zastíněním FV pole 2 v zimních měsících v ranních hodinách a vlivem oblačnosti, kdy při oblačné obloze FV pole 1 s úhlem 45 ° vyrábí více energie než FV pole 2 v důsledku difuzního záření. Na druhou stranu je zřejmé, že pro sezónně pracující FV systémy (období duben až září) je menší úhel sklonu (30 °) výhodnější.

 

ZDENĚK MACHÁČEK, VÍTĚZSLAV BENDA

foto archiv autorů 

 

1) Zedník, J.: Monitorování a vyhodnocení činnosti fotovoltaického systému na ČVUT-FEL. Diplomová práce. ČVUT-FEL K313 2003.

2) Henze, A. – Hillebrand, W.: Elektrický proud ze slunce. HEL Ostrava 2000.

3) Hamdy, E.: Performance degradation of silicon solar cells at non-optimal conditions. Disertační práce. ČVUT-FEL K313 2001.

4) http://www.solartec.cz.

5) Hu, C. – White, R. M.: Solar Cells. University of California, Berkeley 1979.

6) Macháček, Z.: Vliv externích podmínek na činnost fotovoltaického systému na ČVUT-FEL. Diplomová práce. ČVUT-FEL K313 2004.