Оптимизација и пројектовање самосталних и повезаних на мрежу фотонапонских система Припремио: Никола Пауновић

Усвојена топологија фотонапонског система у соларном калкулатору Основне компоненте, генератори и потрошачи ел. енергије, које калкулатор поседује су : Фотонапонски модули Акумулаторске (соларне) батерије Дизел електрични агрегат DC оптерећење AC оптерећење

Улазни подаци соларног калкулатора Улазни параметри које је потребно попунити и дефинисати за покретање симулације: Улазни параметри које је потребно дефинисати за иницијални прорачун капацитета батерије: Локација Нагиб фотонапонског модула Оријентација фотонапонског модула Избор произвођача и модела фотонапонског модула Број модула везаних серијски и паралелно Степен запрљања модула Укупно оптерећење на DC страни система Избор произвођача и модела батерије Број батерија везаних редно и паралелно Фактор старења батерије Одабир снаге дизел електричног агрегата Условно паљење и искључење агрегата за задати ниво напуњености батерије Коефицијент рефлексије за прорачун албедо зрачења Временски период симулације Укупно АC оптерећење Укупно DC оптерећење Коефицијент ефикасности инвертора Критична температура амбијента Број сати аутономније рада

Излазни подаци соларног калкулатора Најбитнији излазни подаци у виду датих сатних вредности су: Генерисана енергија ФН модула Капацитет батерије Предата енергија батерије оптерећењу Предата енергија дизел агрегата батерији Предата енергија дизел агрегата оптерећењу Најбитнији излазни подаци у виду срачунатих датих дневних вредности су: Укупна инсолација за дати дан у kWh/m2 Капацитет батерије на крају дана Потрошена количина енергије ФН модула Неискоришћена количина енергија ФН модула Срачунате излазне вредности које се имају у току целог задатог перида рада су: Просечна дневна инсолација у току једног месеца Просечна дневна генерисана енергија фотонапонских модула у току једног месеца Укупна генерисана енергија ФН модула за цео дефинисани период Укупна неискоришћена енергија ФН модула за цео дефинисани период Укупна генерисана и искоришћена енергија дизел електричног агрегата Укупан број сати рада дизел ел. агрегата

Опис примењене методологије соларног калкулатора Ова методологија има за циљ да одговори на два битна питања: Колика је вредност сунчеве ирадијансе која доспева на површину фотонапонског (ФН) модула? Колики је степен корисног дејства претварања ирадијансе у електричну енергију? Оба питања су сагледана са аспекта пројектанта, чији је главни циљ, у зависности од типа примене, добијање потребне површине ФН модула у циљу предходно дефинисане експлоатације, као и естимација средње вредности произведене електричне енергије. Први проблем који се поставља у процесу оптимизације фотонапонских система, како би се израчунали релевантни параметри, јесте “позиција Сунца на небу”.

Опис примењене методологије соларног калкулатора Кретање између Сунца и Земље Релативна позиција Земље и упадних сунчевих зрака

Опис примењене методологије соларног калкулатора Положај Сунца у односу на фиксну тачку на Земљи. Позиција површи и угао упадних сунчевих зрака

Опис примењене методологије соларног калкулатора Како сунчево зрачење пролази кроз атмосферу Земље, оно је модификовано услед интеракције са компонентама који су присутни у њој. Неки од њих, као што су облаци, рефлектују (одбијају) зрачења. Други, на пример, озон, кисеоник, угљен диоксид и водена пара, имају значајне способности апсорпције на неколико специфичних спектралних опсега. Капљице воде и честице прашине такође доприносе распршавању, тј. дифузији. Резултат свих ових процеса је декомпозиција сунчевог зрачења која погађа пријемник на површини Земље на јасно диференциране компоненте. Три компоненте зрачења које доспевају на одређену површину (под нагибом) су : Директано зрчење – састављено искључиво од снопова светлости који нису рефлектовани, нити расејани, достиже површину у правој линији од сунца. Дифузно зрачење – које долази са целог неба осим са диска Сунца, јесте расуто зрачење према пријемнику. Албедо зрачење (или рефлектовано зрачење) је рефлектовано зрачење од површине земље. Укупно зрачење која пада на површину је збир свих ових (директано + дифузно + рефлектовано) и назва се глобално зрачење.

Опис примењене методологије соларног калкулатора Однос између сунчевог зрачења на површини Земље и екстратерестричког зрачења даје меру атмосферске транспарентности. На овај начин, индекс ведрине, КTm, се израчунава за сваки месец (или дан): Потребно је имати на уму да индекс ведрине физички се не односи само на зрачење кроз атмосферу већ и са саставом и садржајем облака у атмосфери. Liu и Jordan су показали да без обзира на географску ширину, фракционо време у коме је свакодневно глобално зрачење једнако или мање од одређене вредности директно зависи од овог параметра. Због тога, КTm може на прави начин да окарактерише соларне климе на одређеној локацији. Ово даје основу за процену сунчевог зрачења на нагибним површинама.

Прорачун фотонапонски генерисане електричне енергије Проблем који инжењер често мора да реши јесте предвиђање електричних карактеристика и понашања соларних генератора за дате информације о генератору, географском положају, као и локалне временске прилике. Конкретно, то представља основу за естимацију испоручене електричне енергије генератора, што је критичан корак у било којој оптимизацији ФН система. Ово доводи до питања успостављања и усвајања номиналних вредности ФН модула, при којима се наводе перформансе и остале карактеристике, и дефинисање метода за израчунавање карактеристика при преовлађујућим условима као што су соларна ирадијанса, температура, брзина ветра итд. Традиционално, ФН модули су класификовани у оквиру тзв. стандардних услова испитивања (STC) (зрачењe: 1000 W/m2, спектар: АМ1.5 и температура ћелије: 25°C). Најчешћи уобичајни случај је да су познате вредности струје кратког споја, напона отвореног кола, и максимална снага, који су увек дати као каталошки подаци од стране произвођача. Поред тога, карактеризација ФН модула је завршена мерењем номиналне радне температуре ћелије (енг. Nominal Operating Cell Temperature, NOCT), дефинисана као температура коју постиже ћелија када на ФН модул падне зрачење од 800 W/m2 и температури амбијента од 20°C.

Прорачун фотонапонски генерисане електричне енергије Еквивалентне шеме соларног генератора са и без одређених занемарења

Прорачун фотонапонски генерисане електричне енергије За предвиђање U-I крива ФН генератора који раде на произвољним условима зрачења и температуре, добар баланс између једноставности и тачности се добија кроз следеће додатне претпоставке. Струја кратког споја соларне ћелије зависи искључиво и линеарно од ирадијансе   Напон отвореног кола модула зависи искључиво од температуре соларне ћелије . Напон се линеарно смањује са порастом температуре. Отуда, Радна температура соларне ћелије изнад температуре амбијента је приближно пропорционална зрачењу. где константа има вредност Вредности за модуле тренутно на тржишту варира од око 42 до 46°C, што значи да је вредност између 0.027 и 0.032°C/(W/m2). Када je непозната, разумно је усвојити .

Прорачун фотонапонски генерисане електричне енергије Ефекти другог реда Модел приказан у претходном делу је заснован само на стандардним и широко доступним информацијама, што засигурно представља предност, посебно за ФН системе. Осим тога, веома је једноставан за употребу. Међутим, таква једноставност занемарује следеће: Ефекат паралелне отпорности Утицај температуре ћелије на струју кратког споја Утицај ирадијансе на напон отвореног кола Нелинеарност током ниске вредности ирадијансе Спектрални ефекат Ефекат ветра Због њиховог слабог утицаја могуће је, а и сасвим оправдано, не разматрати ефекте другог реда. Грешке која се могу јавити су прихватљиве и не утичу битно на прорачун па се због тога могу занемарити. Међутим, због његовог најдоминантнијег утицаја, у соларном калкулатору је имплементиран прорачун за израчунавање ирадијансе за вредности мање од 200 W/m2 (трећи ефекат), јер се у овом случају има смањење ефикасности ФН модула (а самим тим и излазне снаге). Овим је урачунат само једна ефекат другог реда, тј. нелинеарност током ниске вредности ирадијансе (који даје највећу грешку).

Прорачун фотонапонски генерисане електричне енергије Доступни подаци и карактеристике фотонапонских модула Карактеристичне величине фотонапонског модула су: Максимална струја – струја кратког споја Максимални напон – напон отвореног кола Максимална електрична снага Струја максималне снаге Напон максимлне снаге Произвођачи дају овакве податке о карактеристи- кама модула при стандардним условима испити- вања који подлежу међународном стандарду и дефинисани су за снагу зрачења 1000 W/m2 и температуру соларне ћелије од 25°C.

Батерија као резервоар енергије Карактеристике перформанси батерије Батерија ради у специфичним условима различитог стања пуњења/пражњења и под различитим температурама. Ово такође представља потешкоћу у описивању њеног понашања. Један од проблема је што у таквим условима рада потребно је имати додатне карактеристике батерије, ретко специфициране од стране произвођача. Овде се даје преглед главних параметара који карактеришу перформансе ћелија батерије и утичу на дизајн и димензионисање исте: Напон пуњења/пражњења (и капацитет) Однос пуњења/пражњења и енергетска ефикасност Ефикасност пуњења Унутрашња отпорност Утицај температуре на перформансе батерије Животни век батерије и број циклуса

Батерија као резервоар енергије Утицај температуре на перформансе батерије Када се ради обрачун енергетског биланса за батерије, отпор се може узети као величина која зависи само од температуре.

Батерија као резервоар енергије Утицај температуре на перформансе батерије Капацитет батерије се може узети као величина која зависи од пражњења и температуре.

Дефиниција температуре амбијента као улазног параметра Оригинални једноставан модел дефинише промену температуре у сваком сату из Tmax и Tmin. Овај једноставан модел даје добро поклапање израчунатих вредности са измереним часовним вредностима температуре током дана. Развијена методологија заснива се на чињеници да температура еволуира на сличан начин као и глобално зрачење. Као што је поменуто раније, глобално зрачењe има синусоидалнo понашање. Температура ће деловати на исти начин, али са закашњењем од 2 до 3 сата. Ова чињеница омогућава следећа три принципа која треба извести: Минимална дневна температура се јавља у зору Максимална дневна температура се јавља три сата после поднева Између ове две вредности, температура амбијента се развија у складу са два полу-циклуса косинус функције: једна од зоре до поднева, а друга између поднева и свитања наредног дана. Најтоплији сат, Tmax HSUNRISE, Tmin

Дефиниција температуре амбијента као улазног параметра Провера методологије

Дефиниција температуре амбијента као улазног параметра Провера методологије

Дефиниција температуре амбијента као улазног параметра Оптимизацију и пројектовање фотонапонских система треба урадити за неке амбијенталне услове у будућности, која се морају предвидети. За ову сврху, вредности Tmax и Tmin у претходним годинама се може користи за предвиђање промене температуре у наредним годинама. Слике приказује промену максималних и минималних дневних температура током године за три године: 2003, 2004 и 2005. Са ових графика се може закључити да је облик промене дневнне вредности за више од годину дана Tmax и Tmin је слична и да се примена вредности из неких од претходних година може користи.

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Компоненте самосталних фотонапонских система Компоненте самосталног фотонапонског система који је дефинисан соларним калкулатором су: Фотонапонски модули Акумулаторске (соларне) батерије Дизел електрични агрегат DC оптерећење AC оптерећење Међутим, при коначној оптимизацији потребно је дефинисати и остале компоненте које имају улогу претварања енергије а то су: Инвертор Контрлер пуњења (са ФН модула – DC/DC) Исправљач (са дизел агрегата/мреже)

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација фотонапонских система је одређена локацијом, климом, карактеристикама места где се поставља систем и опремом која се користи. Поред квалитета компоненти система и изградње система, димензионисање соларних генератора и акумулатора игра важну улогу у оперативној поузданости фотонапонског напајања. Изабрани и оптимизовани соларни генератори и акумулатори одређују коликом енергијом се могу испунити захтеви потрошача. Фотонапонски систем треба да буде оптимизован у складу са планираним корацима: Одређивање енергетских потреба и оптимизација потрошње. Овај корак подразумева да се енергетски захтеви потрошача одреде што прецизније, као и да се истражи могућност уштеде енергије редукцијом потрошње. Израда концепта: Одређивање напонског нивоа (у многим случајевима ово је одређено од стране корисника) и тип фотонапонског система (DC, AC, комбинован DC и AC, са или без електричног агрегата). Избор и димензионисање компоненти система за менаџмент токова снге: Претварачи који се постављају на излазе из различитих генератора и пре потрошача се бирају у зависности типа система. Веома често, ефикасност ових компоненти има одлучујући утицај на енергетски баланс система па се и она мора узети у обзир. Ово се поготову односи на инверторе за конвенционална напајања за 230V. Димензионисање соларних генератора и акумулаторских батерија. Димензионисање соларних контролера пуњења. Избор и димензионисање проводника: Падови напона који се јављају у проводницима се не смеју занемарити, посебно код великих система који раде на нижим напонима.

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Наравно, укупна испоручена елктрична енергија фотонапонских модула зависи од нагиба и оријентације модула. За разлику од ФН система повезаних на мрежу, где се сва генерисана енергија испоручује у електродистрибутивну мрежу, код самосталних ситема се има доста неискоришћене сунчеве енергије. Управо овде, примена соларног калкулатора има велики значај у димензионисању свих компоненти ФН система. За одређивање „правог“ оптималног нагиба ФН модула је потребан нешто прорачун који укључује и временске услове.

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Примери и прорачуни различитих конфигурација Задатак. Потребно је димензионисати фотонапонски ситстем за једну телекомуникациону базну станицу са редукованом потрошњом. ФН систем мора да је у стању да константно испоручује енергију која је потребна, тако да се користи и електрични агрегат као резервни вид напајања. Због потреба телекомуникационе опреме не сме се дозволити да капацитет батерије падне испод 40% номиналног. Конфигурације система Конфигурација Број ФН модула Капацитет батерије [Ah] Снага агрегата [W] Cena [n.j.] 1 20 853,2 2500 19556 2 25 23556 3 30 27556 4 1264 20378 5 24378 6 28378 7 1738 3500 21326 8 25326

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Примери и прорачуни различитих конфигурација Конфигурација 1

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Примери и прорачуни различитих конфигурација Конфигурација 2

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Примери и прорачуни различитих конфигурација Конфигурација 3

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Примери и прорачуни различитих конфигурација Конфигурација 4

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Пројектовање самосталних ФН система Основни кораци у пројектовању самосталних фотонапонских система: Избор компоненти фотонапонског система Избор DC заштитиних компоненти Избор каблова и проводника Прорачун падова напона

Оптимизација и пројектовање фотонапонских система повезаних на мрежу Фотонапонски системи повезани на мрежу, у односу на самосталне ФН системе, су доста приступачнији (једноставност и нижа цена) и имају већи степен поузданости. Овакви системи испоручују целокупну генерисану енергију електродистрибутивној мрежи. Такође, треба напоменути да постоје ФН системи који раде паралелно са електродистрибутивном мрежом, тј. таква конфигурација где се потрошња снабдева са соларног генератора а вишак енергије испоручује мрежи. Међутим, овакав начин рада није типичан нити економичан и овде неће бити разматран.

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Компоненте самосталних фотонапонских система Са становишта своје комплексности, фотонапонски системи повезани на мрежу су доста једноставнији од самосталних. Основне компоненте овааквих ФН система су: Фотонапонски модули Инвертор (on-grid) Наравно, овде су дате компоненте од енергетског значаја. Поред њих се инсталира и додатна заштитна опрема на странама једносмерне и наизменичне струје, као и уређај за мерење произведене и испоручене електричне енергије.

Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Оптимизација и пројектовање самосталних фотонапонских система Пројектовање самосталних ФН система Основни кораци у пројектовању самосталних фотонапонских система: Избор компоненти фотонапонског система Избор DC заштитиних компоненти Избор каблова и проводника Прорачун падова напона

Primeri projekta (ETF – u poslednje dve godine)

Primeri projekta (ETF – u poslednje dve godine)

Masterminds 

Dimenzionisanje i projektovanje fotonaponskih sistema (on-grid)

ETF projekti (On-Grid)

Hotel Georgia, Lokacija: Vancouver, Canada

Hotel Georgia, Lokacija: Vancouver, Canada