1.12 Vliv zastínění fotovoltaických článků na jejich dodávaný výkon a zhodnocení vlivu fotovoltaických systémů na stabilitu sítí Cíle kapitoly: Cílem laboratorní úlohy je změřit výkonové a V-A charakteristiky fotovoltaického článku při různém zastínění jeho aktivní plochy. Intenzita světelného záření má v praktickém provozu elektráren nejvýznamnější vliv na generovaný výkon. Cílem je proto zjistit závislost nerovnoměrného rozložení intenzity světelného záření na výkon fotovoltaického článku. Dalším cílem je provést srovnání dosažených výsledků u technologicky odlišně vyrobených fotovoltaických článků a zhodnotit vliv rychlých změn výkonu na stabilitu sítě. 1.12.1 Úvod Intenzita slunečního záření má nejvýznamnější vliv na výkon generovaný fotovoltaickou elektrárnou. Fotovoltaické elektrárny jsou tvořeny sério-paralelními kombinacemi fotovoltaických panelů. Aktivní plocha takto řazených panelů dosahuje nemalých hodnot. Díky tomu může docházet k nerovnoměrnému rozložení intenzity slunečního záření dopadající na rozsáhlou aktivní plochu. Jedna část společně zapojených panelů může být osvícena větším množstvím přímého slunečního záření než druhá, a naopak. V běžných podmínkách tak není reálné dosáhnout stejné velikosti intenzity slunečního záření na celé aktivní ploše. V praxi může dojít i k poměrně významným nerovnoměrnostem, které mohou vzniknout přechodem oblačnosti, nečistotami na panelech či stínem způsobeným cizorodým předmětem a jiné. Pro analýzu změny lze využít jednoduché V-A nebo výkonové charakteristiky, které mohou posloužit pro rychlé zhodnocení. Z charakteristik lze určit základní body, které poslouží k tomuto vyhodnocení. Jedná se o Pmax, UPmax, IPmax, ISC, UOC. Stanovené veličiny poslouží k i vypočtení faktoru plnění (FF – fill factor). Faktor plnění, někdy taky jako činitel naplnění, je dán následujícím matematickým vztahem.
· ·
(2)
kde UPmax (ve V) je napětí při maximálním výkonu, IPmax (v A) je proud při maximálním výkonu, UOC (ve V) je napětí naprázdno (nulový generovaný proud) a ISC (v A) je zkratový proud (nulové generované napětí). Faktor plnění představuje elektrickou účinnost fotovoltaického panelu. FF je závislý na celé řadě aspektů, které souvisí hlavně s technologickou kvalitou jeho výroby, tj. morfologie materiálu, kvalita kontaktů či odpor aktivní plochy a další. Lze konstatovat, že kvalitněji vyrobený panel bude dosahovat vyšších hodnot faktoru plnění (teoretické maximum je 1). Z matematického vyjádření lze vypozorovat, že změřením V-A charakteristiky a výkonové charakteristiky jsme schopni FF stanovit. 1.12.2 Rozbor úlohy Pro měření základních charakteristik fotovoltaického článku při různých variantách zastínění je využito stejnosměrného laboratorního zdroje 0-30V/5A a měřících karet. Schéma zapojení pracoviště je uvedeno na Obr. 1.1. Lze vidět, že se budou proměřovat vždy (pro každý technologický typ) dva v sérii zapojené fotovoltaické články.
Obr. 1.1: Schéma zapojení pracoviště Úlohu lze rozdělit na tři části. V první části budou zastíněny přímo fotovoltaické články. Různé varianty zastínění jsou naznačeny na Obr. 1.2.a. V druhé části bude mezi články a světelný zdroj vloženo stínítko takovým způsobem, aby na každém článku (spojených do série) byla jiná hodnota intenzity záření. Zastínění zdroje je naznačeno na Obr. 1.2.b. V třetí části se bude zaznamenávat kontinuálně výkon a bude se simulovat změna atmosférických podmínek v podobě zamračené oblohy (pomocí stínítka).
Obr. 1.2: Varianty stínění fotovoltaických článků: a) přímo zastíněná aktivní plocha, b) nepřímé stínění – zastíněn světelný zdroj (nerovnoměrnost intenzity E) V případě, že bude použito měřících karet NI 9215 (pro měření napětí) a NI 9227 (pro měření proud), budou karty pro studenty správně nakonfigurovány a připraveny pro okamžité měření. Již nakonfigurované karty je tedy nutno pouze správně zapojit do měřícího systému, podle množství využitých kanálů na měřících kartách. Propojení kontaktů měřících karet je naznačeno na Obr. 1.3.
Obr. 1.3: Zapojení kontaktů měřících karet NI 9215 (napětí a intenzita záření) a NI 9227 (proud) Na začátku je nutné správně stanovit typy jednotlivých fotovoltaických článků. Dalším úkolem je správné propojení jednotlivých komponent měřícího systému. Na výpočetní jednotce se spustí aplikace SHADOW, která je vytvořená v LabView a slouží pro měření a
záznam naměřených hodnot napětí, proudu, intenzity záření a ke kontinuálnímu záznamu generovaného výkonu. Náhled na tuto aplikaci je na Obr. 1.4.
Obr. 1.4: Aplikace SHADOW v LabView pro měření výkonových a V-A charakteristiky při různě zastíněných aktivních ploch fotovoltaických článků a pro kontinuální záznam změny výkonu Nyní se umístí světelný zdroj do takové výšky od fotovoltaického článku, aby hodnota intenzity světelného záření odpovídala požadované hodnotě (stanoví vyučující). Dále bude náplní proměřit první část úlohy, tj. zastínit postupně stínítkem článek dle. Obr 1.2a. Pro každou variantu zastínění bude změřena V-A charakteristika. Nastaví se a změří se nejprve hodnota napětí naprázdno. Na stejnosměrném zdroji je nastavena taková hodnota napětí, aby měřeným obvodem neprotékal elektrický proud. Během měření nesmí hodnota napětí překročit hodnotu 5V. Tento bod odpovídá první hodnotě na měřené V-A charakteristice. Nastavenou hodnotu je nutno zapsat v aplikaci do tabulky a vykreslit ji do příslušných grafů. Pro zápis se použije tlačítko Save values. Při prvotním zmáčknutí a zapsání hodnoty se objeví i možnost pro uložení souboru (ve formátu*.txt) na pevný disk výpočetní jednotky. Změnou hodnoty napětí na DC zdroji bude obdobným způsobem zaznamenána kompletní V-A charakteristika měřené varianty. Tj. budou zaznamenávány hodnoty napětí, proudu a výkonu. Vykreslovány budou V-A a výkonová charakteristika. Díky tomu, že jsou charakteristiky
vykreslovány ihned po změření, lze dobře zvolit i krok měření (změny napětí). Nejjemnější krok by měl být v oblasti zlomu V-A charakteristiky, aby bylo dosaženo dobré přesnosti měření. Pro změření dalších variant a dalších typů článků je způsob měření obdobný. Před zapisováním nových hodnot je však vhodné „vyčistit“ tabulku a zobrazené charakteristiky, a to pomocí tlačítka Clear table respektive Clear graphs. V druhé části úlohy bude měření obdobné. Nebude však stínítkem zakrytý přímo článek, ale bude stíněn světelný zdroj. Úkolem je zastínit zdroj takovým způsobem, aby na dvou koncích aktivní plochy článků vznikl výrazný rozdíl dopadajícího intenzity záření. Požadovaný rozdíl stanoví vyučující. Po správném nastavení bude změřena opět V-A charakteristika pro všechny typy článků. Hlavním cílem prvních dvou bodů úlohy je porovnání výkonových možností jednotlivých typů článků při přímém zastínění aktivní plochy sériově pracujících článků a při rozdílné intenzitě záření na opačných koncích aktivní plochy. Jedním z výstupů protokolu by tak měly být závěry informující o tom, který typ článků má nejvyšší FF při stejných variantách zastínění. Textový soubor získaný během měření poslouží pro získání těchto informací. Z grafických průběhů je nutno odečíst hodnoty Pmax, UPmax, IPmax, ISC, UOC a následně vypočítat účinnost a FF. Mělo by být provedeno i hodnocení, jak se přímé a nepřímé zastínění aktivní plochy projevilo na maximální výkon. V třetí části úlohy se bude simulovat přechod oblačnosti na fotovoltaickou elektrárnou. Naší fotovoltaickou elektrárnou bude představovat základní zapojení článků viz. Obr. 1.1. Spustíme online měření tlačítkem Online. Při spuštění se objeví i možnost pro uložení souboru (ve formátu*.txt) na pevný disk výpočetní jednotky. Nyní se nám zobrazují a ukládají okamžité hodnoty napětí, proudu a výkonu v čase. Stínítkem nyní simulujte přechod oblačnosti nad elektrárnou. Sledujte přitom okamžitý výkon elektrárny. Na základě změřených hodnot zhodnotíme, jaký vliv na stabilitu sítě, v případě velkých fotovoltaických elektráren, mohou mít změny výkonu. 1.12.3 Úkol měření Pomocí měřících karet (napětí, intenzita, proud) a výpočetní jednotky změřte výkonové a V-A charakteristiky fotovoltaických článků zapojených v sérii, kterým bude přímo a nepřímo stíněna aktivní plocha. U přímého stínění bude zakryta přímo aktivní plocha článků (zakrytá část není vůbec osvícena), u nepřímého stínění bude stíněn světelný zdroj (u této varianty je cílem zjistit závislost nerovnoměrného rozložení intenzity). Ze změřených dat (*.txt) vyneste V-A a výkonovou charakteristiku každé měřené varianty. Zjistěte hodnotu napětí naprázdno UOC, zkratového proudu Isc, hodnotu maximálního výkonu Pmax a jemu odpovídající hodnoty napětí UPmax a proudu IPmax. Na základě získaných veličin vypočtěte dle výše uvedeného matematického vztahu faktor plnění FF. Grafické závislosti, stanovené a vypočtené veličiny navzájem porovnejte a zhodnoťte jejich relevantnost s teoretickými předpoklady. Dalším cílem je provedení srovnání dosažených výsledků u technologicky odlišně vyrobených fotovoltaických článků a zhodnocení vlivu rychlých změn výkonu na stabilitu. Stabilita bude hodnocena na základě měření okamžitého výkonu při simulaci přechodu „oblačnosti“ nad články. 1.12.4 Použité měřicí přístroje a komponenty -
Svítidlo s halogenovým světelným zdrojem 150W Fotovoltaické články – různé typy (monokrystalický, polykrystalický, amorfní) SG pyranometr
-
Měřící karty (NI 9215, NI 9227) nebo digitální multimetry Laboratorní regulovatelný DC zdroj 0-30V/5A Výpočetní jednotka Stínítko Propojovací kabely
1.12.5 Postup měření 1. Identifikujte jednotlivé technologické typy fotovoltaických článků - monokrystalický, polykrystalický, amorfní. 2. Dle Obr 1.1., Obr.1.2 a Obr.1.3. zapojte pracoviště pro měření fotovoltaického článku. 3. Správnost zapojení měřícího pracoviště nechte zkontrolovat vyučujícím. 4. Spusťte programovou aplikaci SHADOW (na ploše PC) pro měření výkonových a V-A charakteristik fotovoltaických článků při různém zastínění aktivního povrchu. 5. Nastavované napětí nesmí během měření nikdy přesáhnout 5V. 6. Svítidlo resp. světelný zdroj umístěte nad fotovoltaický článek do výšky, která bude odpovídat zadané hodnotě intenzity světelného záření E (zadá vyučující). 7. Nastavte na laboratorním zdroji napětí tak, aby fotovoltaickým článkem neprotékal elektrický proud. Tlačítkem Save values zaznamenejte napětí naprázdno Uoc. Při prvotním zmáčknutí tlačítka se objeví možnost pro uložení souboru na pevný disk výpočetní jednotky. Uložte tedy soubor ve formátu *.txt. 8. Změnou napětí na zdroji a následně tlačítkem Save values, změřte V-A respektive výkonovou charakteristiku fotovoltaického článku. Krok měření volte tak, aby byl nejmenší krok v ohybu charakteristiky (dle vykreslovaných grafů). 9. Po změření charakteristiky vyčistěte tabulku s hodnotami a grafy, pomocí tlačítka Clear table respektive pomocí Clear graphs. Nyní máte aplikaci připravenu pro měření další varianty zastínění článku. 10. Měření opakujte pro nově nastavené zastínění aktivní plochy článků respektive typy článků. 11. Měření je obdobné i pro zastínění světelného zdroje a jeho možné varianty pro jednotlivé typy článků. 12. Další měření souvisí s měřením okamžitého výkonu. Zapojte pracovitě dle Obr. 1.1. Tlačítkem Online spustíte měření proudu, napětí a výkonu v čase. Při spuštění se objeví možnost pro uložení souboru na pevný disk výpočetní jednotky. Uložte tedy soubor ve formátu *.txt. 13. Pomocí stínítka simulujte přechod oblačnosti nad fotovoltaickými články. 14. Měření zastavte tlačítkem Stop. 15. Měření opakujte pro další typy článků. 16. Po ukončení měření si data z pevného disku uložte na svůj flashdisk a z PC vymažte vámi ukládaná data. 1.12.6 Zpracování výsledků Z naměřených hodnot graficky zpracujte V-A charakteristiky respektive výkonové charakteristiky pro různé varianty přímého zastínění článků. Pro každý průběh zjistěte hodnotu napětí naprázdno UOC, zkratového proudu Isc, hodnotu maximálního výkonu Pmax a jemu odpovídající hodnoty napětí UPmax a proudu IPmax. Vypočtěte faktor plnění FF. Grafické závislosti, stanovené a vypočtené veličiny, u technologicky odlišně vyrobených fotovoltaických článků, navzájem porovnejte. Obdobný postup bude u nepřímého zastínění článků, kdy je docíleno pouze odlišné intenzity záření dopadající na různé části aktivní plochy článků. U online měření výkonu nalezněte z grafického průběhu maximální a minimální
výkon a nalezněte nejvýraznější výkonovou změnu v čase. Objektivně zhodnoťte vliv rychlých změn výkonu fotovoltaických elektráren na stabilitu sítí v České republice. 1.12.7 Závěr Změřené a vypočtené parametry mezi sebou porovnejte a proveďte závěrečné zhodnocení. 1.12.8 Shrnutí kapitoly Cílem laboratorní úlohy je změřit výkonové a V-A charakteristiky fotovoltaického článku při různých variantách přímého a nepřímého zastínění jeho aktivní plochy. Úloha ukáže a představí základní postup měření výkonových a V-A charakteristik fotovoltaických článků v laboratorních podmínkách a za použití výpočetní techniky a měřících karet. Intenzita světelného záření má v praktickém provozu elektráren nejvýznamnější vliv na generovaný výkon. Jedním z cílů je tak zjistit vliv nerovnoměrného rozložení intenzity světelného záření na výkon fotovoltaického článku. Dalším cílem je provedení srovnání dosažených výsledků u technologicky odlišně vyrobených fotovoltaických článků. Simulací přechodu oblačnosti nad fotovoltaickou elektrárnou, bude zhodnocen vliv rychlých změn výkonu na stabilitu sítě v České republice. 1.12.9 Kontrolní otázky 1. K čemu slouží tzv. Bypass diody u fotovoltaických panelů? 2. Které zastínění (přímé nebo nepřímé) fotovoltaických panelů je v praxi častější? Proč? 3. Má čistota povrchu fotovoltaických panelů vliv na jejich generovaný výkon? Vysvětlete. 4. Jaký je instalovaný výkon fotovoltaických elektráren v České republice?
