MAART 1995 ECN-C--9~-004
ANALYSE MEETRESULTATEN PV’INSTALLATIE TE ZANDVOORT 2e SEMESTER 1994 C.W.A. BALTUS
Verantwoording Dit rapport is opgesteld in opdracht van NOVEM. De financiering is deels door NOVEM geschied (70%) onder opdrachtnummer 41.260-007.1, de resterende bijdrage is van ECN (project: 4408-01, PV-metingen Zandvoort) en de familie Karnp.
Foto: R&S
ECN-C--95-004
INHOUD 1. INLEIDING .........................................
9
11 2. TESTOPSTELLING ................................... 11 2.1 Kenmerken van bet meetobject ........................ 2.3 Verwerking van de meetresultaten ......................13 2.3.1 Beschikbaarheidsgraad van naeetsysteem ............. 14 2.3.2 Ingestraalde energie ........................... 14 17 MEETRESULTATEN ................................. 17 3.l Halfjaadijkse instraling ............................. 17 3.2 Effect vaa schaduwwerking op panelen .................. 3.3 Genorme~de opbrengst .............................17 3.4 Rendement inverter ................................18 3.5 Gemiddeld inverterrendement ......................... 18 3.6 Paneelrendementen ................................ 18 19 3.7 Ertergie per inverter ................................ 19 3.80pbrengstfactor ................................... 19 3.9 Dekkingsgrand ................................... 3.10 Directe zonnefractie ............................... 19 3.11 Gedrag MPPT ...................................20 3.12 Paneeltemperaturen ...............................20
ECN-C--95-004
4. CONCLUSIES ......................................
21
5. REFERENTIES ......................................
23
TABELLEN ..........................................
25
BIJLAGEN ...........................................
27
FIGUREN ...........................................
31
3
4 ECN-C--95-004
NOMENCLATUUR
Ep2 Eplc
Som van ingaande energie van inverters Uitgaande energie van inverter n Direct door gebruiker benutte energie Som van uitgaande energie van inverters Uitgaande energie van inverter n Ingestraalde energiedichtheid (getotaliseerd) op pyranometer Door verbruiker benutte energie Ingestraalde energiedichtheid (getotaliseerd) op referenfiecel 1 Ingestraalde energiedichtheid (getotaliseerd) op referentiecel 2 Ingestraalde energiedichtheid, ternp.gecon’, op referentiecel 1
Gg Gpl Gp2 Gple
Globale instraling Instralin8 op referentiecel 1 Instraling op referentiecel 2 Temperatuur gecorrigeerde instraling op referentiecel 1
Ea
Edl Eft Eft,, Eg E1
kWh kWh kWh kWh kwh kWhim2 kWh kWh/mz kWh/m~ kWh/m~ W/m2 W/m2 W/m2 W/m2
Beschikbaarheidsgraad van meetsysteem (monitoring fractie) Som van uitgaand vermogen van inverters Uitgaand vermogen van inverter n Som van ingaand vermogen van i~averters Ingaand vermogen van inverter n
w W w w
Omgevingstemperatuur Moduultemperatuur
°c °c
Va
Arrayspanning
Bp
Temperatuurco~ffici~nt voor vermogert voor p-Si
ECN-C--95-004
v
5
6 ECN-C--95-004
SAMENVATTING Dit rapport bevat de meetresul~aten verkregen gedurende de tweede helf~ van 1994 aan de PV-installatie op bet dak van de woning van de familie Kamp te Zandvoort. De installatie, met een ge’~nstalleerd vermogen van 3,3 kWp, is opgezet als demomtratieprojeet. De ingestraalde zonne-energie op de referentiecellen bedroeg birmen de meetperiode (26 weken) 511 kWh/m2; de opbrengst van de inverters aan netzijde 901 kWh. Gezien de omvang van de installatie is dlt een opbrengst ruim boven verwachting. Het reudement van de inverter is volgens verwachting. De betrouwbaarheid van de panelen, bekabeling e.d. is goed.
ECN-C--95-004
7
Analyse meetresukaten PV-installatie te Zandvoort 2~ semester 1994
8 ECN-C--95-004
1. INLEIDING Op 19 juli 1994 is het meetsysteem van de PV-installatie op het dak van de nul-eaergie-woning van de familie Kamp te Zandvoort in gebruik genomen. De PV-installatie (panelen 3295 Wp) is door R&S Renewable Energy Systems B.V. te Helmond in opdracht van bet ECN ge~nstalleerd. Het systeem bestaat uit 64 PV-panelen en twee netgekoppelde DC/AC-inverters. De opgewekte energie wordt aan het elektriciteitsnet geleverd; de PV-panelen zijn in twee afzondedijke groepen gekoppeld aan twee inverters. De PV-installatie wordt intensief bemeten waarbij de gegevens met een PC worden geregistreerd. De ori~ntatie van de dakvlakken is zuid (zie bijlage 2); de twee inverters zijn van het type Mastervolt Sunmaster 1800.
Her doel van her project is het opdoen van ervaring met een middelgrote PVinstallatie in de bebouwde omgeving.
ECN-C--95-004
9
Analyse meetresultaten PV-installatie te Zandvoort 2° semester 1994
10 ECN-C--95-004
2. TESTOPSTELLING Her meetobject bestaat uit 64 PV-panelen van 51,5 Wp en 2 DC/ACinverters; bet meetsysteem bestaat uit diverse meetwaarde-opnemers en een PC.
2.1 Kenmerken van het meetobject PANELEN Aamal strings Aantal panelen in serie Fabrikaat Type Ori~ntatie Helling t.o.v, horizon
2x8 4 R&S IRS 50 LA Zuid 45°
OMZETTERS Fabrikaat Type Wijze van omzetfing
2 x Mastervolt Sunmaster 1800 PWM
2.2 Gemeten grootheden De metingen aan de PV-installatie zijn uitgevoerd conform "Aanbevolen werkwijze voor de monitoring aan negekoppelde PV-systemen in Nederland" [1]. Daarmee voldoen de metingen ook aan de aanbevolen Europese richtlijnen [2]. De gemeten grootheden zijn vermeld in tabel 2.1. Tabel 2.1 Gemeten grootheden
Parameter
Symbool
Eenheid
Instraling, globaal (horizontaal)
Gg
W/m2 W/mz
Instraling (arrayvlak)
ECN-C--95-004
Instraling (arrayvlak)
~p2
W/m2
Omgevingstemperatuur in de schaduw
Ta
°c
Paneeltemperatuur
Tm
°C
Array-uitgangsspanning van array 1
Ual
V
Array-uitgangsspanning van array 2
Ua2
v
Subarray uitgangsstromen
Ia, (n-- 1..2)
A
Inverter-ingangsvermogen
Pa.(n=l..2)
W
Inverter-uitgatxgsvermogen
pfi. (n=l..2)
W
I1
Analyse meetresultaten PV-installatie te Zandvoort 2° semester 1994
In Zandvoort is gekozen voor een bemonsteringsfrequentie van circa 18 Hz waamit tien-minuten-gemiddelde waarden worden berekend. Deze tien-minuten-gemiddelde meetwaardert worden (samen met her maximum, minimum en standaarddeviatie binnen de meetperiode) regelmatig per modem verstuurd van de meet-PC in Zandvoort naar de verwerkings-PC in Petten. INSTRALINGSMETERS pyranometer Fabrikaat Type Plaats Helling t.o.v, horizon
Kipp & zonen CM21 Op meetmastje Horizontaal
Referentiemeter 1 Fabrikaat Type Plaats Ori~ntatie Hailing t.o.v horizon
R&S IRS Op meetmastje Zuid 45o
Referentiemeter 2 Fabrikaat Type Plaats Ori~ntatie Hailing t.o.v, horizon
R&S IRS Tussen de zormepanelen Zuid 30°
TEMPERATUURMETINGEN Paneeltemperatuur Type sensor Plaats
AD590 Getntegreerd in ~n paneel
Luchttemperatuur Fabrikaat opnemer Sensortype
Miery meteo LM35
12
ECN-C--95-004
Testopstelling
VERMOGENSMETING Plaats spanningsmeting In gelijkstroomverzamelkast Plaats stroornmet’mg In toevoerleid’mg van inverters Type stroomopnemer Stroomshunt Fabr. vermogensmeetwaardeomvormer ECN Plaats van spanningsmeting Plaats van stroommeting Type stroomopnemer Fabr. vermogensmeetwaar deomvormer
In netverdeelkast In toevoerleiding van inverters Stroomshunt ECN
Verbruikersziide Plaats van spanningsmeting In netverdeelkast Plaats van stroommeting In toevoerleiding van inverters Type stroomopnemer Stroomtransformator Fabr. vermogensmeetwaardeomvormer Faget DATA-ACQUISITIE-SYSTEEM Computer Merk data-acquisitiekaart Aantal bits
PC-XT Burr Brown 12
Software Scanfrequemie Middelingstijd van meetgegevens Kanaalinstellingen
ZIMPRO24 18 Hz 10 minuten Zie bijlage 1
2.3 Verwerking van de meetresultaten Voor de verwerking van de gemeten data wordt gebruik gemaakt van een personal computer. In de acquisitiefase van de metingen wordt 18 rnaal per seconde van ieder kanaal een meetwaarde vastgelegd (programma "ZIMPRO"); per 10 minutan houdt de PC her minimum en bet maximum bij van de meetwaarden en bepaalt bet gemiddelde en de standaarddeviatie. Twee~nzeventig (72) van deze 10 minuten meetwaarden worden als ~n blok van 12 uur opgeslagan op de harde schijf van de PC. Voor de verwerking van de meetwaarden kan dezelfde software gebruikt worden. Voor sommige afbeeldingen is her noodzakelijk de gegevens op te splitsen in klassen en het gemiddelde te bepalen binnen die klasse (zgn. binnen).
ECN-C--95-004
13
Analyse meelresultaten PV-installatie te Zandvoort 2~ semester 1994 Met behulp van de gemeten grootheden wordt een aantal afgeleide grootheden bepaald: P~amemr
Symbool
Eenheid
Instralingsenergiedichtheid (pyranometer)
kWh/m~
Instr alingsenergiedichtheid Epl (re ferentiecel 1)
kWh]m2
Inslralingsenergiedichtheid (referemiecel 2)
Ep2
kWh/m2
Gelijkstroomenergie
Ea
kWh
Energie geleverd aan hat net
Eft
kWh
Energie direct aan de belasting geleverd
Edl
kWh
De meetresultaten worden opgesplitst in een deal componentverificatie (oontrole op de juiste werking van de apparatuur) en een deal opbrengstmetingen (globale monitoring).
2.3.1 Beschikbaarheidsgraad van meetsysteem De computer wordt geacht per grootheid en per dag 144 meetgegevens op te slaan (24 uur * 6!uur). Door diverse oo~zaken zijn enkele meetgegevens niet besehikbaar. De beschikbaarheidsgraad is hat quotient van hat aantal beschikbare meetgegevens en hat maximale aanml te verwervan metingen.
2.3.2 Ingestraalde energie Er zijn drie instralingsgmotheden gemeten: - instraling verkregen met een horizontaal geplaatste pyranometer; - instraling verkregen met een referentiecel geplaatst op een meetmastje (onder een hoek van 45* met de horizon); instraling verkregen met een referenfiecel geplaatst midden in hat dakvlak (eveneens onder een hoek van 450 met de horizon). Geen van daze instralingsgrootheden kan eenvoudig met een andere in verband gebracht worden: de referentieeellen staan op verschillande lokaties (verschillende sehaduweffecten) en de referentiemeter en pyranometer hebben een verschillende openingshoek en ongelijke gevoeligheidsspectra. Voor elk van de drie instralingsgrootheden is de getotaliseerde energiedichtheid bepaald. Ontbrekende meetgegevens zijn verrekend door per maand te delen door de beschikbaarheidsgraad.
14
ECN-C--95-004
Testopstelliag Om inzieht te verkrijgen in de samenstelling van de ingestraalde zonneenergie is over de tweede helft van 1994 van de referentiemeter de instraling vetdeeld in ldassen; de duur (in uran) an de energ~ediehtheid (in kWh/m~) zijn vastg~steld. Ook bier zijrt ontbrekande meetgegevens ge~xtrapoleerd.
ECN-C--95-004
15
Analyse meetresultaten PV-installatie te Zandvoort 2e semester 1994
16
ECN-C--95-004
3. MEETRESULTATEN Tijdens de metingen zijn gean problemen met de panelen, inverters of bekabeling geconstateerd. Gerekend vanaf 1 juli 1994 in verband met de verslaggeving (de metingen gingert pas 18 juli van start) komert wij op ean beschlkbaar-heidsgraad van 86,1% van het meetsysteem. Voor de PV-installatie is per 10-minuten periode aan de hand van de instralingsdichtheid en de gemiddelde vermogans bepaald: - de instralingsenergie, gemeten met een referentiecel in bet dakvlak; - de energiestromen aan de ingangen van de inverters; - de energiestromen aan de uitgangen van de inverters. De per maand getotaliseerde waarden van de energiestromen zijn gegeven in de tabel A2.
3.1 Halfjaarlijkse instraling - In tabel A2 en figuur 1 is de verdeling van de iastralingsenergie op referenfiecel 2 (Ep2) afgebeeld. Opvallend is dat relatief reel energie aanwezig is in de instralingsklasse tussan 800 en 850 W/m2. - Volgens tabel A1 bedraagt de totale geregistreerde instralingsenergie (Ep2) 391 kWh/m2 bij een beschikbaarheidsgraad van her meetsysteem van 86,1%; gecorrigeerd per mannd naar een 100% beschikbaarheidsniveau is de waarde 511 kWlVm2. De globale instraling (Eg) gecorrigeerd naar een 100% besehikbaarheidsniveau voor de tweede helft van 1994 is in tabel A1 becijferd op 477 kWll/m2. Dit resultaat vergeleken met langdurig gemiddelde waarden voor hetzelfde jaargefijde voor andere kustgemeenten: De Kooy 477 kWh/m2, Naaldwijk 475 kWh/msen Oostvoorne 472 kWh/m~. Op grond van bovengenoemde getallan mag geconcludeerd worden dat het instralingspatroon niet noemanswaardig afwijkt van langdurig jaarlijks gemiddelde instraling.
3.2 Effect van schaduwwerldng op panelen De zonnepanelen zijn zodanig gelegert dat zowel referentiemeter 1 als de oostelijke panelen’s morgens beschaduwd worden door een boom. Dit is de reden dat de instralingsenergie op referentiemeter 1 (Epl) circa 2,6% Ideiner is dan die op referentiemeter 2 (Ep2).
3.3 Genormeerde opbrengst De genormeerde opbrengst is gedefinieerd als de jaarlijkse geleverde energie ann bet net gerelateerd aan bet piekWatt-vermogen van de panelen. Om daze genormeerde opbrengst te berekenen moet opbrengsten over een deel van het jaar daarom worden herleid naar een geschatte jaaropbrengst.
ECN-C--95-004
17
Analyse meetresultaten PV-installafie te Zandvoort 2~ semester 1994 De opbrengst van de gehele installafie aan netzijde bedraagt over de meetperiode (17 juli - 31 dec.) 901 kWh (tabel A1). Indien per maand de opbrengst gedeeld wordt door de beschikbaarheidsgraad ontstaat een geschatte halfjaarlijkse opbrengst van 1173 kwh. Statistisch [3] is vastgesteld dat in de tweede helft van her jaar 46% van de jaarlijkse zonne-instraling valt. Hierdoor kan de jaarlijkse opbrengst uitkomen op 100/46 * 1173 kWh = 2550 kWh uitkomen. Op jaarbasis betekent dit bij ean ge’installeerd vermogen van 3295 Wp een geschatte opbrengstfactor van 774 kWh/kWp.
3.4 Rendement inverter In figuur 4 is het rendement van de Mastervolt Sunmaster 1800 weergeg¢ven voor vermogens tot 1350 W. Her rendement van de inverter is volgens verwachting.
3.5 Gemiddeld inverterrendement Het gerniddelde rendement van een inverter is gedefirtieerd als het quotient van de uitgaande en ingaande energie van de inverter. In tabel A1 zijn de gemiddelde rendementen van de inverters 1 en 2 gegeven; zij flucmeren mssen 88,1 en 90,8% al naar gelang de maand. De verschillen in rendementen van de inverter kunnen verklaard worden doordat in de wintermaanden bij lage belastingen relatief meer verliezen opVeden.
3.6 Paneelrendementen In figuur 2 zijn de DC-rendementen opgetekend. De temperatuur gecorrigeerde waarden zljn maximaal 13%. Om her gemiddelde celrendement te berekenen gaan wij uit van het totale piekwatt-vermogen van de PV-installatie: 3295 Wp, ofwel 51,5 Wp/paneel gemiddeld. Gezien bet eeloppervlak van een paneel (0,36 m2) komt dit neer op ken gemiddeld paneelrendement van 14,3%. Het verschil in DC-rendement en paneelrendement laat zich verklaren door kabelverliezen en zgn. mismatchverliezen.
18
ECN-C--95-004
Meetresultaten
3.7 Energie per inverter Binnen de meetpefiode zijn de werkelijk getotaliseerde energie~n weergegeven. Inverter
Ea
Eft
1 [kWh]
2 [kWh]
Totaal
515
485
999
463
438
901
[kW~]
El
2577
Edl
365
De verschillen in opbrengst van de afzonderlijke systemen laat zich deels verklaren door de schaduwwerking, anderzijds kan het nominale vermogen van de panelen afwijken: de panelen op het dak zijn irnmers willekeurig gemonteerd en niet op elkaar afgestemd aan de hand vande karakteriseringsresultaten van de PV-panelen verkregen in de fabriek.
3.80pbrengstfactor De opbrangstfactor is een getal dat iets zegt over de benuttingsgraad over de ingestraalde energie. In tegenstelling tot de genormeerde opbrengst is de opbrangstfactor in geringe mate afhankelijk van her jaargetijde. In de zomer bij hoge instraling zijn de verliezen in het conversiesysteem procentueel lets ldeiner, zodat de opbrangsffactor in de zomer hoger uitvalt dan in de winter. De geregistreerde instralingsenergiedichtheid, gecorrigeerd voor temperatuur Ep~o bedraagt 378 kWh/m~, de totaal aan her net geleverde energie bedraagt 901 kWh. Her piekwatt-vermogen van de cenlrale is 3295 Wp. De opbrengstfactor komt hierrnee uit op 72,3 %.
3.9 Dekkingsgraad De dekkingsgraad geeft aan hoeveel procent van de verbruikte energie gedekt wordt door de PV-installade. De inverters leverden gezamenlijk 901 kwh, het verbruik was 2577 kwh (hierbij moet worden opgemerkt dat een aantal energiebesparende maatregelen nog niet is doorgevoerd). De deltkingsgraad bedraagt 35,0%.
3.10 Directe zonnefractie De directe zonnefractie is bet quotient van de direct benutte energie en de tot.ale energie die door de inverters geleverd wordt. De direct benutte energie (Edl) is 385 kwh, terwijl de inverters 901 kwh leverdan (Eft).
ECN-C--95-004
19
Analyse meelxesultaten PV-installatie te Zandvoort 2’ semester 1994 De directe zonnefractie bedraagt daardoor 42,7%, hetgeen aangeeft dat de PV-installatie de meeste energie levert op momenten dater weinig verbruik is.
3.11 Gedrag MPPT Alhoewel het moeilijk is om exact te bepalen of op ieder moment de maximale energie uit de panelen wordt getmald, is in figuur 5 duidelijk te zien dat de gelijkspanning zich aanpast aan de paneeltemperatuur. Naarmate de paneeltemperatuur stijgt, daalt de gelijkspanning als gevolg van de negatieve temperatuurco~ffici~nt voor de spannirtg~ In figuur 3 is te zijn dat bet gelijkstroomvermogen naganoeg evenredig is met de instraling. Deze evenredigheid en bet niveau van de spanning duiden op een goede werking van de MPPT.
3.12 Paneeltemperaturen In figuur 7 zijn afgebeeld de paneeltemperatuur, de omgevingstemperatuur en de temperatuurstijging van de panelen ten opziehte van de orngevingstemperatuur. Bij een gemiddelde omgevingstemperatuur van 25°C zijn paneeltemperaturen vastgesteld van 62"C, een temperatuurverhoging derhalve van 37 K. De gradient van de temperatuurstijging is circa 0,04 K/(W/m2), hetgeen een redelijke waarde is voor een dakge~’ntegreerd systeem.
20
ECN-C--95-01M
4. CONCLUSIES De werking van de inverters is correct, het rendement is volgens verwachting; De opbrengstfactor van de PV-installatie bedraagt 72,3%; deze tamelijk hoge waarde duidt op een goed werkend systeem; De genormeerde opbrengst bedraagt op jaarbasis naar vetwacht’mg 774 kWh/kWp; deze opbrengst is ruim voldoende. Samengevat: de PV-installatie werkt goed.
ECN-C--95-004
21
Analyse meetresultaten PV-installatie te Zandvoort 2° semester 1994
22
ECN-C--95-004
5. REFERENTIES [1] C.W.A. Baltus e.a. Aanbevolen werkwijze voor de monitoring van net8ekoppelde PVsystemen in Nederland ECN-R--94-028 Commission of the European Communities Ispra Guidelines for the Assessment of Photovoltaic Plants Analyses and Presentation of Monitoring Data Issue 4.1, June 1993 C,A. Velds Klimaat van Nederland 3 Zonnestraling in Nedefland Thieme-Baarn/KNMl
ECN-C--95-004
23
Analyse meetresultaten t~V-installatie te Zandvoort 2~ semester 1994
24 ECN-C--95-004
Tabel A1 Overzicht meetresultaten
25
26
OVERZICHT VAN MEETSIGNALEN EN -BEREIKEN
Bijlage 1
27
Bij lage 2
Ligging van de panelen t.o.v, de zon.
©©
28
Bijlage 3 PV-panelen op de woning van de familie Kamp.
29
Bijlage 4 Schematische opbouw van de PV-installatie
30
MONTHLY SOLAR IRRADIANCE Zandvoort, period 1 July - 31 Dec 1994
180 160’
Measured Recalculated
0 Fig.
Jul Aug Sep Okt Nov Dec Gemeten en geschatte instraling.
31
SOLAR IRRADIATION PARTITION Zandvoort, period 19 July - 31 Dec 1994
1000
25 125 225 325 425 525 625 725 825 925 1025 ha’adiation class Gp2[W/m2] Fig. Ib
Instralingsduur per klasse.
IRRADIATION ENERGY PER CLASS Zandvoort, period 19 July - 31 Dec 1994 100 :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
1c
25 125 225 325 425 525 625 725 825 925 1025 Irradiation class Gp2 [W/m2]
32
Fig. Ic Instralingsenergie per klasse.
DC-efficiency
20O
460
660 860 h’radiation Gp2 [W/m2]
lObO
1200
Gelijkstroomrendement
DC-efficiency (temp.corr.) 20 1614"
2 0
200
460 660 860 Irradiation Gp2 [W/m2]
10’00
1200
Fig. 2b Gelijkstroomrendement, gecorrigeerd voor temp.
33
Parray 3000
.
2500 ..................................................... : .........m-+ ...........
1500-
lOOO. 500" 0~ 200
400 600 800 Irradiation Gp2 [W/m2]
Fig. 3 Arrayvermogen (controle MPPT).
34
1000
1200
Rendement Sunmaster 1800 File: z113_123
100 90 80
~ 7o ;
20~ 10 ;
260 460
600 800 Pal [W]
1000
1200
1400
Fig. 4 Rendement van de inverter.
35
Spanningen en temperaturen File: z013_018
20
-- Udcl ......
40 Tijd [u] Udc2
60
~ Tpaneel -- Tomgeving
Fig. 5 Arrayspanningen en temp. (controle MPPT).
36
80
Vermogens File: z013_D18
0 4 g 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68
Tija [u] Fig. 6 Vermogens van subarrays.
37
Temperatures Tai~ and Tpanel
7060-
Zm
413-
DeltaT
10
-10 2’5 ’ 1~5’ 2~5’ 3~5 ’ 4~5’ 5~5 ’6~5’ 7~5’ 8½5 ’ 9~5 Irradiation class [W/m2] Fig. 7 Paneel- en luchttemperatuur.
38
