Rok / Year: 2013
Svazek / Volume: 15
Číslo / Number: 6
Vliv akumulace elektrické energie na provoz fotovoltaické elektrárny Effects of the Accumulation of Electricity on the Operation of Photovoltaic Power Plants Petr Moldřík1 , Daniel Minařík1 , Jan Vaculík2 , Zdeněk Hradílek1 {petr.moldrik, daniel.minarik, jan.vaculik, zdenek.hradilek}@vsb.cz 1
Centrum ENET (Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie), VŠB - Technická Univerzita Ostrava 2 Katedra elektroenergetiky, FEI, VŠB - Technická Univerzita Ostrava
Abstrakt: Článek se zabývá problematikou provozu vybrané fotovoltaické elektrárny, spojeného s negativními vlivy na elektrickou distribuční síť, do níž je tato elektrárna připojena. Je popsáno jedno z možných řešení této problematiky, spočívající v zrovnoměrnění diagramu výroby elektrárny aplikací vhodného akumulačního systému (akumulátoru). Optimální parametry akumulátoru jsou stanoveny na základě simulačního výpočtu, kdy cílem je co možná největší potlačení nežádoucích zpětných vlivů elektrárny na elektrickou síť.
Abstract: This paper deals with the problems associated with selected photovoltaic power plant operations adversely affecting the electrical distribution network to which they are connected. It describes one of the possible solutions to this problem, which lies in balancing a plant’s production diagram using a suitable storage system (battery). Optimal battery parameters are determined using a simulation calculation aimed at finding the greatest possible suppression of undesirable reverse effects on the electrical network.
VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013
Vliv akumulace elektrické energie na provoz fotovoltaické elektrárny Petr Moldřík1, Daniel Minařík1, Jan Vaculík2, Zdeněk Hradílek1 1
Centrum ENET (Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie), VŠB - Technická Univerzita Ostrava Email: {petr.moldrik, daniel.minarik, zdenek.hradilek}@vsb.cz Katedra elektroenergetiky, FEI, VŠB - Technická Univerzita Ostrava Email:
[email protected]
2
Abstrakt – Článek se zabývá problematikou provozu vybrané fotovoltaické elektrárny, spojeného s negativními vlivy na elektrickou distribuční síť, do níž je tato elektrárna připojena. Je popsáno jedno z možných řešení této problematiky, spočívající v zrovnoměrnění diagramu výroby elektrárny aplikací vhodného akumulačního systému (akumulátoru). Optimální parametry akumulátoru jsou stanoveny na základě simulačního výpočtu, kdy cílem je co možná největší potlačení nežádoucích zpětných vlivů elektrárny na elektrickou síť.
1 Úvod
Obrázek 1: Průměrný dodávaný výkon
Jedním z nejdostupnějších obnovitelných zdrojů energie (OZE) je energie slunečního záření, jejíž potenciál je obrovský a technicky snadno využitelný. V podmínkách České republiky se však jedná o zdroj značně nestabilní, závislý na aktuálních meteorologických podmínkách v dané lokalitě. Fotovoltaické elektrárny (FVE), jež tuto energii přeměňují přímo na energii elektrickou, zažily v nedávné době velmi dramatický růst. Skutečnost, že se jedná o elektrárny s časově proměnnou a nespolehlivou dodávkou, se projevuje mimo jiné nežádoucími zpětnými vlivy na elektrickou síť, do níž je výkon FVE vyveden. Jednou z možností, jak tyto vlivy zmírnit, je uskladnění (akumulace) jimi vyráběné elektrické energie v době jejího nadbytku a dodávka do sítě v době jejího nedostatku. Akumulačních systémů, lišících se použitou technologií, se pro tento účel nabízí celá řada.
2 Zpětné vlivy FVE na elektrickou síť Za účelem posouzení zpětných vlivů vybrané FVE na elektrickou síť bylo využito cca měsíční měření elektrických veličin na předávacím místě mezi FVE a elektrickou distribuční sítí. Na základě tohoto měření byla vyhodnocena kvalita napětí dle příslušné normy [1], kdy pozornost byla věnována především velikosti napětí, rychlým změnám napětí, harmonickému zkreslení, míře vjemu flikru a napěťové nesymetrii. Vybraná FVE o celkovém instalovaném výkonu 40 kWp se sestávala z fotovoltaických panelů typu monokrystal. Do sítě byla připojena na napěťové hladině 400 V, přičemž se jednalo o lokalitu malé obce, napájené z distribučního transformátoru 22/0.4 kV (250 MVA) na jejím okraji. Z naměřených hodnot byl vypočítán průměrný denní výkon, dodávaný elektrárnou do sítě (viz obrázek 1). Maximální dodávaný výkon byl 33.8 kW. Obrázek 2 ukazuje množství elektrické energie, vyrobené elektrárnou v jednotlivých dnech sledovaného období.
Obrázek 2: Vyrobená elektrická energie pro jednotlivé dny sledovaného období 2.1 Odchylky napětí Za běžných provozních podmínek musí být během každého dne 95 % průměrných efektivních hodnot napájecího napětí pro měřicí intervaly 10 minut v rozsahu ±10 %. [1] Pro zvolené období jsou jednotlivé hodnoty napětí uvedeny v tabulce 1. Jak je vidět, mezní hodnoty pro fázové napětí 230 V (max. 253 V a min. 207 V) překročeny nebyly.
386
Tabulka 1: Naměřené hodnoty napětí U (100 %) Průměr Maximum Minimum U (95 %) Průměr Maximum Minimum
fáze L1 235.0 251.8 221.9 fáze L1 234.3 247.2 222.1
fáze L2 231.6 248.6 214.1 fáze L2 231.2 244.0 216.1
fáze L3 234.2 246.5 224.5 fáze L3 233.7 241.4 224.5
VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013 2.2 Harmonické zkreslení napětí
2.5 Nesymetrie napětí
V tabulce 2 jsou uvedeny jednotlivé hodnoty celkového harmonického zkreslení napětí (THDU) jednotlivých fází. Limitní hodnotou je zde 8 % a jak je vidět, k jejímu překročení v žádné fázi nedošlo.
Limit pro nesymetrii napětí je 2 %. [1] Ve sledovaném období se nesymetrie pohybovala v intervalu 0.10 - 1.13 % pro 95 % interval změřených hodnot. Maximální hodnota nesymetrie dosáhla 1.7 %. Z hlediska nesymetrie napětí bylo tedy vše v pořádku.
Tabulka 2: Celkové harmonické zkreslení napětí THDU (100 %) fáze L1 Průměr 1.18 Maximum 1.99 Minimum 0.76 THDU (95 %) fáze L1 Průměr 1.18 Maximum 1.61 Minimum 0.75
fáze L2 1.65 2.64 1.09 fáze L2 1.61 2.23 1.09
3 Návrh akumulátoru
fáze L3 1.38 2.11 0.85 fáze L3 1.35 1.82 0.84
Nežádoucí zpětné vlivy elektrárny na distribuční síť, které jsou popsány v předchozí kapitole, je možné omezit či zcela odstranit připojením vhodného akumulačního systému (akumulátoru). Blokové schéma propojení akumulátoru s FVE a elektrickou sítí je uvedeno na obrázku 3.
2.3 Míra dlouhodobého vjemu flikru Míra dlouhodobého vjemu flikru (Plt) musí být 95 % času (v libovolném týdenním období) menší nebo rovna „1“ [1]. Z hodnot v tabulce 3 je patrné, že limitní hodnota je překračována trvale ve všech třech fázích. Flikr je jev, způsobený kolísáním napětí, který se projevuje změnou zrakového vnímání u člověka. Tyto rušivé změny jsou totiž vyvolány časovými změnami světelného toku, tj. blikáním svítidel. Tabulka 3: Míra dlouhodobého vjemu flikru Plt (100 %) Průměr Maximum Minimum Plt (95 %) Průměr Maximum Minimum
fáze L1 0.94 2.50 0.37 fáze L1 0.89 2.07 0.38
fáze L2 0.90 2.91 0.19 fáze L2 0.82 2.42 0.19
Cílem této akumulace je zrovnoměrnění dodávky výkonu do sítě, kdy dochází k jeho omezení na určité definované hodnotě. Elektrická energie vyrobená nad stanovený limit je dočasně uskladněna v akumulátoru. V době, kdy se výkon zvolené FVE dostává pod nastavenou hodnotu, je vzniklý rozdíl dotován z akumulátoru. Výkon dodávaný do sítě je tak udržován na konstatní hodnotě, a to až do okamžiku vyčerpání naakumulované energie. Poté je akumulátor od sítě odpojen. Akumulátor dokáže eliminovat rychlé nárůsty a propady výkonu a s tím související rychlé změny napětí. Vlivem dodávky konstantního výkonu do sítě je eliminován rovněž flikr.
fáze L3 0.91 4.94 0.23 fáze L3 0.81 2.31 0.22
2.4 Rychlé změny napětí Podpětím je definován pokles jmenovitého napětí pod 90 %. Přepětím pak vzrůst jmenovitého napětí nad 110 %. Jak je patrné z tabulky 4, během měření na FVE došlo k celkem 336 přepětím s celkovou dobou trvání 2.187 h (02:11:14). Tabulka 4: Rychlé změny napětí Statistické údaje Počet poklesů (-) Počet přepětí (-) Počet přerušení (-) Celková doba poklesů (h) Celková doba přepětí (h) Celková doba přerušení (h)
fáze L1 0 336 0 0 2.187 0
fáze L2 0 0 0 0 0 0
fáze L3 0 0 0 0 0 0
Obrázek 3: Blokové schéma FVE s akumulací
3.1 Stanovení energie akumulátoru dle ideálního průběhu výkonu FVE Pod ideálním průběhem si lze představit průběh výkonu za absolutně slunečného dne bez vysoké oblačnosti a bez jakýchkoliv propadů či nárůstů výkonu. Takovýto ideální průběh je vidět na obrázku 4 pod označením „Dodávaný výkon bez akumulace“. Na obrázku 4 je dále patrné nastavení limitního výkonu (dodávaného do sítě) na hodnotě 20 kW. Této hodnoty je dosaženo v čase 9:00, kdy se začíná vlivem nadprodukce elektrické energie z FVE nabíjet akumulátor. V době od 16:30 již FVE není schopna do sítě dodat limitní výkon a pro udržení této hodnoty je využit akumulátor. Dodávka elektrické energie v tomto režimu trvá do 20:45, kdy dojde vlivem vybití akumulátoru pod nastavenou úroveň k jeho odpojení od sítě.
387
VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013
Obrázek 4: Simulace dodávaného výkonu (FVE s akumulátorem) pro ideální slunečný den Na základě simulačního výpočtu byly stanoveny vlastnosti akumulátoru pro popsaný provozní režim FVE (viz tabulka 5). Maximální využitá kapacita akumulátoru byla stanovena na 60.2 kWh. Tuto kapacitu je však potřeba dimenzovat o 15 % vyšší z hlediska hloubky vybití a také o 20 % vyšší z hlediska snížení kapacity vlivem stárnutí a cyklování [2]. Při respektování 65 % úrovně vybití je výsledná hodnota kapacity akumulátoru 92.6 kWh. Parametr „Max. dP15min“ definuje změnu výkonu vzhledem k jmenovitému výkonu během 15 minut. Tabulka 5: Vlastnosti akumulátoru [3] Energie akumulátoru (kWh) 60.2
Max. výkon Max. výkon nabíjení vybíjení (kW) (kW) 11.8 -19.4
Obrázek 5: Simulace dodávaného výkonu (FVE s akumulátorem) pro slunečný den s mírnou oblačností (s ohledem na hodnoty v tabulce 6 a s ohledem na maximální využitou kapacitu akumulátoru: 60.2 kWh, stanovenou v předchozí kapitole). Z pohledu energie akumulátoru odpovídá optimální limitní úrovni hodnota 56.2 kWh. Parametr „Max. dP15min“ bez akumulace byl vyčíslen na 64.7 % a včetně akumulace na 45.2 % (viz tabulka 6). Z obrázku 5 je patrné, že při sníženém limitním dodávaném výkonu (18 kW) se mírně prodloužila doba dodávky elektrické energie do sítě (do 20:55). Zároveň je vidět, že jsou eliminovány takřka všechny propady výkonu FVE. Tabulka 6: Vlastnosti akumulátoru pro různé limitní dodávané výkony (29.5.2012)
Max. dP15min (%) 50.1
Limitní Energie Max. Max. Max. dodávaný akumulá- výkon výkon dP15min s výkon toru nabíjení vybíjení akumulací (kW) (kWh) (kW) (kW) (%) 30.0 1.0 3.0 -22.7 56.0 28.0 2.6 5.2 -20.7 37.7 26.0 9.0 7.2 -18.7 36.9 24.0 18.9 9.2 -16.7 44.1 22.0 29.7 11.2 -18.9 48.9 20.0 42.3 13.2 -18.8 47.6 18.0 56.2 15.2 -18.1 45.2 16.0 70.5 17.2 -16.1 40.2 14.0 85.8 19.2 -14.1 18.4 12.0 103.4 21.2 -12.1 13.4 10.0 121.9 23.2 -10.1 9.7
3.2 Výkon a energie akumulátoru v běžném provozu Obecné stanovení kapacity akumulátoru záleží na zvolené limitní úrovni dodávaného výkonu. Tato úroveň je závislá na charakteru tohoto výkonu, přičemž v úvahu připadají čtyři možnosti: Absolutně slunečný den: Ideální stav, kdy takřka nedochází k výkyvům výkonu (popsáno v předchozí kapitole). Dodaná energie do sítě pro zvolené období je více než 250 kWh. Slunečný den s mírnou oblačností: Dochází k občasnému zastínění FV panelů a následným propadům dodávaného výkonu. Tento den je charakterizován více než 160 kWh dodané energie. Oblačný den s velkou oblačností: Charakter dodávaného výkonu je převážně podprůměrný a dochází k častým nárůstům výkonu. Dodaná energie je v rozmezí 100 - 160 kWh. Absolutně zatažený den: Dodaná energie nepřesahuje 100 kWh. Nedochází zde k nárůstu výkonu nad 50 % jmenovité hodnoty FVE. Akumulace zde nehraje podstatnou roli, nicméně neefektivní energii lze akumulovat a dodat v požadovaném okamžiku. 3.2.1 Slunečný den s mírnou oblačností
3.2.2 Oblačný den s velkou oblačností Pro tento simulační výpočet byl zvolen den 19.6.2012. Optimální limitní úroveň dodávaného výkonu zde byla stanovena na 14 kW. Z pohledu energie akumulátoru odpovídá optimální limitní úrovni hodnota 17.2 kWh. Parametr „Max. dP15min“ bez akumulace byl vyčíslen na 33.0 % a včetně akumulace na 27.5 % (viz tabulka 7). Z obrázku 6 je patrné, že akumulace v tomto případě nehraje tak zásadní roli jako v předešlých případech.
Pro simulační výpočet byl zvolen den 29.5.2012. Optimální limitní úroveň dodávaného výkonu tu byla stanovena na 18 kW
388
VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013 Tabulka 8: Parametry akumulátorů Li-ion [4] (%) Účinnost (-) Počet cyklů (let) Životnost (s) Reakční doba (%) Samovybíjení (USD/kWh) Cena (W/kg) Měrný výkon (Wh/kg) Měrná energie Obrázek 6: Simulace dodávaného výkonu (FVE s akumulátorem) pro oblačný den s velkou oblačností Tabulka 7: Vlastnosti akumulátoru pro různé limitní dodávané výkony (19.6.2012) Limitní Energie Max. Max. Max. dodávaný akumulá- výkon výkon dP15min s výkon toru nabíjení vybíjení akumulací (kW) (kWh) (kW) (kW) (%) 30.0 0.0 0.0 0.0 33.2 28.0 0.0 1.1 -0.4 30.3 26.0 0.1 3.1 -1.5 26.5 24.0 0.4 5.1 -6.1 24.0 22.0 1.2 7.1 -6.1 20.9 20.0 2.4 9.1 -6.0 24.4 18.0 5.4 11.1 -11.9 29.7 16.0 11.0 13.1 -9.9 12.7 14.0 17.2 15.1 -9.0 27.5 12.0 24.6 17.1 -11.2 29.1 10.0 35.1 19.1 -10.0 25.1
95 8000 20 0.05 5 550 280 130
Li-ion je obecně velmi rozšířený a oblíbený typ akumulátoru, schopný uskladnit jednotky Wh až stovky kWh elektrické energie. Li-ion pracuje na principu přenosu lithiového iontu Li+ prostřednictvím bezvodého elektrolytu tvořeného převážně lithiovou solí rozpuštěnou v organickém rozpouštědle (viz obrázek 7). Při nabíjení je iont Li+ přenášen z kladné elektrody na zápornou (při vybíjení inverzně). Na anodě i katodě jsou použity interakční sloučeniny schopné lithiový iont přijmout. Rovnice popisující elektrochemický proces: (1) - celková, (2) záporná elektroda, (3) - kladná elektroda.. Tento děj je odlišný od jiných akumulátorů, kde elektrolyt hraje hlavní roli při tvorbě chemické vazby. U akumulátoru Li-ion je elektrolyt pouze nositelem iontů.
LiCoO2 C LixC Li1 xCoO2
xLi xe 6C Lix C6 LiCoO2 Li1 x CoO2 xLi xe
(1) (2) (3)
3.4 Parametry vybraného akumulátoru
3.2.3 Shrnutí simulačních výpočtů Z hlediska provedených simulačních výpočtů a následné volby typu akumulátoru (Li-ion) se ukazuje jako žádoucí volit pro provoz akumulačního systému s FVE poněkud nižší úroveň limitního výkonu. Důvodem je to, že akumulátor typu Li-ion, ač disponuje poměrně vysokým počtem pracovních cyklů a odolností vůči hlubokému vybíjení, ztrácí svou kapacitu, jestliže jeho cyklování probíhá na pomezí vybití. K tomuto by docházelo v případě, pokud by byla úroveň limitního výkonu zvolena příliš vysoko a průběh výkonu FVE by se nacházel po delší čas pod touto úrovní.
Na trhu jsou nabízena různá provedení staničních a trakčních akumulátorů založených na technologii Li-ion. Nejčastěji se vyskytuje varianta LiFeYPO4, která je finančně nejdostupnější. Pro spojení s danou FVE byla proto zvolena varianta Li-ion akumulátoru. V tabulce 9 jsou uvedeny akumulátory LiFeYPO4 o různých parametrech, dostupné na trhu.
3.3 Typ akumulátoru Při volbě typu akumulátoru, vhodného pro spojení s FVE, je nutné nejvíce zohlednit jeho účinnost a počet pracovních cyklů. Pro efektivní využití solární energie nelze totiž z důvodu vyšší cykličnosti uvažovat s velkými ztrátami. Z uvedeného důvodu byl jako nejvhodnější typ akumulátoru stanoven typ Li-ion, který dominuje zejména díky vysoké účinnosti a životnosti (viz tabulka 8).
389
Obrázek 7: Princip Li-ion (LiNiO2) článku
VOL.15, NO.6, DECEMBER 2013 Tabulka 9: Akumulátory LiFeYPO4 [5] Parametr Napětí (V) Počet článků (-) Kapacita (Ah) Energie (kWh) Cena (Kč)
12 4 200 2.5 25 750
Varianta LiFeYPO4 24 24 48 8 8 16 200 400 200 5 10 10 62 135 119 790 121 200
Životnost LiFeYPO4 akumulátoru je až 8000 cyklů, což odpovídá při jednom cyklu za den době životnosti cca 22 let (při poklesu kapacity na 80 %). Pro akumulační systém dané FVE byla vybrána tato varianta LiFeYPO4 akumulátoru: 24 V, 8 článků, 200 Ah, 5 kWh, 62 135 Kč. Na základě požadované energie akumulačního systému (92.6 kWh) a požadovaného výkonu dodávaného elektrárnou do sítě (20 kW) byl stanoven výsledný akumulační systém složený z 19 ks akumulátorů LiFeYPO4 (viz tabulka 10). Tabulka 10: Výsledné parametry akumulačního systému Jmenovité napětí (V) 456 Jmenovitá kapacita (Ah) 200 Energie (kWh) 95 Optimální vybíjecí proud (A) 100 (0.5 C) Maximální vybíjecí proud (A) 2000 (10 C) Optimální výkon (kW) 47.5 Maximální výkon (kW) 190 Cena (Kč) 1 180 000
tou definovanou mez, kdy je nadprodukce elektrické energie uskladněna v akumulátoru. Poté, kdy výkon FVE trvale poklesne pod nastavenou úroveň, je vzniklý rozdíl dotován z akumulátoru. Výkon dodávaný do sítě je tak udržován na konstatní hodnotě, a to až do okamžiku vyčerpání naakumulované energie. Při návrhu akumulačního systému je proto důležité nejprve stanovit optimální limitní úroveň výkonu, dodávaného elektrárnou do sítě. Na základě toho je pak možné definovat konkrétní parametry akumulátoru. Pro spojení s FVE se ukazuje jako velmi vhodný akumulátor založený na technologii Li-ion, např. typ LiFeYPO4. Hlavní výhodou tohoto typu je vysoká účinnost přesahující 95 %, poměrně velký počet pracovních cyklů (až 8000) a v neposlední řadě dlouhá životnost (cca 20 let).
Poděkování Tento článek vznikl za podpory projektu ENET: CZ.1.05/2.1.00/03.0069 (Energetické jednotky pro využití netradičních zdrojů energie), projektu GAČR 102/09/1842 a projektu SGS SP2013/137: VŠB - TU Ostrava.
Literatura [1] ČSN EN 50160-ed.3 (330122): Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejných distribučních sítí. Praha: Český normalizační institut, 2011. [2] CENEK, Miroslav. Akumulátory od principu k praxi. Praha: FCC Public, 2003, 248 s. ISBN 80-865-3403-0.
4 Závěr
[3] MALYRZ, Lukáš. Současné možnosti akumulace energie. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2012, Diplomová práce.
Provoz fotovoltaických elektráren je zpravidla spojen s negativními zpětnými vlivy na elektrickou distribuční síť, do které jsou připojeny. Z hlediska nevyhovujících kvalitativních parametrů dodávané elektrické energie se zde uplatňují zejména rychlé změny napětí a míra dlouhodobého vjemu flikru (Plt). Zmíněné vlivy je možné potlačit zrovnoměrněním denního diagramu výroby FVE aplikací vhodného akumulačního systému. Dochází tak k omezení dodávaného výkonu nad urči-
[4] LIU, Ru-Shi. Electrochemical technologies for energy storage and conversion. Weinheim, Germany: WileyVCH, 2012, xxiv, 791 p. ISBN 978-3-527-32869-7. [5] KOLAŘÍK, Martin. Trakční baterie. Dostupný z URL:
390
