energie

Commission of the European Communities Commissie van de Europese Gemeenschappen

energy/energie INTERCONNECTION OF 5 KWP PHOTOVOLTAIC SOLAR PANELS WITH THE ELECTRIC LOW VOLTAGE UTILITY GRID AANSLUITING VAN FOTOVOLTAISCHE ZONNEPANELEN VAN 5 KWP OP HET ELECTRISCHE-LAAGSPANNINGSGEBRUIKERSNET DEMONSTRATION PROJECT DEMONSTRATIE PROJEKT

Report/Rapport EUR 10187 EN/NL Blow-up from microfiche original

Commission of the European Communities Commissie van de Europese Gemeenschappen

energy/energie INTERCONNECTION OF 5 KWP PHOTOVOLTAIC SOLAR PANELS WITH THE ELECTRIC LOW VOLTAGE UTILITY GRID AANSLUITING VAN FOTOVOLTAISCHE ZONNEPANELEN VAN 5 KWP OP HET ELECTRISCHE-LAAGSPANNINGSGEBRUIKERSNET DEMONSTRATION PROJECT DEMONSTRATIE PROJEKT

D. BAERT, H. SIMOENS Rijksuniversiteit Gent Laboratorium voor Elektronica en Meettechniek Sint Pietersnieuwstraat, 25 B-9000 Gent

Contract N°. SE-146-81-B

Directorate-General "Energy" Directoraat-Generaal "Energie"

1985

EUR 10187 EN/NL

Published by the COMMISSION OF THE EUROPEAN COMMUNITIES Directorate-General Information Market and Innovation Bâtiment Jean Monnet LUXEMBOURG

LEGAL NOTICE Neither the Commission of the European Communities norany person acting on behalf of the Commission is responsible for the use which might be made of the following information

ECSC—EEG—EAEC Brussels - Luxembourg, 1986

III

INTERCONNECTION OF 5 KWP PHOTOVOLTAIC SOLAR PANELS WITH THE ELECTRIC LOW VOLTAGE UTILITY GRID

ABSTRACT

The report describes a 5 kW instaLlation consisting of a photovoltaic generator, a battery and a dc-ac inverter connected to the utility grid and suited for residential applications. In the first part the technical details of the installation are given : the circuits of two types of inverters, general wiring diagram, protections, ... The second part concerns the measurement system that will allow to collect data of irradiation, system efficiency,... In the last part the commercial viability of the installation isconsidered. This study has been performed by means of computer simulations that use Belgian meteorological data. It is found that the prices of the photovoltaic cells are the bottleneck for future applications. This project has been realized in the frame work of the Demonstration Programme in the Solar Energy Field carried out by the Commission of the European Communities. It has been funded by 33»8% of its total cost.

VII

Contents Page \

1. Purpose, originality and location of the project 1.1. Purpose

j

1.2. Originality

1

1.3. Location

2

2. Description of the installation

3

2.1. The photovoltaic generator (p.v.g.)

η

2.2. Batteries

η

2.3. The dc-ac inverter : phase-controlled rectifier

g

2.3.1. Inductor 2.3.2. Protective elements 2.3.3. Heat sinks

9 10 \\

2.3.4. Pulse-generator (PG)

12

2.3.5. Phase-Control Circuit (PCC)

13

2.3.6. The power-tracking module (PTM)

14

2.3.7. Measurement transducers

\η

2.3.8. Properties of the PCR inverter

19

2.4. The pulse-width modulation inverter (PWM)

22

2.4.1. Power circuit

23

2.4.2. Control loop

25

2.4.3. Low-pass filter

25

2.4.4. Inversion bridge

25

2.4.5. Results

26

2.5. Consumer

28

2.6. Interconnection of parts

28

2.7. Measurement and control system

29

2.7.1. Signal

conditioning

30

2.7.2. Isolation amplifier

30

2.7.3. Voltage-to-current transducer

31

2.7.4. Voltage-to-current

32

2.7.5. Measurement of the ac-power

32

2.7.6. Control circuits

32

2.7.7. Contactors (Cj.-C,)

33

VIII

2.7.8. Inverter control printed circuit board

34

2.7.9. Control computer

35

2.7.9.1. Review of software tasks

36

2.7.9.2. Clock and synchronization of measurements

36

2.7.9.3. Processing of the data in Assembler routines

37

2.7.9.4. Overall organization with basic

3g

2.7.9.5. System supervision

39

2.7.10. Future extensions of the system 3. Execution of the project

39 41

3.1. Organization of the project management

41

3.2. Contracts and choice of suppliers

4I

3.3. Contracts with third parties

42

3.4. Construction of the installation

42

3.5. Problems that occurred

42

4. Start of operation

43

4.1. Initial problems

43

4.2. Array performance

43

5. Operational results and measurements

46

5.1. Results for permanent and interrupted MPP mode

47

5.2. Results for the Load Matching Mode

49

5.3. Results with the PWM inverter

52

6. Work carried out during reporting period

55

6.1. First, phase ( 1. 12 . 81 to 31.7 . 82 ) 6.2. Second phase ( 1.8.82 ta 31.3.83 )

55 56

6.3. Third phase (1.4.83 to 30.11.83)

57

6.4. Personnel cast

62

6.5. Changes or modifications from the original project

64

7. Costs of the project 7.1. Investment Costs

66 66

7.1.1. First phase (1.12.81/31.8.82)

66

7.1.2. Second phase (1.9.82/31.3.83)

67

IX

7.1.3. Third phase (1.4.83/31.11.83)

68

7.1.4. Total salary cost for 3 phases

69

7.2. Materials

70

7.3. Total cost of project

71

8. Assessment of commercial viability 8.1. Calculation of commercial viability

73 79

8.1.1. Investment

79

8.1.2. Production of electricity

79

8.1.3. Investment costs for write-off time of 20 years 8.2. Prospects for the future

81 82

8.2.1. Modeling

82

8.2.2. Results

86

8.2.3. Summary

89

9. Prospects

91

9.1. Problems to solve, improvements

91

9.2. Impediments for industrial development

93

9.3. Market potential and measurements to introduce the penetration on the market 9.4. Opportunity for employment Report in Dutch

93 94 157

1. Purpose, o r i g i n a l i t y and l o c a t i o n of the p r o j e c t . The p r o j e c t concerns the design, the construction and tion

of a 5-kW peak p h o t o v o l t a i c panel connected

grid

of

the

opera-

low-voltage

the " E l e k t r i c i t e i t s , Gas en Waterbedrijf" (EGW) of Gent.

installation is EGW.

to

the

The

located

The

at the c e n t r a l administration building of the

interconnection

with

the grid i s performed by means

phase-controlled r e c t i f i e r (PCR) and

a

of

a

pulse-width modulated i n v e r t e r (PWM)

This project has been realized in the frame work of the Demonstration Programme i n the Solar Energy Field carried out by the Commission of the European Comuni t i es. I t has been funded by 33,8 % of i t s total cost. 1.1. Purpose.

the

The installation will be used to examínate the technical

aspects,

technical operating conditions and

for the

operation in

cost

estimates

parallel of the low voltage power grid and a photovoltaic

panel. The dimensions consumption

the

of

a

of the installation correspond with the average

medium

serves therefore as

a

household (+/- 500 Watt). The

model

installation

for a house with the roof covered with a

panel and connected to the utility grid. The energy of the photovoltaic cells generated is sent into the grid on sunny days while the same grid is used as a backup system certain amount of storage

during less favorable periods. The use of a batteries

permits

grid during the hours of peak consumption

to

and

send energy into the

in this way the fluctu-

ating energy production of the grid can be flattened. This application of photovoltaic energy is mits a reduction of the

import

of

the only one that per-

primary energy in countries with a

high population density. Indeed, in this way the otherwise useless roof area of houses and villas can be used

instead of spoiling agricultural

soils, other applications such as the powering of

emergency

transmit-

ters etc... are functionally but not economically important.

1.2. Originality. The few existing countries or in the

grid-connected systems can be found in southern U.S.A.; in

Germany

there is also an experimental

setup. The experience gained with such system to Belgium (Climate, industry, population

in

countries comparable

density)

is almost

nihil.

Therefore

a measurement system is coupled with

the

installation

in

order to evaluate it within a few years. Besides an economic evaluation the aspects of maintenance and life time of the components will also be studied. This kind of application is

unique

for

Belgium.

The larger

grid-connected installation that has been built-up in Chevetogne is not meant for residential applications. 1.3. Location. The photovoltaic cells are located administration building of the E.G.W.

on the terrace of the central at

Gent

(fig. 1.1, photo 1.1),

Graaf van Vlaanderenplein 37. This location was preferred because it is touristically attractive and besides it has the

advantage

to be near

the university laboratories (R.U.G.). Moreover, the practical behaviour of the installation environment. and

soot

be

strongly

influenced

by

the municipal

As an example : we expect that the effect of airpollution

deposit

(p.v.g. ) is

will

will be

located

too

noticeable. The photovoltaic low

in

comparison

with

the

generator surrounding

buildings but this is partially compensated by the large terrace area. The location was also p.v.g. drawn in fig.

influenced l.l.

by the townbuilding regulations. The

consists

building authorities were of the

of four rows of panels. The town-

opinion

that

this situation was in­

tolerable since some historical buildings were partially screened viewed parts

when

from the pare. Therefore the generator was finally split in two placed

one after the other. The partial shadowing of the

north

directed panel by the south directed panel during the winter months has only a very little influence on the total energy production over a year ( 5 % at

maximum). The final setup can be seen in photo 1.1. Because we

could not find

a well-ventilated battery room we placed the batteries

under the p.v.g.

frame. The

batteries were mounted in pvc boxes that

were placed behind the oblique side of the panels (see photo/.2). The inverters and the measurement system are located

in a

small

room (2,5 m χ 4 m) of the EGW building. This control room is relatively far

away from the p.v.g. and therefore the cables connecting both

about 110 meter long.

are

2. Description of the installation. Fig. 2.1 gives a simplified block diagram of the installation. The system consists of a 5 kW

peak

photovoltaic

generator (1), a storage

battery (2), a 5 kW grid-connected dc-ac inverter (3) load (4). This load can be simulated by

software

and an imaginary

since

consumer pattern has to be choosen. This means that the

in any way a

power

flowing

into the grid can at each moment be calculated from the measured inverter output and the load pattern. Before entering in details we will enlighten known

the choice of the invertertype. A priori about

line-connected inverters in

Several circuits can

there

conjunction

is

with

not a

much

p.v.g.

be used for this job s.a. a thyristor inverter, a

pulse-width modulated (PWM) transistor inverter, a dc-ac machine combination. The machine combinations tions arising with

mechanical

are excluded because of the complicanoise,

low efficiency and maintenance.

There are however possibilities for machine inverters for large installations in which consumers of mechanical energy are already existing.

Of course we also investigated range of grid-connected inverters.

what At

industry had to offer in the

the

start

of the project this

turned out to be a problem : no grid-connected inverters could be found to suit the purpose. The only available grid-connected inverter was offered by AEROSPATIALE (France) 340 to 400 V with an

but it operated

efficiency

higher

than

at an input voltage of 90 %. However, from the

start wc wanted a system with a 48 V supply voltage.

In short we will mention the reasons why we have choosen for a 48V installation although in almost all the existing systems a much

higher

voltage is used. 1. Using 400 v is very easy because it permits to couple directly safety

to

an

the grid without needing a transformer.

reasons,

this

is completely unallowable in

application. Indeed, in

such

inverter

However, a

for

residential

an installation the batteries and the

p.v.g. are also directly connected to the grid and this becomes very dangerous if leakage paths occur e.g. leakage.

This

situation

can

of

due to the rain or to battery

course

be

avoided by using

an

isolation transformer but this means

that we

as well can choose

other dc voltages without increasing the costs. 2. Some studies performed during the U.S. photovoltaic program - 1976 indicate that the reliability of the p.v.g. becomes voltage is raised. Apparently an operating

voltage

lower when the of

120..150 V

seems to be the maximum voltage allowable. 3. Switching material for 48 V is relatively cheap and easy to find in industry. 4.

For

the same energy content it appears that the batteries

cheaper

when

their

become

capacity increases. Thus, a 48 V battery of 25

kWh is cheaper than a 96 V battery. 5. There is less danger of fire at

low

dc voltages

because arcs are

more difficult to be created. Another constraint is the

fact

that we want

the

inverter

to

operate in two modes : directly connected to the panel or to the battery.

In the former case the input voltage can be as high as

MPP ) and

67 V

(at

in the latter case as low as 38 V (batteries discharged) and

this falls beyond the capability of commercial inverters. In spite of the

low

operating voltage the efficiency of the RUG-

EGW installation is high because we have paid a lot of attention to the efficiency problem during it was decided

to

the design phase of the inverters. Therefore

develop a dedicated inverter at the laboratory. The

first type we constructed was a grid-commutated thyristor inverter, the phase-controlled rectifier (PCR). We type operating with

an

800 Watt

first designed a 700 Watt proto-

peak panel (100 Watt is lost in the

wiring, series diodes and mismatch). The experience we gained with this system was very useful for the

design

of a 5 kW inverter since we ob-

tained a good idea of the problems occurring ty, thyristor protection, ... The

with the control stabili-

PCR has been

choosen

for several

reasons : - literature is available about its general behaviour - reliability is high due to the small number of power components - the efficiency can be rather high and can be

predicted a priori with

an acceptable degree of accuracy - the overload behaviour is good and the fuses

system

can be

protected by

- the power for driving the thyristors is very small and the total consumption of the electronics is only 5 Watt - the PCR can operate under widely varying input voltages although this decreases efficiency and power factor - the power part (thyristors) is isolated from the electronics by pulse transformers. Complete isolation is obtained by also

using

isolated

voltage- and current transducers. The PCR thus seems to be almost an ideal inverter but it has also a few negative aspects that could prevent a large-scale application : - a

bad

grid-current

waveform that can interfere

with

tone-control

systems - a distorted

line

current

the line-impedance is

that also distorts the line voltage since

not

zero.

This can be the cause of increased

iron losses in machines and transformers - the PCR

is

heavy

due

to

the presence of a large inductor and the

three-phase 50 Hz transformer - Acoustical noise (300 Hz) in transformer and inductor. The

distorted grid-current could be

large-scale applications all

grids

controlled current

there

problematically

for

but it has to be remarked that in practically

already exist industrial consumers that

rectifiers

distortion

of

is

future

several

kept

filters which increases the

MVAR. In

within price.

much

use

phase-

installations

the

reasonable limits by the use It

of

means that the PCR is a useful

apparatus as long as its application remains restricted to powers small in comparison with the total grid power.

For the following years it is

surely a

grid-connected

Remark

valuable

solution

that this invertertype

for has

solar also

been

used

in

applications. various

CEC

demonstration projects for high power and dc input voltage.

Looking ponents

further

appearing

in future we also thought that new circuit

on

the market could stimulate the construction

another type of inverter

comof

: the pulse-width modulated forward converter

with a dc-ac inversion bridge.

This PWM inverter has the following ad-

vantages : - high efficiency ( 90 %) - very pure sine-wave output current wave - power factor always unity

- light-weighted because of small isolation

transformers ( if switching

frequency is high ) - no disturbing noise. In return we have also drawbacks such as : - high current complexity

because

of

PWM

principle and as a result,

lower reliability - more difficult to protect than the PCR - the high switching-frequency ( 50 kHz ) requires

that

measures are to

be taken against interference - power is limited because the power

mosfet's

have

a lower switching

capability than thyristors. The should

limited

power capability

suggests

that

the power required

best be attained by putting modules of small power in parallel.

As a result of the refined circuit operation of the PWM it appears from literature

that

problems

can

occur

concerning

stability,

voltage

spikes, choice of components, transformer design. Clearly the PWM inverters were not ready for these applications at the start of the project. However, since PWM inverters were under study at

the

laboratory

at the moment the project started, we felt that it

would be very attractive to design a PWM inverter specially suited for these applications. fact that unknown

Due

to

problems

the research aspect of the matter and the could

be encountered during the design we

found it impossible to guarantee a complete inverter.

Finally the PWM

module

developed

for

this applications has the

following features : - very high efficiency (> 90 %) - complete stability under all conditions due to a new feedback scheme - low distortion due to correction waveforms in the feedback circuit (d < 2 %) - neglectable voltage transients

in

the

power

part due to a special

transformer design and layout technique - with minor circuit changes the inverter

module

independent applications (resistive load) - light-wheighted (4,5 kg/kWatt).

can also be used for

This PWM inverter seems to be

promising

further investigations are needed to

for

future

applications but

determine reliability,

practical

behaviour, ... 2.1. The photovoltaic generator (p.v.g.). The p.v.g.

is build up from 152 modules delivered by "FABRICABLE"

(now PHOTON ENERGY ).

The data of these panels can be found in appendix

2.1. The modules are partitioned over two panels that can be completely separated (fig.

2.2b).

are

In

connected.

Fig.

this

2.2a shows how the 76 modules of a panel

case

we see that there are 19

parallel and each branch consists

of

branches

in

4 modules in series. In this way

the panel is suitable for a nominal 48 V operation. The table gives the open-circuit voltage V

and the voltage

ν

at maximum power that can

be expected under different conditions of illumination.

V temp ( C)

oc

100 mW/cm

2

25 mW/cm

21 20 19

25 40 60

V (in volts) at H

(in volts) at 2

100 mW/cm

2

16,5 15,7 14,0

21 19,9 18,3

25 mW/cm

2

16 15 13

Even under conditions of low illumination it becomes possible to charge a

battery

almost

completely

p.v.g. However in this power point

(MPP)

but

case

when it is connected in parallel to the the panel does not operate at the maximum

this

is

a general problem occurring with all

battery coupled photovoltaic generator systems. At full

insolation the

total power generated by the p.v.g. is rated at 5 kW. 2.2. Batteries. The batteries used in the system (lead-acid, VARTA Vb-2305) have a rated capacity of 25 kWh. Their capacity is of 10 hours. From the data sheets (fig. very well suited to be charged at a rate of 10

charged

at

of the I

low

250 Ah at a discharge rate

2.3)

it appears that they are

currents.

They

can be fully

current, i.e. 25 mA. The life time

is long provided the depth of discharge is limited : 4500 cycles at 30% depth of discharge, 1300 cycles at 75%. Complete storage of the

energy

generated

never-

during a good summerday is not possible with 25 kWh,

theless

it

is possible to cover almost completely an average consump-

tion of

500

Watt during two days. Due to this limited capacity a part

of the p.v.g. energy

has to be send into the grid. Because the maximum 2

insolation of 1 kW/m occurs during a 7 hours on a sunny day there remains about 10 kWh to be send to the grid or to the consumer. The water consumption of the

VARTA

the time between two inspections can be

batteries is very low so that long (we will check the levels

and the acid density every 6 months) Technical aspects of the batteries. The batteries were separated

in

two

groups

and

boxes under the panels. These boxes are well-ventilated remains

a chink between the cover

and

the

wall

mounted in pvc because

plates.

there

Since

the

batteries are protected against direct solar radiation by the panels it can be

expected that their temperature equals the ambient temperature;

the limits of

the latter are about -15 C to +35 C but these values on-

ly occur seldomly,

say

a few days a year on the site of the installa-

tion. The charge-discharge data show that the batteries are 90% charged at low charge currents (0,01 C ampere) at a voltage of 2,17 v/cell. Referred to the table of the p.v.g. characteristics this corresponds to 2 25 mW/cm at 60 C. Because the open-circuit voltage V is still higher it means that the batteries can be charged under worser conditions though ries

the generator will no longer work at the MPP. Thus, the can

batte-

probably be fully charged under all arising conditions.

deviation from levels the panel temperature is

the

alThe

MPP is the largest under full insolation; at lower

temperature generally

is also important. Fortunately the panel

lower

at

low levels and this increases the

efficiencv. Because the

p.v.g. characteristics are not known at low light 2 is (say 5 mW/cm ) we cannot drawn furthei levels further conclusions without measuring the energy input and output of the p.v.g,

2.3. The dc-ac inverter : phase-controlled rectifier. The purpose was to design

and

construct

with a high efficiency at a nominal gives the circuit of the phase developed. an

input

a

very robust inverter

voltage

controlled

of 48 V.

rectifier

Fig. 2.4

(PCR) we

first

In principle this circuit can operate as a rectifier or

inverter.

as

The operation has been described in the literature, e.g.

"Principles of Inverter New York. In fig.

Circuits", Bedfort and Hoft, John Wiley, 1964,

2.5 we have drawn the waveforms under different con­

ditions of the firing-angle a. For the sake of simplicity the waveforms shown hold for a 3-phase star with

only

3

thyristors.

The inversion

range occupies the range a - 90..180 degrees; for o - 0. .90 degrees the PCR operates as a rectifier. The gate-control circuit that

the latter situation cannot occur.

thyristor

bridge

We

have

because it presents a good

is

designed

choosen

compromise

so

a

3-phase

for

several

reasons : small output ripple, high average output voltage, low circuit complexity. An operate as the input

other

well

on

voltage

constraint is the input voltage : the PCR has to the batteries as directly on the p.v.g. Therefore

can

deviate

considerably from 48 V. Let us take a

closer look at these constraints. If more phases are required then the

circuit

becomes

much

more com­

plex : the number of transformer secondaries increases as the number of thyristors. This complicates the thyristor drive circuits too. For

the

three-phase bridge the ratio of the average value of e (Eg) to its peak value

(E) is about 0.95 at full inversion (i.e. α - 180 degrees).

For

smaller angles this becomes 0.95 cos a. It is important to have a large ratio Eg/E because the number of secondary turns can be taken lower and as a consequence the transformer resistance decreases. 2.3.1. Inductor (L). The

inductor

is

the

energy storing property. Two

element factors

it depends on the allowable

output

termines the minimum output

current

that permits inversion due to its influence its value (L). Firstly ripple-current and secondly it de­ for

the

mode. When directly connected to the p.v.g.

uninterrupted operating

it

is untolerable for the

PCR to operate in the interrupted mode since during a part of the mains period power transfer from the p.v.g. to the

PCR

ceases. The inductor

10

used has the following nominal data : L ­

8

mH at 5 A, 2 mH at 100 A.

With the formula (3.2) from page 11, second report, it

is

possible to

obtain a good guess of the harmonic content of e (fig. 2.4) and thus of the battery current. When directly operated with the p.v.g., the ripple current is more difficult to predict current

due

to

the

nonlinear

characteristic of the p.v.g. With battery operation

voltage­ the

fol­

lowing results were obtained : Ρ

»

300 Watt

I

­

9,9 A

ripple ­ 5,2 A (peak­peak)

1500

35,2

16

3500

87

56

2.3.2. Protective elements.

In the circuit of fig. 2.4 the following protective components can be seen.

A

thermal

circuit

interruptor.

transformer against long­continued

This

interruptor

protects

the

transformer overload or transformer

defects. We used a

magneto­thermal interruptor from which the magnetic

part has been made

inoperative.

In this way the interruptor could not

be triggered by the transformer current

rating

of

the

inrush

thermal

current. The nominal effective

interruptor

is

configuration of the primary and the secondary

determined

current

I

by

the

(fig. 2.5).

We obtain : ­ primary in delta fundamental component of line current I

1

6 « ­ I ir

effective value of line current I „„ ­ -J2 I eff

ρ

« 29,4 Ä

­ 21,8 A

ρ

­ primary in wye 2v/3 fundamental component of line current I 1

«

I it

­ 16,9 A ρ

effective value of line current I __ ­ I J* _ 12,6 A eff Ρ r3 ­ Fuses (F,, F in Fig. 2.4). 1 2 The fuses have to protect the inverter against the following faults a. Bad commutation or false triggering of the thyristors. The steady­state short­circuit current at 48 V operation

is about 2,15

n kA (see third report, page 4). Since the

connection

cable between the

battery and PCR has a 40 mn resistance due to the long distance (110 m) this value is reduced to 740 A. b. Shorted thyristor. The short-circuit current mainly depends on the transformer output voltage and leakage inductance. c. Mains interruption. A mains interruption causes a dc short-circuit at the secondaries since the thyristors are no longer commutated. The fuses were delivered by

two

companies

: SIEMENS

(SITOR

series

3NE..) and SIBA (series UR-HRC..). It appears that the thyristors sufficiently

protected

are

under all conditions with these fuses because

they are very fast (see data, appendix 2.2). 2.3.3. Heat sinks. Cooling of the thyristors is performed by free convection in order to avoid a blower. Standard aluminium heat-sink profiles of 50 cm were used. Two such profiles plate is mounted

on

were connected with an aluminium plate and the

the

inverter frame. The three thyristors with a

common cathode were connected on the plate (fig. 2.7a). Since the profiles

are vertically placed the lower part is cooler

part and

upper

therefore the thyristors are not uniformly spaced on the con-

necting plate. The smaller

than the

and

other three thyristors are mounted on three similar

isolated

blocks. The heat sinks are mounted on the rear

side of the inverter frame.

In order to increase the radiation at high

temperatures the heat sinks were covered

with black paint. The average

thyristor dissipation at full load is 85 Watt. With a maximum allowable junctiontemperature of 125 C means that the heat

sink

and

thermal

an

ambient

resistance

temperature has

of 40 C it

to be smaller than

0,6 C /Watt since the total thermal resistance junction to heat sink is already 0,4

C/Watt (fig. 2.7b).

The following table gives a survey of the data of the most important components used in the PCR. Table : data of components.

12

Inductor L :

5 mH at 5 A; 2 mH at 100 A resistance 12 mn at 20 C manufacturer : VAN DEN WEYGAARDE P.V.B.A. Zeelsebaan 47 9150 GREMBERGEN-DENDERMONDE (Belgium)

Transformer : - zero-load losses 60 W primary : 3 χ 220 V, resistance 210 nn at 20 C secondary 3 χ

34 V, resistance 7,3 mn at 20 C

- same manufacturer Thyristors

BTW-33, MBLE-PHILIPS fast turn-off types not-repetitive on-current : 1500 A, 10 ms square wave 2 2 melting value I t : 11250 A s voltage drop and equivalent resistance : 2,4V-r-4

mn at 125 C

2,7V-r-l,6mnat

25 C

maximum dv/dt : 200 V / M S M-T interruptor .· 20 A Manufacturer : VYNCKIER N.V. Nieuwe Vaart 51 9000 Gent (Belgium) The magnetic part has been made inactive Fuses : SIBA series UR-HRC or SIEMENS, type SITOR, series 3NE4... Heat Sink : WAKEFIELD profile WA 800/820. 2.3.4. Pulse-generator (PG). The pulse-generator delivers the gate-impulses for the thyristors. Fig. 2.8a gives the circuit

of

one

out

of

blocking oscillator generates a sequence of period

the

sharp

six generators. The impulses

during

determined by the gate-drive circuits of Th ...Th . The

control

signals

e.g. the

first

pulse train

is

a

gate-

are drawn in fig. 2.8b. From this it can be seen that thyristor is driven at the moments 1 and 2. The second necessary

because the PCR has sometimes to operate in

the interrupted mode; besides it

is also needed when starting the PCR.

13

Once the PCR operates in the uninterrupted mode in principle it is possible to

delete

the

second

pulse-train

with the advantage that the

drive-power is lowered. However since the gate 5 Watt it was felt that the advantage

generator only consumes

of a lower power consumption was

completely outweighted by the extra circuit complexity

that

would

be

introduced and therefore the double pulse-train is always used. During a period of 5 seconds after switch-on the gate impulses are inhibited by the "start

control

impulses can drive the

delay"

thyristors.

so that no unwanted transient

This

delay

is also necessary for

battery operation. Suppose that the dc-supply is accidently interrupted (wrong manipulation of a

fuse

failure,

disconnection

of

In this case the PTM tries to control the phase angle a

wire,...). such

switches,

way that the inverter current has to increase.

input power

is

its extreme

value.

Since

the

a in dc

zero and remains zero the phase angle will evoluate to If

the dc input is suddenly reapplied then the dc

input current will be extremely

large and the fuses will be destroyed.

Therefore, when the input voltage is

reapplied, the starting procedure

repeats automatically via the "Start Control Delay".

This situation is

not dangerous when operating directly on the

since the maximum

input current is limited to the panel

p.v.g.

short-circuit

always lower than the maximum allowable current (I

current

which is

-84 A, I -100A). se max

As already stated the power consumption of the PG is

only 5 Watt. This

5 W is drawn from the unstabilized supply. 2.3.5. Phase Control Circuit (PCC ). The phase control circuit generates the thyristors. square trimming

wave

Fig. 2.9 gives a block diagram of is derived from one phase of

the

reference in

gate

control such

range coincides

a

with

the

the

pulses PCC.

for A

three-phase

F it is possible to adjust

the

phase

the

6

reference grid.

By

of

the

way that the centre of the control voltage input halfway

of

the power

range ( o-control in fig.

2.4). The 50 Hz reference square wave drives a phase-locked loop (PLL); it has been designed phase with a dc

in

voltage

such V.

a way that its output can be shifted in The

PLL output is used to drive a linear

interpolator. The output of this interpolator is mgate signals of fig. 2.8 by means of

the

transformed

into the

distribution logic. Several

14 other circuits were tested but the interpolator

system

proved

to be

very reliable due to the complete absence of monostable multivibrators. By

carefully designing the PLL loop filter we

response

to

obtained

a very

good

disturbances in the reference phase. Disturbances in the

reference phase are transformed into fluctuations of the inverter input current.

Other

circuits

pulses have a worser native

method

is

such as those using PLL's that generate

six

behaviour than the linear interpolator. An alter­ to

derive

voltages. In this case however

the six pulses

from

the

three phase

the phase-control circuits have to re­

main perfectly matched over the whole control voltage range and this is difficult to obtain. 2.3.6. The Power-Tracking Module (PTM). The PTM generates a signal that drives the PG and PCC so that the power to be inverted can be controlled.

There

are two possible opera­

ting modes. a. "Maximum Power Tracker" mode (MPT). In this mode the control angle o

is varied

inverter matches the p.v.g. in its maximum purpose

power

point. For

this

the panel voltage-and current are multiplied and o is chan­

ged until ficiency the

in such a way that the

this product becomes maximum. Due to the shape of the ef­ curve there

is a little difference between the maximum of

dc-input and the maximum of the three-phase ac power. The devi­

ation is however

very

small because the efficiency curve is rather

flat. Besides the determination of

the dc power is a lot easier and

cheaper than the measurement of the three-phase ac power. b. "Battery Power Control" mode (BPC). The BPC mode is used

for battery operation. In BPC mode no maximum

has to be determined but the PTM vered by the battery deviates

tests whether the power Ρ

from

a

reference

value

Ρ

deli­ (can be

changed manually or via the computer). The BPC controls a so that P i and Ρ

are almost equal. 2

The PTM also contains the circuits necessary for the starting pro­ cedure of the inverter. The following requisites have been built in.

15

a. A delay of about 4

seconds

between

switch-on

of

the PCR and the

generation of the thyristor gate impulses b. In BPC mode the inverter starts at a zero current;

the current then

increases until the reference power has been attained c. In MPT

mode the inverter starts with a in the middle of the control

range. This is

also

the case when the insolation is very low. This

requirement is

necessary

in

order

inverter remains hanging in an 2.10 gives the block diagram

to avoid a situation where the

endpoint

of

the

of the control range. Fig.

PTM. The PTM is built-up with

analog circuits, logic elements and flip-flops. A microprocessor has not been used since this would increase

the

costs without giving a

better performance. However, if the PTM

should

be

designed

for a

power management function it would probably be more advantageous

to

use a microprocessor.

The power

PTM is galvanically separated from the

measurement)

outside

world

in order to avoid misfiring of the thyristors

(e.g. and

miscontrol when mains interference occurs. Moreover the consequences of overvoltages due to lightning and so on are less dangerous. ter input voltage

The inver­

E (output of battery or p.v.g.) is measured by means

of a linear opto-coupler.

The measurement of the inverter dc current I

is performed through a Hall transducer that transforms I into a propor­ tional output voltage ν . Other input functions are : - the analog input for the adjustment of the reference power at battery operation. - a clocksynchronization input (50 Hz). The PTM contains a 50 Hz oscil­ lator since it was intended

also for applications independent of the

grid. This oscillator can be synchronized by the grid. - logic inputs

that

can

set

the

PTM

function

:

BPC or MPT mode,

shutdown,... The

output V of the PTM generates a voltage V that

phase-control

angle

α of the PCR. Of course, this V can also be

for other inverter types. Operation of the PTM.

controls

the used

16

As already said

the

analog

inputs E and

obtaining the p.v.g. power. Since the current are corrupted with a

large

ripple, this is

I are multiplied for

as well also

as the voltage

the

case for the

instantaneous power. Therefore, the analog multiplier is followed by fast

filter. It is now investigated

after each

clockpulse

a

how the

filtered power Ρ évoluâtes, η

The power Ρ

η

measured at t

η

is compared with the power measured at

t , i.e. Ρ The latter value has been previously stored in a n­1 n­1 sample­hold circuit S/H. A comparator C compares the values Ρ and

Vi" Depending on the relative value of Ρ

against

Ρ

η

., the output of n­l

the logic that drives the integrator ( Int ) becomes low or high and the output V increases or decreases. The following cases are possible : ­ Ρ

>Ρ

η

: the variation of V was

in the right sense and the logic

n­1

output can remain unchanged. ­ Ρ <Ρ : the variation of η

V

was

in the wrong direction and the

n­1

output of the logic has to be inverted. The case Ρ ­Ρ is irrelevant since the comparator output is always η η—1 high or low. In the BPC mode the S/H is inhibited and an external reference value Ρ is the goal : if Ρ > Ρ then V varies in the right direction. 2 2 η For Ρ < Ρ the variation of V has to be reversed. 2

η

The difference

between these two operating modes is visualized in

fig. 2.11. Curve (a) gives the inverter power at constant insolation as a

function

of

the α­control voltage V when the PTM operates

in MPT

mode; curve (b) holds for battery operation (BPC). The special shape of (a) is a consequence of the I­V characteristic of the p.v.g. The use of MPT mode under battery operation would lead to an ever increasing power and

very

starts at

high V=0

dc in

currents. For the same reason the inverter BPC

always

and then the V gradually increases until Ρ

is

reached,

Fig. 2.12 demonstrates the waveforms occurring

in fig. 2.10, An

entire cycle lasts two mains periods or 40 ms. During the interval (t , t, ) a decision is taken concerning the sense of the variation of V. The figure is drawn for Ρ < Ρ and this gives C.­0. During the interval η n­1 1

17

(O,t ) the comparator sees that Ρ > Ρ 1 η n-1 feet is that the control voltage V during

and C, becomes high. The ef1 (t , t ) increments with AV.

After 20 ms, at the time t . the power measurement starts; at t this 3 4 measurement is finished and this is exactly 40 ms after the cycle star­ ted at t . In this way the measurement cycle and the control action are O separated and the system becomes dynamically more stable. 2.3.7. Measurement Transducers. Since the PCR is designed to operate independently computer

of

a

control

it has also built-in circuits that measure the dc voltage and

current at

its power terminals. These current- and voltage transducers

do not need

to have a high precision since it only concerns to observe

the

variations

acceptable

of

degree

the of

changed in order to

power. Nevertheless, at battery operation accuracy

equal

is

the

required because the dc-power

an is

reference setting Ρ . At MPP operation

the absolute accuracy is not very important as long as the linearity is sufficient. The requirements are less for for the

current

transducer.

This

restricted to 38...48 V at BPC and

is

the

voltage transducer than

because

55...75

V

the

voltage range is

at MPT. It is important

for the transducers to have a very good galvanic separation

so that no

interference impulses can intrude the PTM.

Hall-sensor transducer. Fig. 2.13 gives a survey of a number

of

transducers we developed

for a dc current measurement. We have choosen

for

because it is the cheapest one. The current cable

the

solution 2.13b

passes

through

the

window of two u-shaped ferrite cores and a Hall-transducer is placed in an

air-gap of the magnetic path. The output voltage of the Hall-trans­

ducer is

proportional to the induction in the air-gap the latter being

proportional to the current I Β

gap

The

- Η

core

» η I (ampere turns ).

sensitivity

can

be

adjusted

builtin operational amplifier or by current cable makes

through

the

by

trimming the gain of

changing

window.

The

the

the

number of turns the

latter

method is very

attractive since adapting the sensitivity is possible without

trimming

the

transducer.

The implementation is done

Hall-transducer SAS an air-gap of this case a

1

231

by

a

SIEMENS

L. This very thin IC can easily be mounted in

of

printed-circuit is used and the connections are

made with conducting paint. Fig. 2.14a,b,c,d

give data of the SAS 231.

Fig. 2.14a is the simplified circuit diagram. a

of

mm on the condition that it is fixed on a support. In

piece

is driven by

means

control

current

I, ;

the

The integrated Hall cell differential output of the

π

element is amplified (A) and level shifted (L). This

level shifting is

necessary in order to eliminate output offset. The level shifter output is then amplified with an opamp. Fig. 2.14b gives the output voltage as a function of

the

induction.

The

dotted

curves

are

those

for an

amplification factor determined by the internal resistances. Fig. 2.14c gives the practical wiring diagram and fig. 2.14d gives an idea of the dimensions of the smallest type, the SAS

231 L. The re­

sults obtained are satisfactory : the linearity is about 1 gain

remains constant as long as the magnetic path

is

%

and

mounted

the in

a

stable way. The offset is relatively large and function of the tempera­ ture (less than 50 m V ) . This could lead to accuracy problems at the low current

levels.

If the same transducer is used for the measurement of

bidirectional currents then the offset increases and the linearity wor­ sens as a result of the larger hysteresisloop; it appears that the off­ set becomes dependant on the previous current history.

Voltage transducer. The circuit is has been I L

used.

given in fig. 2.15 where a dual linear optocoupler

The

current flowing in the LED L

in transistor Τ . will receive

the

Due same

to the feedback through the opamp A the LED current

if both couplers are identical. In

circuits described in the literature

the

current source. We succeeded to obtain this source :

the

current

generates a current

in

L

is

a

L

is generally driven by a

satisfactory simply

result without

derived from V

with a

resistor R . With g » I /I and g - I /I the current-transfer 1 1 01 1 2 02 2 ratio of L and L we obtain for V as a function of V, : 1 2 2 1

V

g R 2 4 2

gx Rl

V

R„ R 2 4 +(1 + ) R R 1 * 5 2

V °S

19

V

­ VD

+

9

if R

and

5 ­ \ ν-r^iñ

V

os

K

2

%

­ζ

ζ

is the offset voltage of the opamp.

For V. < v_ the output V becomes 1 D 2

zero.

Resistor

R_ 5

eliminates

offset errors that occur as a result of the voltage control of L . Sin­ ce

its value depends on the value of the LED voltage drop ν

non­linearity will

occur because ν

the HCPL­2530 when

ν

is done

as

follows

1.5% for v

: after the calculated value of R

than ν

circuit in the

(about 1.35

varies between 1.45 and 1.50 V for

varies between 10 and 40 V. Trimming the circuit

been inserted into the circuit, point of the

a slight

with

range V)

(­ 14.5 K) has

the gain Κ is trimmed in e.g. the end­

R . The linearity obtained is better than 8...80

gives

a

V. The drop­out of V little

for V

smaller

error since 1.35 V is a very

small part of the total input range (100 V ) . 2.3.8. Properties of the PCR inverter.

High

efficiency if the input voltage remains reasonable large. Fig.

2.16 gives the efficiency Ν as a function

of

the invertercurrent I

for 48 V and 66 V supply. The efficiency curve is very flat and this is favorable for panel operation.

The

curve

can

analytically

be

written as follows :

Κ % ­ 100 (1 ­ ~ ­ c 2 i ­ c 3 ) Ρ with C ­ ­2 , C ­ (R + r + 2r„)/E,C ­ 2v mw /E. 1 E 2 eq Th " 3 Th Ρ is the transformer zero­load loss, E the supply voltage, the o coefficient of C is the sum of all resistances referenced to the 2 secondary of the transformer, ν From

is

the

thyristor

the transformer data and the measured values

resistances it follows that N%-100

(1

60

51 Χ 10~ I

5V 5 )

voltage of

the

drop. circuit

20

The resulting efficiency drawn as

a

2.16 for a supply voltage

V and 66 V (battery operation and

of

48

function of I is shown in fig.

maximum power point operation). The maximum of the

curve lies at 82

and 87 %. The flat shape is very important for solar-energy applica­ tions since in Belgium uniformly

the

average

energy

distribution

spaced over all levels of insolation

report ).

This

(see

is

fig.

very

3,

1st

means that the efficiency curve has to be as flat as

possible over the whole range. The inverter efficiency has also been determined during battery operation. A difficulty however occurs due to the fact that the inverter input voltage is continuously changing because drop

of

over

the the

battery discharge characteristics and the cable

voltage

connecting inverter and batteries. Fig. 2.16

gives a few points for 48 V. For the operating points with a voltage slightly deviating from 48

V

a correction was done as follows. The

efficiency formula can also be written as a function of E : N

Ρ - τ ^ = i | b l^ - ( R 100 E I eq + r + 2 ^Th) 1

-

Ζν^λ J Th

By differentiating :

Thus, given Ν at a voltage

E approaching 48 V, we can find Nj at 48

V : 48 Nj % = Ν % + (-

1) (100 - Ν %)

The corrected measurement points are efficiency determined in this way above

also

in fig. 2.16. The

considerably

from

the

determined one for I smaller than 20 A. This means

that

the

zero-load

transformer

Also, we ignorated circuit of

fig.

deviates

shown

loss is higher then expected from the

data.

the iron loss of the inductor coil, but from the 2.4

we see that this loss is always existing over

the whole operation range because the thyristor bridge output ripple voltage comes over

the

inductor.

Measuring the inductor iron-loss

separately is difficult because of the non-sinusoidal current with a dc-component superimposed

on

it.

The

changing

dc-component also

gives a changing iron-loss over the operating range.

21

It is possible to obtain a good

idea of

the zero-load losses from

the experimental efficiency curve : Ρ O

- El(l - £-£] - r. „ I 2 - 51. l 100J tot

and this gives P 0 « 97...125 Watt depending

on

I. The measurement

computer coupled to the system gives a reading of about 110 Watt. We also separately measured P 0 with an analogue Wattmeter and found »

115 Watt. In this P 0 was also included

electronic

circuits

the

consumption

P0

of the

of the PCR. This consumption was low; we found

it to be 5 Watt. Concluding,

the

zero-load

loss is about 115 Watt and this gives a

lower efficiency than expected at low inverter currents. The efficiencies for panel operation have at this time

the wheather

conditions

not been measured because

were bad and no high power

supply was available. Nevertheless we have also drawn the efficiency curve for 66 V and P0 «

115 Watt and again we see the influence of

P0 at the lower current levels. The PCR is, by nature,

a

suited in houses

a one-phase

with

3-phase circuit. It means that it is not grid.

On

the other hand in a

3-phase system the power is evenly distributed over the 3 phases. The transformer and inductor generate a 300 Hz noise. Especially the inductor is important : due to the dc component saturation can occur and in this case the inductance value creases. The inductor we

used

decreases

was more

noisy

and the ripple in­ than

expected and

probably this was due to partial saturation. The PCR is very robust and reliable due to the small number of power semiconductors. Besides,

large

current

thyristors have

a

large

overload capacity (appendix 2-3). The non-repetitive peak current is 2 1500 A and the melting value 11250 A s. This kind of thyristors can be

effectively

protected with extra fast semiconductor fuses which

are however very expensive. Probably ordinary fast fuses can also be used provided they are very fine cut. Power-factor : about 0.6 to 0.7. The

low p.f.

fact that the PCR has been designed for p.v.g.

is a result of the and

battery opera­

tion. At low supply voltages (battery) the power

factor becomes

worst.

The highest p.f. occurs

inversion but

this

when

the

PCR

operates

at

full

can never happen in this installation since the

Τλ

voltage at MPP is circuit

voltage

about 64 V and this is a lot lower than the open(80..84

V ) . As

report the open-circuit voltage

already mentioned in a

determines

voltage and it means that the p.f.

the

previous

transformer design

cannot be ameliorated. The power

factor and the efficiency can only be

increased

by better matching

the voltages during battery and panel operation e.g.

by

choosing a

complicated panel configuration. -

The PCR is heavy because of

the

large

50

Hz

inductor. The inductor can be smaller if the

transformer and the

number

of

secondary

phases increases but this gives a more expensive transformer and the number of thyristors (and fuses) increases. -

The

current sent into the grid is distorted and it is possible that

other appliances

are thereby disturbed (e.g. tone-control systems).

For large-scale applications ding filters

is

possible

this is surely a serious drawback. Ad­ but will increase installation cost con­

siderably. -

The PCR is relatively low-priced. It can be expected that due to the small number of components the

price can be reduced considerably in

series production. Probably the ratio price/power

is lower than for

the PWM inverter. 2.4. The pulse-width modulation inverter (PWM). The PWM inverter

is

a

very

good

approximation

of

a

perfect

inverter. It has the following properties : -

coupled to the grid it can be made to behave as a current-source.

-

the

grid current is almost undistorted (total

harmonic

distortion

less than 5 % ) . -

low weight : all isolation transformers are small ferrite ring cores that operate as high frequency transformers.

-

power factor is always unity.

-

single-phase

apparatus;

about 700-800 Watt

per

unit,

peak-power

about :S00 Watt. -

efficiency is

high

due to the application of modern semi-conductor

switches. galvanic separation between input and output. -

difficult to protect with fuses.

23

complicated electronic circuit and therefore a lower reliability. -

high frequency filters are necessary in order to keep high frequency interference in the inverter cabinet. The

PWM

inverter

800 Watt ) and the power

is

implemented as a lower power module

(700-

can be increased by connecting several modules

in parallel since each

module

the power part of such

a

behaves

module

as a current source. Basically

is a double forward converter. Since

this is principally a dc-dc converter some modifications are necessary. First the output voltage is

transformed

in

a

double-phase rectified

sine-wave through the modulation of the power switch.

Afterwards

this

wave is transformed into a complete-sine-wave by means of a commutation bridge. Fig. 2.17 gives the block-diagram of such an inverter. Operation. The

output current of the low-pass

reference

current

wave. The

reference

filter

is

compared

I , which is also a double-phase ref

with

rectified

a

sine-

waveform is derived from the grid so that the in-

verter current and the mains voltage are always in phase. The difference between both signals

is used to drive a PWM integrated circuit that

generates a periodic pulse

with

a duty cycle proportional to the dif-

ference signal. The pulse frequency

is

about

25

kHz and the output of the PWM-

IC drives the mosfet transistors of the power part, the forward converter. The high frequency components of the inverter output voltage are attenuated with a low-pass filter. An inversion mutate the current so that it always flows the grid. In short we will give below a

bridge is used to com-

in the right direction into

description of the most impor-

tant parts.

2.4.1. Power circuit. The power circuit consists of two parallel-connected dc-dc converters

that

transfer energy in

effective frequency now look at the

at

turn

(Fig.

2.18).

As

a

result

the

the input of the low-pass filter is 50 kHz. We

operation of one part of the circuit. When a mosfet is

24

driven

by

the

PWM

IC

the supply voltage V

transformer secondary and diode D During

this

interval

the

is transformed

conducts (D

magnetizing

current

phase the D

and

due to the energy stored in the

of

the

transformer

blocks and D

inductor

L.

transformer is demagnetized via the winding N the

average voltage over D

begins

D uring

this

and the diode

magnetizing energy is recuperated. It can be

there exist two operating

the

is blocking).

increases. When the gate drive pulse stops then D conducting

to

shown

that

modes. In the uninterrupted current mode the is

equal to nDV

2

where D » Τ g

/(Τ +T __) and on on off

n=N /Ν ; D is the duty cycle. The interrupted mode occurs when the load current becomes

very

small;

in

this

case we obtain for the average

output voltage : η V

3_

ν1

o

R

I,

1 + *­­£­! n V D2 g η V where R

­ L/(T o

with R

+T ì and I ­ on off 1

the load resistor. The

If we suppose that R <2R

D S—

R interrupted

mode is found when R >2R .

then the inverter

operates uninterrupted and

if the duty­cycle D is varying

sinusoidally.

By

in

time

means

then the output

voltage V

will also

linearity

over the whole operating range can be obtained.

By operating two

vary

sinusoidally

of

feedback

the

such circuits in parallel the output power is doubled

and the high­frequency ripple also decreases after the low­pass filter.

For a proper operation of this inverter to be

mastered.

Especially

the

design

of

some new technologies had the

transformer and the

printed circuit were important.

It can be shown that it is very important

for the transformer and

the printed circuit strips to have a leakage inductance as sible in order to avoid undully large voltage transients. circuit

low as pos­ The

printed

is also designed in such a way that it can distribute

without

problems the very large supply current peaks to the transformer and the mosfet transistors. The transformer is implemented following principles that

guarantee

very low leakage inductances. The result is

that

the

2Γ>

leakage inductance obtained of 2

mH

(i.e.

is only 100 nH against a mutual inductance

0,005 % ) . The use of mosfet transistors permits a high

switching frequency without

influencing

the

efficiency in a negative

way. As in the PCR a the

grid

and

the

complete dc

side

galvanic separation is obtained between by

the

use

of

optical

couplers

and

transformers. 2.4.2. Control loop. Fig. 2.19.a gives the circuit of the feedback loop that forces the power module to operate as a current

source.

The

filter current I is

measured and amplified with two opamps LM324.

The

reference

waveform

V

(double phase rectified sine) is compared with the measured

rent

I.

The pulse-width modulator is the

controlling the duty

ZN

1066

of

cur­

Ferranti.

By

cycle D it minimizes the differences between V

and a voltage proportional to I.

The

IC

generates

two

driving the mosfets of the

complementary outputs that are suited for

double forward module. In order to minimize

the switching times of the mosfets ter current output than the

ZN1066

drive circuit. At the same time an circuit from the PWM IC. In

a better drive circuit with a grea­

this

is

needed. Fig. 2.19.b shows this

optical way

the

secondary circuit of the inverter and the

coupler isolates the drive PWM IC can be fed from the

drive

circuit

from

the dc

source.

2.4.3. Low-pass filter. This filter has to attenuate the high frequency components of modulator. it

will

Since the average output current also flows in this

the

filter

be necessary to use several sections to obtain a sufficiently

large attenuation.

The

attenuation is determined by the local regula­

tions such as VDE, CCIR,... 2.4.4. Inversion bridge.

26 The

inversion

bridge

current into the grid in

has

the function to

send

the

modulator

the right direction. Fig. 2.20 gives the cir­

cuit . The mains waveform is limited and transformed into a square wave. This square wave drives an amplifier that is loaded with a transformer. Four secondary windings are used to ge . Two other

windings

provide

drive the transistors of the brid­

for

circuit and the PWM IC with opamp s.

the

Operational

inhibit circuit during switch-on of the such

supply of the mosfet driveamplifier 1 serves as

inverter

as those due to the step response of

the

so

that

transients

phase-shifter

network

cannot cause false bridge drive.

2.4.5. Results. Below we give the losses in the separate components of the conver­ ter part as they

can

be

deduced from the component data. They can be

expressed as a function of the output power P0 normalized to 1000 Watt: ρ = P 0 /1000. We obtained for a dc input voltage of 48 V : - resistive losses in the mosfet's

5 , 3 VP

%

- switching losses in the mosfet's

1,18/VP

%

- losses due to transformer leakage inductance

1,16

%

- losses in the output filter

0,51

%

- losses in the equivalent series resistance of the decoupling capacitors

0,35(l-p)Vp %

- diodes at secondary : conduction losses switching losses - transformer : resistive losses core losses

0,19/VP

%

0,22

%

0,59VP

%

0,66

%

The total power loss thus becomes P 1 (in %) = 2,55 + 5,89 VP + -^ΤΓ" + 0,35(l-p)Vp 1 VP and the efficiency follows from this :

Ν = in

Ρ - 100 Ρ, o 1 P. in

Fig. 2.21, curva a, gives Ν as a

function of P 0 for the convert&r part

as it follows from the formula. The

curve

b

gives the measured effi­

ciency. It is clear from this that the losses at

low output power were

27

somewhat underestimated since the curve b lies below curve a.

At

mid-

range

the maximum efficiency is 92,5 % and higher than expected but it

falls

more

rapidly than curve a as P 0 increases. The reason for

behaviour is

that

this

the temperature of the mosfet's increases and their

on-resistance increases about 20 % and this means a 1 % extra loss. The dotted curve c gives the calculated efficiency when the temperature influence is also

considered

and as one can see the measured and cal-

culated efficiency agree very well. For each point measured the converter was operated

sufficiently

long

to allow the transistors to reach

the steady-state temperature. The reason that we measured the inverter efficiency

is

the

merely

converter

because

it

efficiency instead of is

very difficult to

obtain precise results from the ac Wattmeter readings P 0 . However, from the curve a it can be calculated

that

at

P 0 « 500 Watt the ac output

efficiency is 91,2 %. Considering the inversion bridge losses and power consumption the maximum efficiency still remains 90,7 % at 500 Watt. At 100 Watt it decreases to 80% as a consequence of the consumption of the bridge. However it

is

possible

to

ameliorate

this

by

using

consuming

circuits. The load limit is somewhere between

Watt

to the cooling by free convection. With forced cooling a 900

due

watt should be is less than

750

less

and

800

possible to obtain. The distortion of the mains current 3

%. Modules can be put in parallel without difficulties

until the wanted power

rating

is obtained. The weight of the inverter

and inversion bridge print is only does not contain other electronic

2 kg. The mounting rack momentarily circuits.

A

MPP controller has not

been constructed since the p.v.g. output is a lot larger than 750 Watt, and the purpose was to

test

the

PWM

inverter under practical condi-

tions. From the operating principles one can see that is always unity. The inverter also does not generate

the power factor acoustical

noise

at all since the lowest frequency is 25 kHz. The reliability of the PWM is

probably lower than that of the PCR because of the large number

of

components. The table

below

gives

a

review of the properties of the PCR and PWM

inverter. Photographs 2.1, 2.2 and tion of the PCR and the

PWM

2.3

show the practical implementa-

inverter module. Photograph 2.4 shows one

module with inversion bridge in its housing.

28

Table : comparison of properties of PCR and PWM.

PWM

PCR efficiency

moderate

high

RFI

moderate

high

mains pollution

yes

no (if good filters are built in)

price

low

moderate

maintenance

none

none

acoustical noise

300 Hz

none (25 kHz)

weight

high

low

power factor

low...high

high

(0,5...0,8)

(1)

probable reliability

very good

good

overload behaviour

very good

good (if power output is somewhat limited)

2.5. Consumer. Originally we had the intention to use an artificial

consumer but

for several reasons we leaved the idea. First, a consumption pattern is individually and variable in time. Second, one could the from

as

well

measure

consumption of an arbitrary house geographically located far our

average

installation. For these reasons we passed to the use pattern

pattern is

away

of

an

that

is proposed by the company AEG-TELEFUNKEN. This

in

the computer and all calculations are performed

stored

with it (Fig. 2.22). 2.6. Interconnection of parts. The circuits of fig. 2.23...26

show

how

the

connection between

the elements has been implemented. It is clearly shown exists of two separate panels Ρ , Ρ

with corresponding

Β . The power cables ( +/- 110 m) from panel to 2 2 section drop

of

of

that the system

control

batteries room

50 mm . At full load it means that there exists a

nearly

have

a

voltage

2 χ 2 V between the p.v.g. and the control room.

frame of the p.v.g.

Β ,

The

is earthed and gasdischarge protectors are connec-

29

ted between the p.v.g. output

cables and the earth in order to protect

the panels against lightning. Protection against

shortcircuited batte­

ries is performed by means of fuses in the junction box on the terrace. All contactors in

the

junction

box

can

be commanded manually or by

computer. In the celler (beneath

the

control

room)

one can find the

relais that sense under­ or overvoltage conditions of the grid voltage; in the occurence of such a fault the inverters

are switched­off at the

dc and ac side. The safety relais can only be rearmed by qualified per­ sonnel that can check if the fault was due

to

the installation or to

other circumstances.

2.7. Measurement and control system.

We give a rather extensive description of the system since it

has

not been discussed in previous reports.

The following quantities are measured : Irradiance, measured in the plane of the panel. Performed by means of a solarimeter (Kipp en Zonen, type CM5) : 2 sensitivity 11,7 /¿V/Watt/m temperature sensitivity : ­ 0,1 %/degree See datasheet (appendix 7.1). Temperatures perature type

: a few places of the p.v.g. and the battery. The tem­

measurements

KTY10.

The

are implemented by means of Siemens

sensors

resistance of the KTY10 is a function of the tem­

perature (Fig. 2.27). The simple circuit in this figure gives an al­ most linear output in function of temperature (maximum error of 1 % ) in the range ­50 to + 150 degrees). Photograph 2.5

shows how

the

temperature sensors are glued on the

p.v.g. The glue also prevents moisture

to enter the sensor. For the

batteries, a sensor is isolated from the acid with a glass tube. The tube is inserted in the acid and

a rubber ring between the tube and

the battery housing is

a

sensors

used

as

seal

(Photo 2.6 ). There are 16

installed; 12 sensors measure the panel temperature at dif­

ferent places. Two sensors are mounted in the batteries

and the re­

maining ones determine the temperature of ambient and solarimeter. Voltages of the panels Ρ

and Ρ , denoted V ,

V .

30

-

Voltages of the batteries Β. and Β , denoted V , V . 1 2 Bl Β2 Currents

flowing

in

and

out the batteries : I

, I

. These cur­

rents are measured with shunts : 0,5 %, 60 mV at 50 A. -

Panel- and battery currents : I and I . Measured with shunts. PB1 PB2 The ac-active

power

delivered

by

the

inverter. The grid is a 3-

phase grid with neutral conductor. The measurement is performed with a BBC-GOERZ Metrawatt transducer, type GTU 0289, in combination with 3 current transformers with a ratio 1:3. See datasheet appendix 72. The transducer behaves as a current source at 4 - 3.3 kW. In

combination

with

becomes 4 - 5mA at + - 9.9 kW. Fig. 2.28 gives the diagram

for

the

and

it delivers + - 5mA

current transformers this

the

transmission

of

the

measurement signals. All signals are galvanically separated from their measurement is

also

operation.

points with isolation amplifiers for safety reasons.

This

necessary to prevent lightning surges to disturb the computer The

output

gives an interference

signals are converted into currents since this free

the current is converted

transport (110 meter). In the control room

into

a voltage (- + 5 V)

put into the analog-to-digital converter

of

and this signal is

the computer after having

passed an analog multiplexer. We discuss below the parts of fig. 2.28.

2.7.1. Signal conditioning. Before entering the isolation amplifiers some

signals

have to be

amplified, others need attenuation. Insolation

amplification 400 χ

Temperature

amplification

5 χ

Voltages

attenuation

5 χ

Currents

amplification 83.33 χ (60 mV to 5 V ) .

2.7.2. Isolation amplifier. A

cheap

isolation amplifier suitable for our purposes

has

been

built at the LEM. The amplification factor is determined by internal or external resistors.

Linearity

frequency has been choosen

is

better than 0,2 %. The 3 dB cut-off

at 3 kHz since this suffices to amplify the

voltage- and current waveforms without distortion. Fig. 2.29a gives the

31 Circuit. In essence the demodulator. Pulse

circuit

represents a precision AM modulation-

transformers

Τ

and

isolation. The supply for the input

Τ

provide the input-output

circuit

is done with a third puis

transformer Τ . The two transistors BC548 form after rectification a 16 V dc

voltage

is

a

push-pull converter;

obtained.

form a 30 kHz square-wave generator. The square-wave

The IC4b and IC5 output

of

somewhat distorted and therefore the wave-form is restored in IC4a.

is

IC3

and

The outputs of these IC's drive the modulator switches IC2a

and

IC2b. After and

Τ

amplification by ICI the input signal is modulated by IC2a

demodulated

by

C I2b. The

complete

circuit

has

already

been

discussed in more detail in the fourth report.

The frequency response is

flat from dc to the modulation frequen­

cy. Switching transients are neglectable because of the symmetric modu­ lator-demodulator. The bandwidth has been deliberately limited to 3 kHz since no higher frequencies are expected in the input signal. 2.7.3. Voltage-to-current transducer. The modulation-demodulation transducer has a high output impedance and therefore a output

is

a

high

very

transported over

a

impedance load is necessary. Otherwise a current desirable long

feature because the signals are

distance.

transposes the differential output current

source output. Ground

Fig.

voltage

referencing

to

be

2.29 gives the circuit that into

a

ground-referenced

was necessary

because

it

doubles the A/D converter's capacity.

The

circuit

shows two opamps ICI and IC2a that are

configuration. This gives

in

follower

the desired high input impedance. The second

pair of opamps, IC2b and IC2c, form in combination with two transistors Ql

and

Q2

currents I

a and

precision current mirror that is driven by I_

of

high and independent of determined by R

:

ICI. The output impedance of Q the

resistors

the

and Q

supply is very

R ...R . The output current is

32

i0- i+- * _ - < V V / R i on the condition that R

- R 2

» R 3

4

The zenerdiode makes the LM324 mode the

- R . 5

always

operating

within

its

common-

range limits. For correct operation 1% resistors are necessary in mirrors,

otherwise offset errors will

resistors the

nonlinearity

tween a shorted

output

occur.

With

well-matched

is smallezr than 0,1 %. The difference be-

and the output loaded with 2 K is only 0,05 %.

Heating the LM 324 gives an error of 0,1 % of F.S. 2.7.4. Current-to-voltage. Fig. 2.30 gives the circuit for the current-to-voltage conversion. It has the advantage that the ded with the caracteristic 50 n Ohm) so that no

voltage-to-current converter can be loa-

impedance

reflections

of

occur.

the

signal line (r is about

Besides the conversion opamp

becomes stable because the time constant of the cable capacity and r is very small.

2.7.5. Measurement of the ac power. The power transducer has a current output and therefore a currentto-voltage converter as in 2.7.4 is used at its output. 2.7.6. Control circuits. Besides the measurement task the computer is

also

used

control of the entire system. This means that parts of the be

switched-on or off, that the mains supply can be

However,

the

for

the

system

can

interrupted.

computer control can be inhibited and all

switches

can

then be manually operated. The purpose is to obtain a maximum of flexibility in the

operation. In this way several modes of operation can be

implemented by software or manually. Especially, it is the intention to determine the system the power flow or with

efficiency

with different control strategies for

no strategy at all. Therefore two different in-

verter operation modes have been implemented :

33 - Battery Power Control (BPC ) mode the batteries and a reference

voltage

: the inverter is connected to determines

the amount of power

sent into the grid. The panel remains in parallel with the battery. The reference voltage comes from a potentiometer on the

PCR front or from

the computer D/A output. - Maximum power point (MPP) tracking mode : the

inverter is con-

nected to the panel and the batteries are switched-off. As in the BPC mode the inverter can operate without the computer since the MPP tracker is a part of the PCR circuits. By changing the inverter mode closing

(manually or by

the appropriate switches a variety of

computer) and by

control

modes becomes

possible. A few examples : - permanent MPP mode without battery - MPP when the battery is fully charged, if not BPC - Load matching by the inverter with the batteries : BPC mode. In BPC mode contactors Cj, ... C 2 , C 9 whilst in MPP

are

closed

(fig.

2.23)

Cx and C3 are open. Contactors C 6 , C 7 are safety devices

that open automatically low. They can only be nected with the

when

the grid voltage becomes too high or too

operated by qualified personnel and are not con-

computer. When

C6,

C 7 are de-activated and open the

contactors C 4 , C 5 also automatically interrupt the circuit. 2.7.7. Contactors (C ,...C ). See fig. 2.31 for the circuit. The contactors are

driven by

the

solid-state relais SSR1...SSR4 (four on one printed circuit board). Two prints

suffice for all contactor operations. The

relais

is connected to ICI and IC2. ICI contains four 2 to

plexers and

it

input of

the SS1 multi-

determines the choice between manual control via swit-

ches S1...S4 and computer

control (bits 0...3). The computer has open-

collector output buffers and

this

interfaces between the 5 V computer

supply and the 15 V supply of the control electronics.

34 The

manual/computer

control

is performed

by a control current

I : 0 mA is manual, 10 mA is computer control. The current I m/k m/k flows in the optocoupler 01 of the two prints and in the coupler of the inverter. If for some reason this current loop has been broken (inver­ ter disconnected, wire broken) then I is zero m/k back to manual control. The output of the coupler 01 generates the signal multiplexer. The current I

is the output of bit

and

the system goes

S el

that drives the

4 or

5 of the I/O

port. An Enable signal drives all the NOR-gates of IC ; it has low before the solid-state relais can be Enable

activated

to be

(input-high). The

signal was added for safety reasons : if the system is manually

controlled (e.g. gram still can

changing batteries from p.v.g.) then the control pro­

react to unwanted situations in the system (e.g. batte­

ries charged too much) by making Enable high and thus opening the con­ tactor switches. This

Enable

signal

comes from bit 6 or 7 of the I/O

port. 2.7.8. Inverter control printed circuit board. This print, shown in fig. 2.32, has three tasks : it tells the inverter which mode (manual/computer) has been choosen -

determines the BPC or MPP mode determines the power in BPC. The invertermode (MPP/BPC) is set by the voltage at the point a 0 V = BPC

; 15 V - MPP.

The amount of power is set at b : 0 V = minimum power ( 0 Watt) 10 V = maximum power (5000 Watt). All the

control

signals

pass

through

optical couplers so that

there remains a galvanic separation between the

inverter and the out­

side world (computer ). The current I (manual/computer) overrides the settings of the manual m/x control elements, the potentiometer Ρ and the switch S via analog swit­ ches S la

, S . when the control

is by

computer. In the other case the

lb

potentiometer Ρ and the switch S are operative. For the power control a simple linear optocoupler

has been used. The

35

computer output current I

(0...10 mA) drives

LED

(03a).

The

opamp

makes

the current I through a second LED (03b) equal to I . In this ο ρ way, the voltage V over resistor R is proportional to I . Voltage V Ρ ρ ^ *~ Ρ Ρ can be connected with point b via S.d. The current I is the result of 1 Ρ the output voltage

of

verter's output voltage

the D/A converter of the processor; the DA con­ has been

converted into an output current by

the circuit fig. 2.33. 2.7.9. Control computer. The process control computer is a VEKTOR

computer, type MMD-DDS

consisting of : -

processor board with 8085 A processor

-

64 K RAM 2 floppy drives with

340 K byte

memory

capacity

(double sided,

double density) two serial RS232/20 mA outputs; one is used

for

the

terminal QUME

QVT 100 a 12-bit A/D chart with 16 channels Properties : 12 bit conversion in 12 microseconds with AD363 12 kHz sampling rate in simple mode,

20 kHz

rate

in

pipeline mode input ranges : +/- 5 V, +/- 10 V or 0-10 V. a 12 bit D/A chart with four outputs (range 0-10 V) a

PIO (parallel Input/output) chart with 24 programmable I/O lijnen

(with 8255A). The software consists of two 8085 assemblers : A SM.COM : generates absolute code M 80.COM : generates absolute and relocatable code a debugger for Assembler programs BASIC interpreter BASIC compiler a linker -

assembler driver routines for the I/O charts.

36

2.7.9.1. Review of the software tasks. The software has the following tasks : In Assembler -

controlling the time and synchronize the measurements

-

to carry out simple calculations on the measured data.

In Basic -

handling and visualizing the data

-

error detection in the system control of operation mode : manual, via terminal or automatic storage of essential data.

2.7.9.2. Clock and synchronization of measurements. The

processor

chart contains an interval timer (8155). The timer

is driven by the processor clock signal (resolution 325.5 nanoseconds). The

timer

generates

interrupts via the RST 7.5 line of the 8085A. A

8155 counter is initialized is generated that

starts

in such a way that every 5 ms an interrupt the

clock routine. This routine stores time

and date. Besides, the measurements are also performed under interrupt control. See fig. 2.34. Every

30 seconds

the

normal 5 ms pulses are

interrupted and replaced by 4 times 256 pulses with

an intervaltime of

312.5 microsec that start a pair of measurements. The

signals

to

be

measured

contain, because of the PCR, a

(panel voltage

and

current,...)

300 Hz ripple. It was also necessary to

sample a complete mainsperiod of 20 ms because the ripple is not 300 Hz periodic but also contains a 50 Hz component due to the assymetrical 3phase

transformer.

sufficient,

it

Since

results

samples

for the

300 Hz

signal are

in 60 samples for a complete period of 20 ms.

Afterwards some

simple

these data

therefore

and

10

arithmetic the

operations have to be performed on

sample rate is taken at 64 samples per

period. The corresponding time interval becomes : 20 ms/64 or 0,3125 ms During each interval two measurements are performed measurement measurements

: a current

and the corresponding voltage. The time delay between both is

0.1 sec. After 64 values are measured and stored

the

37 next

measurement

is

done. In sequence we have :

IPB1/VP1,

IB1/VB1,

IPB2/VP2, IB2/VB2. After 256 pairs of med i.e.

4

mains

measurements a complete cycle has been perfor­

periods

or 16 times 5 ms. Every 30 seconds four of

these cycles are performed within 1 second and equally spaced over this second. The purpose is to

average

the measured values in order to ob­

tain a higher accuracy. The above 8 channels require

a

rather

complicate way for obtaining a

good accuracy. The other next 8 channels are concerns well-filtered signals

such

as

easier to handle since it

insolation,

temperature,

AC

power, .. The AC power output from GTV-0289 is filtered and it contains no ripple. The temporarily storage of data requires a lot of memory : the synchronized measurement of voltages and currents : : 4

(cycles) χ 256 (pairs) χ 2 (measurements) χ 2 (Bytes/measurement)

= 4096 BYtes - 4 k Byte. -

other measurements : 4 (cycles) χ 8 (measurements) χ 2 (Bytes/measdurement) - 64 Bytes.

For

the

use out of the BASIC program a counter

MEAS

is

incremented

every time a cycle has been finished. 2.7.9.3. Processing of the data in Assembler routines. For fast data processing a simple Assembler routine has been writ­ ten. This routine

can be called from the BASIC program and it performs

the following operations : calculating the average of 64 measurements of a cycle searching the smallest value searching the highest value.

In this way the peak-peak value of the

ripple is determined the average product of 64 pairs of data. Since it concerns

the

I/V

pairs we calculate power. The error due to

the extra delay between I and V is neglectable. For a sinusoidal signal of 300 Hz the error is smaller than 2 %. Besides, the signals are dc signals with a ripple superimposed on it so the error is undoubtedly below 1 %.

38

the average square of 64 current values of a cycle. This is used to calculate the power loss in the

cables.

The

cable

resistance is known to be about 45 mOhm.

2.7.9.4. Overall organization with BASIC. The following actions are organized with the BASIC program : counter every

MEAS that counts the measurement time

it reaches 4 it is reset and

cycles the

is

controlled

processing

of

:

data

starts for 4 cycles and 8 channels the arithmetic operations are performed -

for 4 cycles

and 2 channels (IPB1, IPB2 ) the effective value of the

current is calculated. Finally, over the 4 cycles the average of the averages, the minima minimorum and maxima maximorum are calculated as well as the results of the 8 other channels. The following values are calculated : -

efficiencies of both panels Ρ

-

state of

charge

and Ρ , total efficiency.

( SOC ) of the batteries Bl and B2 from the charge­

and discharge currents; the

SOC

is set to 100 % when a preset vol­

tage is reached. This SOC calculation is only a rough

method. Later it will be replaced

by much more refined methods. -

Cable loss and the resulting dc input of the inverter, invertereificiency.

All these data are put onto the display. A few energy counters are also included. Over

a period of half an hour

the following numbers are calculated : 2 -

insolation in kWh/m electrical output in kWh

-

energy stored in battery (kWh) energy from the battery (kWh)

-

dc energy input of PCR (kWh)

-

ac energy output of PCR (kWh).

These data are put on a data file on floppy every 30 minutes corresponding times, voltages, currents and battery SOC.

with

the

39 2.7.9.5. System supervision. The with

the

choice between manual/computer mode for the

system

is

done

computer if there exists a connection between PCR and compu-

ter. Otherwise the mode is always manual. For the moment three possibilities exists : -

manual control

-

computer control with the keyboard automatic

control

following

pattern. The purpose of

a

procedure

that

uses

a

consumer

the installation is to try different proce-

dures. The

display

computer

the

shows the state of the system. E.g. state

manual/computer;

if

of the contactorrelais, invertermode,... are also

displayed. Besides, all changes of control modes are stored on the file for

the

measurements

so

that afterwards the data can

adequately. The format of the

be

processed

data files corresponds to the directives

of the CEC so that processing at the centre at ISPRA is possible.

2.7.10. Future extensions of the system. Hardware. -

automatic switch-off of branches of the panel for control purposes automatic measurement of the current-voltage

characteristic

of the

panel ( and drawing ) -

performing measurements on other batteries for the charge-discharge develop

curves,

memory-effects,

..

The

Software. support for the hardware extension above described implementation of SOC calculations other control strategies -

purpose

is

to

better SOC controllers. For these measurements the channels

that are still free will be used.

-

determination of

detection for tracking system faults

40 Analysis of stored data. The

data

computer at perform

its

stored on floppy will be processed on

the

the

VAX

11-750

LEM. This means that the control computer will always

dedicated

taks.

The data will be transferred through an

output that is free on the I/O board.

41

3. Execution of the project. 3.1. Organization of the project management. The

organigram

of fig. 3.1 shows how the

responsibilities

have

been devided amongst the EGW and the RUG. The project director is Prof. H.

PAUWELS;

on

the side of the EGW dir. ir. W. HUYBRECHTS is respon­

sible for the EGW activities. The technical activities side of the RUG

dr.

are

directed by civil engineers. On the

ir. D. BAERT is responsible for the design of the

electronics. He was helped by

other

engineers and technical personnel

(draughtsman, photographer, electronic and mechanic leader

technicians).

of the technical activities in the EGW is ir. Α. DE

designed

the

BEULE.

The He

mechanical parts (panel frame) as well as the electrical

safety systems. He

has been assisted by technical personel : draughts­

men, technicians (mechanics and electricians).

After the contract is terminated the RUG will perform measurements for

at

least

two

year. The measurements and the programming of

the

measurement setup are performed by civil engineers. 3.2. Contracts and choice of suppliers. A public tender has been made for the purchase of the photovoltaic generator. The public tender was

executed following the administrative

rules. After having examinated the different orders we have choosen the panels of FABRICABLE (now PHOTON TECHNOLOGY)

because the price was the

lowest. We invited also tenders for the purchase

of the batteries and the mea­

surement system. On the ground of price and

the

available

funds we have choosen VARTA

batteries. The other candidates offered more expensive offer has

batteries;

was received too late. On the same basis the measurement been

one

system

choosen. The prices of almost all firms were higher than the

available funds; therefore we took the VEKTOR system with its relative­ ly

low

price.

A drawback is that this system asks a lot of

software

42

design, while the more

expensive systems are directly dedicated to the

execution of measurement problems. 3.3. Contracts with third-parties : none. 3.4. Construction of the installation. The

entire

installation

has been

constructed by EGW

and

RUG

personnel. 3.5. Problems that occurred. The problems that occured were

technical. As an exemple : origi-

nally we designed a larger frame but

the city-building authorities re-

fused it on the ground of esthetical

reasons. Therefore the panel has

been split into two units placed one before the

other. We leaved also

our original intention to install the p.v.g. onto a moving

frame since

the stability of the terrace was insufficient to support wheels. The problems of delivery time of components did not have influence on the project scheme.

a

large

43

4. Start of operation. 4.1. Initial problems. Some

problems occurred with the control of the installation from

the measurement -and control system. By changing the software all these errors could be eliminated. During

the

measurements we discovered that the isolation of the

measurement transducers was insufficient to guarantee interference free results. This could be solved by using a better grounding technique and by changing the electronic amplifiers. 4.2. Array performance. The

array

performance

parallel with the batteries. cur if the

p.v.g.

was

was determined by operating the array

This eliminates the errors that would oc-

loaded with the inverter, because the inverter

ripple current would decrease the is necessary, the

in

inverter

efficiency.

operating

point

Further, since MPP mode continuously

oscillates

around the MPP and this also generates measurement errors. The following results were noted : Irradiation Batt. voltage Battery current Panel output Panel efficiency * 996 W/m 2

61 V

1,85 A

4280 Watt

1065 W/m 2

56 V

2,1

4469 Watt

A

10 % 9,76 %

(*) measured in connection box. The temperature transducers were not installed at this was

moment

estimated that the cell temperature was somewhere between

45 C,

say It

it

35

and

40 degrees. At 40 degrees the MPP voltage is about 63 V and

this agrees very rement.

but

is

well with the battery voltage during the first measuclear

that the panel output in the second

case could

44

have been larger with

a higher battery voltage. Fortunately the vari­

ations of the power output around MPP are small when the operating vol­ tage deviates a little from the MPP voltage. The following energy balance can be set-up : Diode-losses. The modules are protected

against

reverse-voltage by

diodes BYX49-600. The measured voltage drop of this diode at 2A was 1,1 V and thus the loss is 38

χ l,85 χ 1,1 = 77,3 Watt in the first

case and 87,7 in the second one. Cable-losses. In fig. 4.1 it is shown how collected.

the

panel

current

The resistance for one meter busbar is 2pl/wire

is

section

or 1,24 m η. The total busbar loss for one panel becomes 5,6 Watt at 61 V box

and 7,3 Watt at 56 V. The cables from busbar to the connection (2

χ

5,5 meter for Pj and 2 χ 3 m for P 2 ) account for a total

loss of 26,0 watt batteries

an

and 33,6 Watt. Between the connection box and the

additional

16,9

or

21,7 watt is loosen, but

these

losses are behind the measurement point. The total cable losses are therefore : 31,6 W at 61 V and 40,9 at 56 V. Summarized we obtain the table : V

Ρ

BAT

BOX

Total Loss

Panel out

Panel efficiency

61 V

4280

108,9

4388,9

10,3

56 V

4469

128,6

4746,6

10,4

The net

panel

output

agrees

very

well with the J.R.C, s acceptance

tests for the photovoltaic installation

at Chevetogne

same cells. The Fabricable 36-cell modules gave

which uses the

30,2 Wp at S.T.C, and

this would give 4590 Wp for the RUG-EGW panel. The net panel efficiency is more than 10 %. If it

is

accepted

that the first situation in the

table corresponds to the STC conditions then we see that

there remains

a deficit of about 200 Watt to explain or 4 %. Trie difference can be attributed to several factors

such

as mismatch

between modules when they are put in parallel or in series. Our modules were

classified depending on their short-circuit current by

illumina-

45

ting since

them the

with a light-source. Perhaps this selection illumination

dispose over a

good

it is also possible

is

too

crude

is not ideal (level too low) but we could not

artificial light-source to remedy this. Otherwise that

and deviation from the MPP.

a percent is due to the measurement accuracy

46

5. Operational results and measurements.

Due to the fact that the measurement period cannot

is

rather

give extensive results. For this we need at least

preferably

10

month

a

and

a

years. The following table 5.1 gives, averaged year the irradiation in Watt/sqm on

the

panel

short year over

we and a

surface

(measured with SOLARIMETER). The measurements, up the roof of

the

RUG

to

and including July 84, were performed on

lab; from august on the results are those of the

RUG-EGW measurement system. Since

both

sites

are adjacent we can use

the same values.

Table 5.1 : 1. average irradiation (per month) in Watt/m . 2 2. average irradiation over a year in Watt/m .

Year

1983

1982

1984

Month January

50,3

35,4

48,4

February

85,7

91,5

74,9

March

116,2

90,8

100,4

April

161,2

125,6

181,3

May

176,2

120,8

105,2

June

174,8

184,2

170,8

July

172,2

209,1

163,8

August

153,1

172,6

171,7

September

146,5

123,8

94,6

October

82,2

107,2

November

48,5

63, 2

December

21,9*

46,1

Year

114,3

115,8

* data incomplete. The next table

5.2

gives

an

energybalance

during the period 20.8.1984 to 26.9.1984.

of the installation

47

Measured or calcualted were 2 1. total irradiance energy in kWh/m 2. total panel energy output (kWh) 3. calculated panel efficiency (- energy output/energy input) 4. dc input energy of inverter in kWh 5. transport efficiency : from the calculated cable losses 6. AC output energy of inverter in kWh 7. Inverter efficiency. Naturally a control strategy had to be adapted

choosen

for

this

period.

a very simple one : the inverter was directly coupled

panel

and

small

model

the best

the mode was MPP. From measurements we installation

method.

This

operates with a very

to

the

from

our

at the laboratory we found that this is not

is due to the fact that the inverter sometimes

low

efficiency and also because there are losses

during the night. The latter however installation at night. During negative efficiency if

obtained

We

the

the

were avoided by switching-off the day

energy

it

input

remains possible to have a is

smaller

than the zero-

load losses of the installation.

5.1. Results for permanent and interrupted MPP mode. The following table 5.2a gives results for two

methods.

5.2a the inverter has been connected continuously to the

In table

panel

in MPP

mode (period 20 aug.-26 sep). The influence of the night losses

on the

inverter efficiency can be clearly seen. In 5.2b the inverter has switched-off oct-17 inverter

been

at low insolation and also at night (during the period 29

nov). The improvement is spectacular : in the former case efficiency

became

remains always higher than

very low at low irradiation

and

now

the it

75 % even under more severe conditions. The

temperature measurements will

only

be

available from december on be-

cause the sensors have still to be mounted. The instantaneous behaviour of

the

installation

cannot

be

described

amount of data is too large. However,

by these tables since the

all results are stored on floppy

disc following the instructions of the CEC.

Tabel

5.2,

a. I n v e r t e r voortdurend

Table

5.2.

a.

verbonden,

Inverter continuously

Periode

Belichting

Paneel

Period

Irradiation

Panel

kWh/m

2

operating

output Paneel output

kWh

20-26 a u g .

32

6-12 s e p .

11,7

30,7

13-19 s e p .

16,4

20-26 s e p .

19,4

1082

Panel

rendement efficiency

%

Inverter input kWh

7,86

Transport rendement Transport efficiency

τ

Inverter

Inv.

rendement

output

Inv.

efficiency

kWh


103,6

95,8

75,8

73,2

6,1

29

94,4

9,4

32,4

49

6,94

46,9

95,7

24,7

52,7

53,2

6,37

50,7

95,3

28,1

55,4

b. Inverter afgeschakeld bij lage lichtinval, b. Inverter disconnected at low irradiation. 1

—

—

—

^

—

—

—

29 o c t - 4 nov 5-11

nov.

12-17 n o v .

—

70,14

7,75

68,4

97,5

56,5

82,6

8,86

25,75

6,76

25,2

97,8

19,3

76,7

6,15

16,15

6,10

15,9

98,2

12,8

80,8

21 ,6

-O CD

49 5.2. Results for the Load Matching Mode (LMM).

In this pattern. is

mode

the

inverter

is

used

for

matching the AEG load

The inverter is always battery­connected and its power output

controlled

by the computer. If we define the various powers in the

system as follows :

Pp ­ panel output power, Ρ

­ power demand of load,

P. ■ power going in (P. < O) or out (P. > O) the battery, D

b

D

P n ­ power going in (P n < O) or out ( P n > O) the grid, then we can have different cases.

1. Pp < Ρ

In

and empty battery.

this

case

the battery is connected to the panel in order

to

charge it : P. ­ ­ P_. The load power has perforce to be taken from the v b

grid (P

«

P n ) and this is a situation in which a shortage sh occurs.

This case is initiated by the battery state­of­charge SOC. When the SOC falls below 50

%

becomes less than

(from 1.95

charge calculations) or when the cell voltage V

the

inverter becomes inoperative until the

battery is fully recharged by the panel. For the moment partial charges or discharges are not allowed

because

the SOC by charge measurements can

errors

accumulate

in the determination of so

that the actual SOC

differs considerably from the calculated one.

2. Pp < Ρ

and 50 < SOC < SOC < or ­ 100 %.

In this case the battery is allowed to discharge and we have Ρ Ρ ­f P. and P„ n = o. After the SOC becomes smaller than 50 % we ρ b to the first case.

3. P p > Ρ

Now

­

return

and fully charged battery.

there

exists an excess Ρ

of power since Ρ ­ P„ ­ P, > 0. p ex ex 1 The load power comes via the inverter from the panel and the excess is sent into the grid : P n ­ ­ Ρ n ex

50 4. Pp > Ρ , battery discharged.

A fraction of P p is used for the load and the

remainder

is

for

battery charging : P. ■» ­( Pn­P, ). The SOC increases from 50 v D l eventually 100 % and we return to the previous case.

used %

to

The above control strategy is very suitable for residential appli­ cations since

it

tries

to

minimize

drawn from the grid. Due

to

the

the fraction of the load energy

finite battery size this can only be

partially executed and there remain always shortages to

cover and ex­

cesses to sent into the grid.

The LMM has been used from february

on

and

results are given in

table 5.3. The quantities η, η ,, and Ρ in this table are respective­ eff av ly the total number of days, the number of day for which data are 2 available and the average insolation in Watt/m

over

η

days.

The

other parameters are : "Pan irrad" : total irradiation energy on the panel (kWh) "Pan out" : energy output of the panel (kWh) "Pan eff" : average panel efficiency

(%)

"Bat in/Bat out", "Inv DC in /Inv DC out" : energies (kWh) going in and out the battery or the inverter. "Inv

Ac to load" : fraction of "Inv AC out" that is used

directly

by

the load. "Inv AC excess" : fraction of "Inv AC out" that is sent directly in the grid. It means that "Inv AC ­ "Inv AC to load" + "Inv AC excess" "Energy pattern.

demand"

: energy (kWh) demanded by the virtual consumer,

AEG

51 Table 5.3 : Results for the load matching mode (LMM) Period

1 Feb-7 Mar

8 Feb-14 Feb

1 Mar-7 Mar

(n;n

(35,31; 90.5)

(7; 7;127)

(7;7;45)

kWh

kWh

eff ; P av>

Pan irrad Pan eff Pan out Bat in Inv DC in Inv AC out Inv AC to load Inv AC excess Energy demand

As can is

far

6.74 220 95. 5 185 143 88 55 372

energy

%

327 7.54 21.6 18.5 19 14.4 14.4 0 84

61.9 34.5 27.4 100

6.61

17.1 17.1 0 100

seen, the matching of power generation and consumption good.

During the whole period, 143 kWH or 38.4 % of the

energy demand has been the

38.4 23.7 14.7 100

kWh

%

915 . 69 16.7 64 52 29 23 84

3266

be

from

%

demand)

produced. of

this

However a third (55 kWh or 14.7 % of

143

kWh is fed into the

grid

without

existing a demand for it. In the week from 8 to 14 February, this fraction is already 23 kWh/52

kWh

or

44 %. Only the last period with low

insolation and energy production shows no excess energy. Obviously, the battery storage capacity has not been fully used

: in effect, the bat-

tery has often been disconnected before reaching 50 this has saved the battery from freezing (the

period

very cold one), but from the other hand has hindered

%

DOD. Certainly, mentioned

its

was a

operation as

an energy buffer.

In

tabel

5.4

the

results

march 85), the interrupted

MPPT

for the whole period (15 june 8 4 - 8 mode

(29 oct 84 - 25 nov 84) and the

LMM (1 febr. 8 5 - 7 march 85) are summarized. The

results

for

the

whole

period

are

however not very meaningful

because it is built-up from the MPPT mode period, interrupted MPPT mode period, LMM period and periods in which

measurements

were lost due to

computer failure, software corrections, servicing.

Clearly, the three period ching. A

periods

(complete

period,

interrupted

MPPT

and LMM period) show no substantial differences as to load matbetter control strategy for the battery is necessary and will

52 Table 5.4 : Load matching comparison for three periods. Period (n;n „;P ) eff av

Inv AC Inv AC Ine AC Energy

lov 29 Oct-25 Nov (28;23;76)

15 Jun-8 Mar ( 267; 131; 99.5 ) kWh

%

out 586 out to load 280 out excess 306 demand 1572

kWh

37.3 17.8 19.5 100

99 53 46 276

1 Feb-7 Mar (35;31;90.5) kWh

%

143 88 55 372

35.9 19.2 16.7 100

% 38.4 23.7 14.7 100

be studied in future. 5.3. Results with th PWM inverter. In order to determine the allowable power rating of the PWM module extensive temperature tests have to be carried out. Although during the design phase the

module has successfully operated at a power level of

850 Watt there is no reason for accepting this as nominal module power. Indeed, the heat sink

rose

sing temperatures of over

considerably in temperature and mosfethou-

the

90 C have been noted. Another point is

that the number of mosfets in parallel fets ( 2 or 6 in total).

Clearly,

can be changed from 1 to 3 mos-

the high efficiency asks for 3 mos-

fets in parallel but if the module is used at low levels or if a very high efficiency is not a necessity two or four mosfets job. For the final temperature tests we compared the

can also do the

versions with

2

and 3 mosfets in parallel. Further we investigated the influence of the heat-sink special They

shape and color. From the start it became

heat-sinks

complicated

shape

caused

board.

Since

a

that the

offered by the manufacturers were of little value. the

design of the module p.c. board

restriction

the

clear

mosfets

because

their

for the position of the mosfets onto the switch high currents in 100 nsec the p.c.

board layout is critical and the distance between the mosfets has to be as small as possible. Temperature measurements also revealed that there was

almost

no

difference

between

the

behaviour of a special heat-

sink and a simple flat plate and therefore a flat aluminium plate, 3 mm thick, and with the same dimension as the p.c. board was used as radiator. The influence of the heatsink color

was determined by comparing a

blank radiator, and a plate with one side black painted. In the latter

53 case the blank side faces the

p.c.

board

sink radiation towards the board. This

in

also

order to decrease heatdecreases

the

component

temperature. The module was operated sufficiently long to reach a stea­ dy-state

temperature. The ambient temperature was about 23 C and there

has only

one case been measured with two mosfets in parallel (*) since

efficiency was a prime consideration. AC power output

Temperature mosfet in

( watt )

Blank h-a 50 71 85 87

500 667 775 800

From

C

1/2 Black h-a 49 64 74

(99*)

-

the results it follows that heat radiation is important above

an

output of 500 Watt; In the latest version of the module the area of the sink has been slightly increased and together with the use of a thermal grease between

the transistor base and the sink a mosfettemperature of

44 C has been obtained, i.e. only 21 C above ambient. The results also suggest that 775 Watt is temperature Τ . Higher Τ ted take

allowable

at

25 C

values can occur if the inverter is unprotec-

against the sun and even 70 c is possible. In such a case 500

ambient

Watt as output power specification since with Τ

mosfetttemperature rises to

we

can

* 70 C

the

92 C and this is still allowable. For Τ

-

40 C we obtain 65 C at 50C Watt and it becomes possible to overload the module to 750 Watt, for say, 5 minutes.

Behavior of the PWM in the installation. The first tests showed that the following switching to then

be respected application

of the DC-input

voltage

to

destruction as a result.

voltage.

Since

this

sequence

is

gives no problem. If the sequence is reversed

then commutation failures grid

has

: first, connection of the AC-output side to the grid,

software controlled this the

sequence

the

can occur that apply the inverae polarity of converter part of the inverter with mosfet

54 Another problem occurred with the freewheeling diodes of the converter part that blowed up regularly. The problem was attributed to the final reverse recovery time of the freewheeling diode generating inverse the

voltage peaks of 800 V. By using a snubber network in parallel with diode

diode

these peaks were reduced to 630...650

dissipation

was

V and a part of the

transferred into the snubber and thia ia very

favourable. The measurement

system

has

also shown to be allergic to the PWM

inverter due to the fast rise-time converter impulses. This problem can only be cured

by

using

appropriate interference filters. At the time

the measurements were done mains filters were not available and therefore we used an analog Wattmeter to determine the AC power. Remains the question what can be measured when the module operates in the installation. Since the

nominal

AC-output

power is limited to

500..750 W the module cannot be connected directly to the panel nor can it match the load power

during

a whole

day. Besides, we had to take

care for not disturbing the current measurements with

the

PCR. There-

fore a suitable period of the consumption pattern has been

choosen for

measurements. Two periods where found that accorded

with

the

nominal

500 Watt specification : 13 h 30 to 14 h

506 Watt AC

15 h

569 Watt AC.

to 15 h 30

The PCR operation was interrupted during these periods and for the missing

data was corrected via the software. After careful measurement

of the

DC-input power and the AC-output an average (period of 3 months

at the end

of 84) efficiency of 9C % +/- 2 % was found and this agrees

very well with

the

efficiency calculated from the converter characte-

ristics (2.4.5). Meanwhile

a

new

modified bridge (lower

versiov. is under construction with a slightly consumption, better

switch-on

behaviour) and

it is expected that at least 3 kW can be obtained in the near future. The main bottleneck appears to be a

temporarily shortage of power mos-

fet transistors on both sides of the ocean. The mosfets ordered (SIEMENS) the 1st of december to arrive end of October 1985 !

of 1984 are expected

55

6. Work carried out during reporting period. The tion

organigram 01 shows the course of the activities. The

of

the project ran over two yeara starting on 1

During the next

execu-

december

1981.

three phases of 8 months the following activities took

place. 6.1. Firat phase (1.12.1981 to 31.7.1982). Concerning the p.v.g. 1. By the

RUG

:

contacting

several firms for price inquiry - public

tender - order. 2. By the EGW : design of frame for p.v.g. (wind force, stability, life time) - drawings of

frame

-

advice of town-building authorities -

adaptation of plans following this advice - purchase of materials. 3. By RUG

design

of

the

electrical

configuration

of the p.v.g.

(choice of supply voltage,..).

Concerning the PCR (entirely by RUG) Drawing up the specifications of the PCR

(supply

design of power part (inductor, transformer,

voltage,

choice

of

type) -

thyristors

and fuses,. . . ) Design of electronic circuits (power tracker, pulse circuits) -

Design and drawing of printed circuit boards Purchase of components - mounting - interconnection

-

Design of case with heat sinks - purchase of material

-

Construction.

Administrative activities

: writing the first report (period 1.12.1981

to 1.4.1982). The sequence of these actions followed more or less those proposed in

the

contract. The purchase of the cells has been

administrative problems.

The

delayed

due

to

purchase of the batteries has been post-

56 poned

to

the

second

phase because they could not be put into use in

this phase. Concerning the PWM inverter. During the entire first phase at a rate of 100 %

a civil electronics engineer worked

on the design of a PWM inverter. A prototype of 250

Watt was constructed but afterwards the application. The circuit

was

it

too

appeared

to be unsuitable for

complicated

erroneous manipulation. Besides, the waveform lost

and

sensitive for

its pure

sinewave

form in certain parts of its operating range. 6.2. Second phase (1.8.1982 to 31.3.1983). The second phase covers the period from 1.8.1982 to 31.3.1983. In sequence, the progress can be described as follows : Concerning the p.v.g.

1. Delivery at

RUG

current during

of panels - testing - measurement of short-circuit illumination

and

classification - transport to EGW

building. 2. Mounting of the frame on the terrace by the EGW personnel - mounting of the panels. Concerning the PCR (RUG). Mounting the electronics into the house - frontpanel - connections - testing -

improvement

of

elekctronic

circuits and safety circuits

(automat ic switches, fuses). Concerning the PWM inverter (RUG). Design and construction οι new the technologie simulations .

(transformer) -

500 W prototype - improvement of

theoretical

studies

and computer-

57 Concerning the interconnection of the parts (EGW). Study of connectionboxes between p.v.g. and controlroom. -

protections study of

(fuses,

safety

lightning)

requirements

- control of contactor relais

-

(self-exitation of inverter with the

mains switched-off, mains interruption). -

purchase of materiale (cabinet, contactorrelais, cable,...)

6.3. Third phaae (1.4.1983 to 30.11.1983). The third

phase

ran

from

1.4.1983 to 30.11.1983 and we had the

following sequence of activities. Administrative activities : writing the third report. Concerning the p.v.g. and P.CR.

: no activities.

Concerning the interconnection of the parta between

:

p.v.g. and control room were finished -

all

interconnection

installation

of

the

batteries in a P.V.C, housing. Concerning the PWM inverter : testing the new 500 Watt prototype. Concerning the system study. In the third concerning

the

phase a rather complicated research haa been started economica

of

accountant. Therefore it was

the system in cooperation with necessary

an

EGW

to perform an extended simula-

tion on the computer. The purpose was to determine the influence of the climat on the financial

gain

of

the ayatem and also to find the beat

system size for a given consumption and climat (size of panels, battery capacity, inverter rating), see third report.

Concerning the measurement setup. In the third phase

we

started

the

development of a measurement

system : study of the transducers - purchase

- design and construction

of the isolation amplifiera - current transducer - linear optical coupler.

ORGANIGRAM Ol : werkschema course of activities,

(

le faze \ 1st phase^/"

1-12-81

r

f.v.g.i I märkts tud ie p.v.g. I market study

prijsaanvraag + openbare aanbesteding prier inquiry + public tender ontwerp framei design frame I

31-7-82 *bestelling orders

stedebouw ^ town-building a u t h o r i t i e s

herwerken volgens advies a d a p t a t i o n to advice

aankoop materiaal purchase material *"!

' ^

ontwerp elektrische konfigurat.ie design electrical configuration

P.C.R. j I specifikaties i Keuze schema ¡ specifications choice circuit

ontwerp vermogendeel (design power part ontwerp stuurelektronika design electronics ontwerp behuizing design housing

Administratief Administrative '

CD

schrijven rapport I ¡ (1 .12.81 tot 1 .4.82)[Iwriting report I

aankoop materiaal purchase materials

aankoop materiaal purchase materials

-5»—

bestukking mounting

konstruktie construction

2e faze -\^ 2nd phase

1-8-1982

f.v.g. p.v.g,

levering panelen d e l i v e r y of panels

ì J·

transport montage frame mounting frame'

P.C.R.

^-

Samenbouw installatie interconnection

P.B.M.

Administratief Administrative"

samenbouw mounting panels

testen testing

samenbouw in kast frontpaneel,... mounting electronics into the housing,...

verbeteringen "improvements

^3

aankoop materiaal

studie junction boxen veiligheidseisen study junction boxes safety requirements

purchase of materials Nieuw prototype 500 Watt 'feoretische studies New prototype 500 Watt Theoretical studies schrijven rapport II (1.4.1982 tot 31 .8.1982) writing report II

3e faze 3rd phase /

1.4.1983

Samenbouw installatie mounting the installation*

30.11.1963

bekabeling, junktie­boxen ¡ c a b l i n g , j u n c t i o n boxes) u

levering batterijen delivery batteries

montage in bakken mounting in boxes

PBM PWM

konstruktie nieuw prototype + testen

Administratief Administrative

schrijven rapport III writing report III

construction of new prototype + testing

schrijven rapport IV writing report IV σ­ α

systeemstudie system sti".iy

komputer simulatie voor ekonomische evaluatie computer simulation for

economic evaluation

meetopfuelling measure¡nent setup

aankoop transducers ontwerp transducers marktstudie computer purchase of transducers design of transducers market study computer

C

1.12.1983

PBM PWM

aankoop komponenten purchase components*

Verlengingsperiode Extension period

ontwerp print rack design p.c. board design rack

31 .8.1984

testen + aansluiten testing + connection

1.7.1984

\ Meetopstelling y Measurement setup

aanbesteding ; tender

bestelling+levering order­»­delivery

opstellen mounting

testen testing

Λ

transducers

wijzigingen modifications

1 . verbinding met kontak­ toren en relais 2. kontrole van PCR 1. connection of contactors and relais 2. control of PCR

testen testing

meten fouten ver­ I beteren ; measurements debugging

■*i

62

6.4. Personnel coat. The three

organigram 02 shows how the work

phases.

was

distributed

over

the

For clarity we also show which personnel worked for the

project although thia waa not foreseen in the contract. Not counted for the costa were : RUG : - prof. ir. H. PAUWELS (supervision) - secretary, technicians, draughtman, photographer - assistent (theoretical system analysis, computersimulations) EGW : - dir. ir. W. HUYBRECHT - draughtsmen Distribution of the work during the first phase. RUG : 2 engineers D. BAERT

25 %

L. BONTE

100 %

EGW : l engineer

A. DE BEULE 25 % in average

Distribution during the second phase. RUG : 2 engineers O. BAERT G. DE MEY EGW : 1 engineer

100 % 25 %

A. DE BEULE 25 %

2 technicians

30 % in average

Distribution during the third phase. RUG : 2 engineers D. BAERT G. DE MEY EGW : 1 engineer

100 % 25 %

A. DE BEULE 25 %

1 technician

80 %

81

- 83

82

*κ-

J2nd

./Ist phase J. í jan , f eb

f"g

4

1

phaseL_|_

¡-

■*r€-

dec ] jan

,^3rd phase).

. aug l\-i

¡1.12

¡RUG

I

EGW

Baert

25 Ζ

Lonte

100 Ζ

.1-7 . > * . 31-7 ^ 1-4.

De Beule

50 %

^<-

_..._ 100 % De Mey

25 % 25 %

Technicians o-.

83

84 - * ! « ■

Κ

extension - verlenging

<· !t e I

L nov y dec 1 jan

100 % 25 % 25 %

rena of \ ;ndof Iproj ìrojekt 1

.aug

ï

.100 , Baert. 100 / Simoens ί-f De Visschere—,- 50 % ^1

Kuyken

.U

,

50 7,

ORGANIGRAM 02 - Werkverdeling over de fazen Organization of work.

Baert Simoens

64 6.5. Changes or modificationa from the original project. Although

the

aequence

of the original proposal has been

grosso

modo followed, some delays occurred. 1. Purchase of photovoltaic months

due

to

an

generator : has been delayed for about two

administrative

error since the neceeaity of a

public tender was not foreaeen. 2. The

purchase

of

batteries

mounted in their boxes. In

has been delayed until they could be this way

no maintenance was necessary.

The final delivery however was about 6 weeks

later than planned due

to the holidays. 3. Several times we had to wait for

the

deliveries. E.g. the mosfet-

transistors for the PWM inverter were difficult to obtain. 4. The design of the PWM inverter was far more difficult than expected. This type of inverter

was

clearly

not suited

photovoltaic applications. The difficulties very the

arose because

of the

complex circuit. Besides, we started from the beginning idea

because

with

that new components (mosfet transistors) had to be used from

the

characteristics

components were superior from of

at this moment for

driving.

It

is

clear

one could

deduce

that these

the point of switching speed and ease that the use of

a

relatively

unknown

component contains some risks. Further, a new technology had to be developed due

to

the

fact

that

mosfets

are extremely fast. For

instance, the printed circuit board had to be designed very carefully because currents of tens of ampere have to be switched in 100 ns. The inverter transformer is also specially

designed

for

this pur-

pose : the ratio of leakage inductance to mutual inductance is about 1/20.000 and this is extremely small. Other components

such

switching diodes where difficult to find or could not be

as the

delivered

within a reasonable time. 5. Halfway

the

third phase the engineer of the RUG working on the PWM

inverter resigned. engineer

had

to

This l<=arn

created temporarily a vacuum since another the technology. In order to decrease

development time we employed build the PWM in a useful cheap as possible and also

the

two more persons that had the task to

model. It means, the circuit had to be as more

simple than the previous cne. The

final moc.-le can deliver 800 Watt sine wao~ but it has been designed

65 for parallel operation so that the power can be increased at will. 6. The purchase

of

the

measurement

system by the RUG was for a time

impossible due to budget- sh rink i ng. By constructing more the laboratory we

could

uni*

the

LKM

t>udu« t.

circuits at

Β··1(1·«, money wen

obtained from a research fund. For all this reasons

the CEC gave us

the permission to extent the contract till 31.8.1984. Activities during this period. tender for the computersystem - order delivery -

mounting in control room - connection of transducers with puter

the

- functional testa - improvement of the transducers until

com­ an

acceptable result has been obtained -

connection

of

computer with contactor relais, adding circuitry for

driving the PCR from the computer -

tests of the measurement setup and the panel control start of measurements (1.7.1984) - debugging program.

Concerning the PWM. finishing off an 800 Watt module with new technology - rack mounting - testing and connection with the system. For the organization of the work during the extension period extra university engineers were employed : D. BAERT : coordinator (100 % ) H. SIMOENS : measurement setup (100 %) P. DE VISSCHERE : PWM (50 %) H. KUYKEN : PWM (50 % ) .

66

7. Costs of the project.

7.1. Investment Costs.

Summary of the expenses during the phases. We refer to 0

organigram

that describes the work during the phases (all costa in Bfr.).

7.1.1. First Phase (1­12­81/31­8­82)

A. RUG personeel. 1. P. BAERT (25 %) Salary during 9 months

934.457

Extra allowance for children

99.606

Holiday premium 32.665 χ 9/12

24.499

Bonus end of year 38.632 χ 9/12

28.974 1.087.536

Rate 25 % : 1/4 X 1.087.536 ­

271.884

2. L. BONTE (100 %) Salary during 9 months Holiday premium 1.868 χ 9/12

389.847 1.401 400.248

Total cost university personnel

271.884 +■ 400.248 672.132 (A)

Β. EGW personnel. 1. Ã. DE BEULE

(25

%) : the invoices cover the periods 12­81/3­82 and

4­82/6­82. The month august is added to the second phase. Salary + social charges

546.450 + 580.761 1.127.211

Rite 25 % . 1/4 X 1.127.211 ­

281.803 (B)

Total salary cost (A) ­f (3) ­

672.132 + 281.809 £53.935

67

7.1.2. Second phase (1-9-82/31-3-83). A. RUG personnel. 1. D. BAERT (100 %) 1-9-82/31-12-82 Salary coat

429.463

323.829

58.499

41.547

4/12 χ 32.665

3/12 χ 33.241

Allowance for children Holiday premium

or 10.888 Bonus end of year

1-1-83/31-3-83

or

8.310

4/12 χ 38.632 or 12.877

Total

511.727

373.686

Total aecond phase 511.727 + 373.686 -

885.413

2. G. DE MEY (25 %) 1-9-82/31-12-82 Salary coat

350.923

264.924

9.439

5.799

4/12 χ 30.860

3/12 χ 31.050

Allowance for children Holiday premium

or 1C.289 Bonus end of year

1-1-83/31-3-83

or

7.763

4/12 χ 32.970 or 10.990

381.638

278.486

Total second phase at 25 % rate : 1/4(381.638 + 278.486) -

Total RUG personnel cost - 8β£.4Ι3 ν '_ε5.031 -

165.031

1.050.444 (C)

68

B. EGW p e r s o n n e l .

1. A. DE BEULE (25 %) Salary period 7-82/12-82 -

728.183

1-83/ 3-83 «

434.737 1.162.920

Total at 25 % rate - 1/4 X 1.162.920 -

290.730

2. Foremen (2 χ 80 %) Salary cost during period 7-82/12-82 for 1,6 persons 1,6 X 350.544 =

560.870

Idem period 1-83/3-83 1,6 x 213.201 -

341.122

Total salary cost foremen -

901.992

3. Workmen. Wages during period 1-89/3-83 :

60.611

Total EGW personnel cost 290.730 + 901.992 + 60.611 -

1.253.333 (D)

Total personnel cost second phase : (C) + (D) - 1.050.444 + 1.253.333 -

2.303.777

7.1.3. Third phase (1.4.1983/31.11.1983)

A. RUG personnel D. BAERT (100 %)

G. DE MEY (25 %)

Salary during period 4-83/11-83

870.696

770.941

Allowance for children

113.265

15.888

Holiday premium

8/12 χ or

33.241 22.160 1.006.121

Total : 1.006.121 + 1/4 X 814.52i -

8/12 χ or

31.050 20.700 814.529

1.209.753 (E)

69

Β. EGW personnel 1. Α. DE BEULE

(25 % )

Salary during 4-83/11-83 Total at 25 % rate 1/4 χ 1.199.486 -

1.199.486 299.872

2. Foremen (1 χ 80 %) Salary cost during this period for 0;8 person : 0,8 χ 577.458 -

461.966

3. Accountant (50 %) Salary at 50 % rate - 1/2 χ 746.671 -

373.336

4. Workmen Wages during this period -

565.152

Total coat for EGW personnel 299.872 + 461.966 + 373.336 + 565.152 -

1.700.326 (F)

Total cost (E) + (F) - 1.209.753 + 1.700.326 -

2.910.079

7.1.4. Total salary coat for 3 phases RUG (A)

672.132

(C)

1.050.444

(E)

1.209.753

Total

2.932.329

EGW ( B )

221.S03

(D)

1.253.333


1.700.326

3.235.462 Coat RUG + EGW

6.167.791

70

7.2. Materials. Delivered by EGW (aee invoicee 23/4/3/002) :

1.625

240.519/1,17

45.103

Delivered by othera to EGW

202.117

Total

248.845

Purchased by RUG 1. Panels 5 kW (FABRICABLE) 2.772.900 : 1,17 »

2.370.000

2. Batteries 25 kWH (VARTA)

165.168

3. Measurement equipment (see separate list with invoices ). Total invoices measurement equipment :

695.837

Material and services delivered by RUG. The

following items 1, 2,

3

were

estimated and

stated in the contract 1. Phase-controlled rectifier PCR

200.000

2. Laboratory type PWM

200.000

3. PWM mains-connected module

40.000

For item 3 only one fifth of the proposed price has been taken into account since we only have 1 module. 4. Computer time for simulations. Total PCU time 15 u 53' or 21.180 seconds Rate : 2 BFr/sec (night)

114.360

5. Ten isolation amplifiers

85.000

6. Interface rack (boards Total of items 1...6

connectors, ..)

25.000 664.360

71

7.3. Total cost of project Personne 1

6.167.791

EGW materials, ...

248.845

Panel

2.370.000

Battery

165.168

Measurement equipment

695.837

LEM, items 1...6

664.360

Total The table 7.1

10.312.001 gives the expenses over the phases. The expenses for the

RUG-EGW were

in

rated by the

RUG-EGW.

the amounts given

fact higher because of the VAT that cannot be recupein

As can be seen the expenses more or lesa follow the

contract, the total expenses being somewhat

smaller than the 10.356.000 BFr of the contract.

T a b e l 7-1 T a b l e 7-1 Personeel — Personnel

D e l i v e r i e s by t h i r d p e r s o n Leveringen door d e r d e

Faze Phase

Engineers Ingenieurs

Techn.Pers. Techn.Pers.

1

953.935

-

2

1 .341.174

962.603

3

1.509.625

1 .027.118

Other Andere

Studies

114.360 (computer)

Contract

3.804.734

1.989.721

373.33 6 ... /

1)4.360

expenses uit-

T o t a l per phase T o t a a l per faze

50.000 (PCR)

1 .153.935

150.000 (PWM-Labotype)

50.000 (PWM-id.) 2.370.000 (panels) 165.168 (VARTA)

5.038.945

30.000 (PWM module)

10.000 (PWM mod.)

85.000 (isol.ampi.)

b95.837 (meas, e q . )

25.000 (interface rack) Totaal Total

Andere gaven

Equipment uitrusting

150.000 (PCR)

"

373.336 (accountant) (boekhouder)

Services Diensten

Other

4.115.583

248.845 (EGW)

6.167.791

440.000 3 . 589.841 \ . 4 . 0 2 6 . 312

5.570.000

4 . 7 8 6 . 000

/

10.312.001

10.356.000

73

8. Assessment of commercial viability. The energy output of this installation can only be carrying that in

determined

out measurements during a sufficiently long period. It

by

means

principle complete results can only be expected after a period

of 10 to

20 years. In order to obtain reasonable resulte at present we

developed a computer Year from the

simulation

National

Weather

method that uses the Belgian Standard Service at Ukkel. We are also able to

use our own measurements from previous years 80/81/82/83. The following factors influence the commercial viability of the project. Panel price and panel efficiency. Nowadays stabilized and

one can expect that the p.v.g. prices are more

or

for the time being no spectacular results are to be ex-

pected. Nevertheless, ARCO SOLAR, the biggest Americal solar cell ducer, claims However, a

less

large

large

series production prices of 1,5 $ per peak

proWatt.

part

of the panel costa ia due to the frame and the 2 glass. With the current glass prices (500 Bfr/m - 5 Bfr/Watt peak) it is logical to pay more attention to the mounting frame. As an example : how can the panels be integrated in a roof structure ? If in future the amorphous silicon a reasonable efficiency then the

price

converge to the glass plus frame price.

cells of

can be made stable with

the cells can in principle

Concerni.ig

the efficiency, it

is less probable that spectacular improvements can be obtained

without

affecting seriously the productie-, costs. Battery price and efficiency. The

nowadays prices for lead-acid stationary batteries vary

5000... 10.000 Bfr/kWh.

from

There are no prospects for lower battery prices

at the moment. We expect that only a series production can give a lower production cost (compare Other battery

types

are

with car batteries : less than 5000 Bfr/kWh). still experimental and their cost liea a lot

74

higher. Besides, these new batteries are in general developed for situ3 ations where the energy content ( in ations where the energy content (in kWh/m ) is more important than the price/kWh (e.g. for electrical cars), Battery-efficiencies can be kept high provided the charge-discharge cúrrente are limited.

In parallel

with the activities of the RUG-

EGW installation, a program is running at

the LEM for a more elaborate

study of the battery-efficiency and its functional behaviour. The purpose is to obtain numerical data concerning the battery memory behaviour. This could led to a more efficient

efficiency and control

of the

p.v.g.-B-I system. Further, in

several

we

can notice that from our simulations it follows that

situations

the financial gain can be higher without

than

with batteries (see below). Inverter price and efficiency. The price we used

was

rough guess since it concerns

10.COO an

Bfr/kW input power. This is only a inverter specially designed for our

purposes. We think that it is possible to of two solely by series

production.

lower this price by a factor

Indeed, the

coat

of electronic

omponents strongly depends on the sales-quantity and in principle, the cost

of p.c. boards, etc... has to be about the same as

in a series

production of TV sets. The inverter type also influences the production co3ts. The PWM inverter is still more expensive than the PCR but it can be expected that thia will be no longer the case in a seriea production because of the modular concept that permits a very flexible adaption to the required technical needs.

Selling-reselling tariffs of electricity. The

financial profit depends on the selling-reselling tariffa

the domestic

electrical energy. Electricity sent into the grid haa low

proceeds. Under willing price.

to pay The

of

the

best conditions the electricity producers will be

back

the fuel-costs, i.e. about one third of the kWh

sel ".ing tariff.; increaae

regularly and follow the index

75 rate. The average course can be

more or less predicted without however

being aure. International conflicts could occur that

cause suddenly an

enormous increase of the energy prices. Maintenance costs of the installation. The maintenance costs are determined by : -

battery maintenance : waterrefilling, cleaning the connections,... . This maintenance costs will always be low. repair costs. The repair costs will sporadically occur

and are dif-

ficult to estimate. If some of the cella fail then it is possible that content

owner

is

unit

or

can

be

with a diminished power output without repairing the

alternatively, necessary

if as

the the

reliability of assured

the

unit can be repaired. cella are integrated in

the

long

Mechanical

electronics as

the

the

roof

repair

structure.

The

ia very great and a long life-time ia

power part is not overloaded. For

all

our

calculations none of these costa have been taken into account. However, these costs are discountable into an arbitrary fixed cost (see below).

Installation costs. The installation costs have been deleted sible to predict them at the

moment.

Besides,

because if

it

is not poa-

an integrated roof

structure is choosen then the costs have to be compared

with the costs

of an ordinary roof construction. Since the electrical connections form only a part of the system it is therefore

unlikely

that

installation

costs have to be taken entirely into account. In

our calculations we therefore introduced from time to time an arbi-

trary amount of 50.000 5fr as a "fixed cost". Life-time. The

life-time

of the different parts of the system is of

course

reflected in the coat of the installation for which we accepted a lifetime of 20 yeara.

76 1. Panela. The life-time of the panela and the frame can without doubth reach the 20 years;

even for the individual cells a life-time of 20 years ia

very reasonable. Of course, defects can occur but this ia almost always a consequence of

sloveliness

during production. The error-probability

of well-conatructed cella is very small. 2. Electronics (inverters, measurement system, The reliability and the very

large;

the

power

life-time

part

is

...).

of the electronics can be made

lese reliable because of the higher

strain on the power components. We expect

the costa for repair to be a

small fraction of the total cost of the electronic parta due to the modularity of the PWM inverter. If a system

has to operate over 20 years

it could be that repair is impossible because certain componente are no longer available. Therefore we used as far as possible

standard compo-

nents and a life-time of 20 years seems to be very reasonable. 3. Batteries. The batteries are the weakest link of the chain. The

life-time of

batteries is strongly dependent on the depth of discharge (DOD) and

in

turn

is

this DOD depends on the available storage capacity. Indeed it

possible

to

have a higher DOD if the battery capacity is higher

necessary (DOD -

than

0 is no discharge, DOD « 100 is fully discharged bat-

tery). For VARTA accumulators we find from the data : number of discharge cycli ¿uring battery life

It is also

1300

at

75 % DOD

4500

at

30 % DOD.

atated

that under good operating conditions a life-time of

more than 10 years ia to be expected. A alight decrease of capacity hae however to be taken

into

account. How many cycli can we expect in the

inatallation ? Thia number is of

courae dependent on the control stra-

tegy. A rough guess can be

as follows : a year has 365 days. Du-

made

ring the winter the output Lc

low

and

the batteries are charged only

aporadically, e.g. every week. It me?*»s that we have

during the winter

77

only 16 complete cycles. In spring and autumn there is more irradiation and a full charge can be attained every 2 or 3 days; i.e. (1/3...1/2) χ 6 χ 30 ­ 90...180 cycli.

D uring

the

summer,

batteries

charged once or twice a day and this gives 90...180

can be fully

cycli.

The yearly

total thus becomes 286 cycles, or 226 in average. With a DOD life time of about 20 years can be

attained.

On

the

of 30 % a

other

hand

it

should be possible to decrease the number of cycli during summer if the direct connection of the inverter with the grid (MPP mode) is used.

For becomes grid

instance, when there is enough irradiation, the battery first 100

in

time of

% charged and afterwards the inverter is connected to the

MPP 20

mode. For this reason we are inclined to accept a years

life­

although this sounds a bit too optimistic. Below we

shall try to give a more realiatic guess for the life­tine by using the standard year simulations.

After

a

battery

haa

been

discharged to a DOD,

the

remaining

charge, the state of charge SOC ia l­DOD. Fig. 8.1 gives, as a function of SOC, the life­time of VARTA

accumulatore in charge­diacharge cyclea

and the total displaced charge SOC life. With a total of 226 χ SOC is about 70 %. The

20

cycli

χ

number of cycli during a battery

4520 cycli over 20 yeara the minimum

described

by

VARTA represent a steady­

state situation of charge­discharge with constant depth. that

a cycle defined in this way does not correspond with

It

ia the

clear actual

operating conditions. Indeed, in the real system a 70 % charged battery can be

discharged to SOC ­ 50 % (depending on the consumption pattern)

and afterwards recharged to 75 %, etc.

Therefore, in culated from the

table

total

8.1a measure of the number oí cycli is cal­ stored or displaced energy over a year. After­

wards this energy is divided pacity. As an

example

variation of 18 kWh. With a

by the useful fraction of the battery ca­

at

10 % SOC, a 20 kWh battery has an energy 5

kW panel, 20 kWh battery and a 3 kW in­

verter we find by simulation a yearly production

of 2025 kWh. The num­

ber of cycli then becomes 2035/18 or

+­his the life­time is

112.

From

determined by linear interpolation. The question r­aains \n how far the

Table 8.1 Tabel 8.1 Number of battery cycles as a function of system dimensions and SOC . for standard year, AEG consumption pattern. mm A a n t a l c y c l i van b a t t e r i ] i . f . v . d i m e n s i o n e r i n g en van SOC . voor s t a n d a a r d i a a r , AEG t y p e v e r b r u i k . ft J 3V min ' Ρ Β Inv SOC . = 10 % SOC . = 50 'ιt SOC . = 30 % mm min mm kWh kW kWp 1000 c y c l i max 3100 c y c l i max 1700 c y c l i max kWh

cycli

l i f e - t i m e kWh cycli leeftijd verplaatst displaced yr/jr

life-time leeftijd yr/jr

kWh verplaatst displaced

cycli

life-time leeftijd yr/jr

5

20

3

2025

112

8,9

1939

138

12,3

1790

179

17,3

5

10

3

1718

191

5,2

1502

215

7,9

1177

235

13,2

5

5

3

1085

241

4,1

888

254

6,7

682

273

11,4

5

2,5

3

627

279

3,6

51 1

292

5,8

384

307

10,1 00

2,5

5

1,5

612

136

7,3

543

155

2,5

2,5

1,5

424

188

5,3

365

208

11 6,1

451

180

17,2

155

310

10

79

VARTA data can be applied in the case of a partial charging-discharging operation. Besides, the fact that battery capacity is a function of the charge-discharge current has not been taken into account. 8.1. Calculation of the commercial viability. The commercial viability can be more or less KMI

calculated from

the

standard year data for Belgium. The financial results are calcula-

ted by means of the theory described in report 3. 8.1.1. Investment. For the calculation of the investment for the RUG-EGW installation we reckoned with

real

and projected prices. The real investment (more

than 10.000 KBfr) ia indeed much larger than the projected cost because it

also

includes

the

cost

of

the

measurement

system,

engineer,

salaries, etc... In the projected cost

we included the nowadays prices

for the p.v.g. and the batteries,

for the inverter the assembling

but

and the maintenance we have chocaen

prices

that,

in our view, can be

realized in future. All prices are in KBfr, VAT included. Photovoltaic generator Batteries

2.773 165

Inverter 5 kW

50

Assembling, maintenance

50

Total

3.038 KBfr.

8.1.2. Production of electricity. Yearly, s. number of kWh AC energy flows to the grid or to the conaumer. The ratio between the price paid by the electricity producer for energy sent into the grid to the price paid by

the consumer for energy

taken from the q?z.ã is the pay-back ratio a. If batteries are included there are several •"et.-.ods to use them : 1. for covering the private consumption. 2. to aend energy into the grid during the hours of However, plant

if

thia application ia only

important

peak

for

the

consumption. electricity

solar-cell installations are applied on large scale.

The

80 advantage for the ler

installed

back ratio

plant is that it becomes possible t o have a smal­

peak

should

power. have

to

Of course, as a compensation, the pay­ be increased. This application h a s not

been studied at the moment. 3. Other posaibilities that can be combination of 1 and 2. It is

determined in a later phase, e.g. a

also possible to calculate the effect

of extra atorage in the batteries

with

low-cost

night-electricity

during the winter.

Table 8.2. Results with battery calculated for the RUG-EGW installation. The

numbers are "Watt" averaged over a year. The energy

delivered

in

kWh can be found by multiplying this number by 8,76. Consumption pattern

AEG 500 W continuous 100 W day (6-18 h ) 1000 W night (18-6 h)

Used for private consumpt. (PI)

Power sent into the grid (P2)

Total P1+P2

(or α·Ί)

With pay-back ratio a-0,33 PI + aP2

323

45,5

368,5

338

319

43,5

362,5

333

338,5

59,5

398

358

284,5

41

325,5

298

Table 8.3. Results without battery. Now, the investment is smaller, i.e.

Consumption pattern

AEG 500 W cont. 1000 W day 1000 W night

Used for private consumpt. PI

Power sent into the grid P2

187 165 250,5 16

239,5 261,5 176 410,5

Total P1+P2 ( or or»l ) 426,5 426,5 426,5 «¿26,5

α » 0,33 PI + oP2

266 251,3 308,6 151,5

Conclusions : the effective energy output depends on the pay-back ratio a.

81 If or

0,33 then Ρ,+βΡ, is larger for the

without. If

one

a

chooses

than with. Because we

1 then Ρ

always

+ Ρ

have P. + Ρ 1 2

case

with

battery

than

ia larger without battery > Ρ

+ αΡ it ia clear that 1 2

a battery ia not desirable. Thus

α « 0,33

battery

a - 1

no battery.

This result is logical since at α * 1 the profit is the

same

for

the

case all electricity is sent into the grid or privately used. 8.1.3. Investment costs for a write-off time of 20 years. These costs are calculated for two interest ratea i, namely 5% and 10%. i » 5% : 100 Bfr. investment gives 60 Bfr interest or 160 Bfr. in total i -10% : 100 Bfr. investment givea 135 Bfr. intereat or

235

Bfr.

in

total. Thus, for

an investment of 1 Bfr the investment coat becomes respecti­

vely 1,6 and

2,35 Bfr. With thia factors one can find in table 8.4 the

price/kWh for a = 0,33, α » 1 and 1 * 5 % ,

i - 10 %.

Table 8.4.

a - 1

o - 0,33 with battery, AEG pattern

5 %

10 %

without battery, AEG pattern

(2.773*265) X 1,6 KBF. 20 X 365 X 24h X 33S Watt

(2.773-H00) x 1,6 KBFr 20 X 365 Χ 24h χ 426,5 Watt

- 74,92 + 7,16 BFr/kWh

- 59,38 + 2,14 BFr/kWh

110,04 + 10,52 BFr/kWh

The investment costs

87,21 + i.,14 BFr/kWh

of

the panela and tne -cher parts were separated

in order to indicate how

the former influence the kWh-coet. The powers

used are the values 8.1.

of

Ρ

+ αΡ , firet line, from the tablea 8.2 and

82 The programs thus far developed are yet that energy is sent into the grid

during

tion (e.g. controlled by the plant). If

not suitable for the case

the moments of peak consump­ this

method

scale it can be shown that the plant investment decreased. In fact, this means that a would be thus the financial gain of the grid­connected

is used on large

costa to

can actually be

have

ayatem

increased and

could

increase.

8.2. Prospects for the future.

8.2.1. Modeling.

With the high

the present­day prices the financial results are bad due

to

cell prices. However, let us suppose that the cell pricea can

fall to 20 BFr/Watt or lower. In this case the price of the other parts will

become

relatively

more important. We shall calculate with

this

price different situations with the AEG consumption pattern, production following the standard year, pay­back ratio 0,33.

In short we resume the meaning of the symbols used : ι

interest rate

f

inflation rate of kWh price

n

system life­time in years

a

actualisation factor.

The actualization factor can be found with the following formula

( ¿±í>"

aη

1+f 1+i

v

l+i' 1+f 1+i

With an estimated vè.lue

f ­ 0,1 we obtain a for the two n interest rate (i ­ 0,05 and 0,15) at n ­ 20 years : i ­ 0,15 a ­ 12,96 ­ 13 n i = 0,05 a ·* 33,75 ­ 34 n

alues of the

e : price of kWh when purchased for private activities, here 5 BFr/kWh.

83

With this values we can find the product

exa

n - 20

f -

0,1

i -

0,15

e x a

n - 20

f -

0,1

i -

0,05

e x a

As already

shown

in

report

3 the quantity e x a

n n

-

65

- 170

appears in several

equations. The financial gain W of the installation can be determined as follows : first, the netto energy production of the installation over 20 years is calculated. With thia there corresponds an actualized amount from which the inveatment costs have to be aubtracted. After that the total amount is

calculated

that one would have to pay for the private

consumption

without the installation. The financial gain follows from the difference of both

amounts. Below we shall give the results of computersimula-

tions

two

for

important

panel of 5 kWatt and

caaea. In the firat case we assumed a fixed

we investigate what happens when the price ratios

are changed. Notation : kBfr per per kW inverter. In the

second

kWatt panel/kBfr per kWh battery/KBfr case

the panel dimensions are changed

and the best investment is determined for several price ratios. In both cases two criteria were used : a. maximum financial gain W. b. minimum kWh production cost. The calculation has been carried-out for e - 5 Bfr/kWh, f - 0,1 and n « 20. The

interest rates accepted were S and 15 %

in tables 8.5a...d.

The results are shown

84 Tabel 8.5a. Intrestvoet 0,15 of a » 13. n Interestrate Paneel 5 kW

Pan

Bat

Invert

Inv.

winst

Prod.

Gain kW

Panel 20/8/10

20/8/10 ■ K 50

15/8/10

15/8/10 + 50

20/4/5

20/4/5 + 50

kWh

kW

kBfr

%

Bfr/kWh

a

5

0

2.5

125

6.5

4.36

b

5

0

2.5

125

6.5

4.36

a

never gain

b

5

0

3

180

­11.3

6.09

a

5

0

2.5

100

15.2

3.49

b

5

0

2

15

3.45

a

95

never gain

b

5

0

2.5

150

­2.3

5.23

a

5

4

3

131

12.8

3.91

b

5

1

3

119

12.3

3.86

5.39

a

never gain 5

b

5

3

185

­4.7

Bat

Invert

IJIV

Winst

Tabel 8.5b

Intrestvoet 0,05 of a

■» 34

η

Interestrate Paneel 5kw

Pan

Prod

Gain kWp

kWh

kW

kBfr

%

Ö

1­

7

3

186

37.7

2.00

b

5

0

2.5

125

33.6

1.67

a

5

7

3

236

31

2.53

b

5

0

3

180

27.7

2 33

a

5

7

3

161

41

1.73

b

5

0

2

95

35.6

1.Â2

a

5

7

3

211

'4.3

2 26

b

5

0

2.5

150

■•0.2

2.00

a

5

10

3

155

44.2

1.60

b

5

1_

3

11Î

38.1

1.48

a

5

10

3

205

37.5

2.12

b

5

5

3

185

35 4

2.06

Panel 20/8/10

20/8/10 + 50

15/8/10

15/8/10 + 50

20/4/5

?0/4/5 + 50

Bfr/kWh

85

Tabel 8.5c. Intrestvoet

0,15 of a - 1 3 . n Interestrate paneel variabel

Pan

variable panel

(kW) a

20/8/10

B (kWh) 0

2

Inv (kW) 1.2

b

15/8/10

20/4/5

b

4

0

2.4

a

4

0

2

(kBfr)

(%)

Bfr/kWh

52

9.9

3.24

-9.2

6.03

15.5

3.21

154 79.5

no minimum never gain

a b

5

0

2.5

149

-2.3

5.23

a

3

1

2.1

76

13.3

3.33

-4.8

5.40

no minimum

b 20/4/5 + 50

Prod.prija

never gain

b 15/8/10 + 50

W

no minimum

a

20/8/10

Inv

a b

never gain 5

3

Pan

B

Inv

(kW)

(kWh)

(kW)

4

9

5

186

Tabel 8.5d. Intrestvoet

0, 05 of a -34. n

Intereatrate

20/8/10

a

15

Inv (kBfr) 420

W % 63.3

Prod.prija Bfr/kWh 2.36 einde raster

no minimum

b 20/8/10

a

15

4

9

470

56.6

2.64

+ 50

b

4

0

2.4

154

24.2

2.Ξ1

15/8/10

a

15

1

9

322.5

71.2

1.89

no minimum

b 15/8/10

a

15

1

9

372.5

62.5

2.18

-r ,0

b

5

0

2.5

149

30

2.00

20/4/5

a

15

7

9

380

75.2

2.02

no minimum

b 20/4/5

a

15

7

9

430

6S.5

2.29

+ 5J

b

5

5

3

186

35.5

2.06

86

8.2.2. Results. 1. Results for a fixed 5 kW panel. With the

prices

proposed a concurrential production is possible.

Since the determination of

the fixed costs (arbitrary 50 KBFr) is very

difficult we calculated for a fixed price ratio a case with and without fixed cost. The low panel prices we accepted result in the price of the other components becoming more important. It can be table

8. 5a that

batteries

become

useful only

clearly

if they

( 20/4/5 ).

For

the case 20/4/5 with fixed cost however

financial

gain

although

the case

for

seen in are cheap

there

is no

the kWh price is only 5,39 BFr; this is also

15/8/10+50. Thus, the fixed costs can weight heavily on

the profit. At an interest

rate of 5% the results change drastically :

batteries become interesting and The kWh­price drops below

the

the

financial gain is considerably.

5 BFr/kWh. The influence of the fixed

costs becomes negligible.

Fig. panel

and

standard

8.2

and

a

given

year

3 show how the results are obtained. For

a

fixed

price ratio .../.../... it is calculated with the

data

how

change. Fig. 8.2 holds for

the

optimal

the

combinations

battery/inverter

present­day situation (555/8/10), fig.

8.3 for 20/8/10. The present­day investment

is of course a lot larger

than that to be expected in the future.

With a fixed kW

panel

at

555

cost of 50 kBfr the total minimum investment for ac­ kBFr/kW is 2.825 kBFr. Of course

inverter can be included. If the

first

thing

to

determined by a curve

do

kBfr on we see that

the amount that can be invested increases

is

a. The

power divided by the peak

adding an inverter with a relative power relative

panel

batts¿ies

no batteries or

output.

have

power is the maximum inverter From

an investment of 2.853

to be added whilst the inverter

nominal power output can practically be fixed to 0,6

χ

5 kW or 3 kW.

The fact that increasing the inverter size beyond this point

gives no

87

advantage only

has something to do with the fact that the high power levels

slightly

histogram

contribute to the total energy yield due to the

of

the

storage increases

energy

irradiation on Belgium. On the contrary, the use of the

energy

the investment of 2853 kBFr

yield and also the financial gain. From

on the battery price is outweighted by the

larger gain due to storage. For the

actual

system

the

total

investment for projected inverter,

assembling and maintenance prices was estimated to

be about 3.038 kBfr

(see 8.1.1). From the simulation it follows that in this case the opti­ mum sizing is 21 kWh battery

storage

and

a nominal inverter power of

0,7 χ 5 kW or 3,5 kW.

2. Results for a free panel dimension.

In this case

the

panel

dimensions

were

left

free in order to

determine the best investment for several price ratios .../.../...

The

result is shown in tables 8.5c and 8.5d. The tendency is about the same as

before. At an

influence 2...5 kW

the

interestrate

of

15

%

the

fixed

results. The paneldimenaion haa a

depending

costa

reasonable

strongly value

:

on the situation. Without a fixed cost the produc­

tion cost becomes once more competitive; with fixed costs W ia negative although

the

interestrates

production it

becomes

coat

liea near the 5

more

interesting

panels. We have however to notice

BFr/kWh.

At

smaller

to use relatively

large

that the 15 kW panel does not really

represent an optimum because during the calculation the boundary of the­ calculation grid has been attained. Further on, panels of 15 kW are far from realistic because the roof­area becomes too

large and houses with

this roof area are not very common.

For price

is

depending presentday

i ­ 0,05 or 5% we see that W ia very larçe and the production low. For i ­ 0,15 or 15% the W can be n^­ative on

the

fixed costs. Since it ia plausible

intereat­ratea

(about

that in the future grid­connected

13%)

or

that

positive the

high

will fall gradually we expect

aystems will be iccnomically virole.

The preaent­day interest rates together with the high solar­cell prices are the bottle­neck for theae applicatione.

88

We can also remark rise for the

private

that

for

the calculations a moderate rate of

electricity

prices has been accepted. However

nothing says that a new energy crisis, attended

with a spectacular in­

crease of e, cannot occur. In such a situation mains-connected systems could be lucrative even with solar cell prices of 50 or 100 BFr/Watt. The previous figures were drawn for a fixed panel peak

but it is possible to find an optimum sizing

panel

size the

for the

of

panel

5 kW

case the

is also free to change. Fig. 8.4 gives the results

projected panel price be seen

size

for

a

of 20 KBfr/kWatt and price ratio 20/8/10. As can

size increases almost linearly with the investment

cost. The fact that the

relative inverter size is practically constant

simply means that the absolute inverter the investment. As in

the

previous

from an investment of 125 kBfr

on.

size also varies linearly with

cases It

storage becomes profitable

is spectacular to see that the

battery capacity always remains small, This is of course of the low panel price. As the panel

price

falls

a consequence

it becomes lesa and

less important to store the energy. The figures 8.5, 6, 7 illustrate what happens with the production cost

(P.C. ) of a kWh and the financial gain W as a function of the in­

vestment

for

several cases. The production cost

defined by dividing

PC

of

the kWh

is

the actualised investment by the total energy pro­

duced in the system : PC -

Q an E

Fig. 8. S shows for a 15 % interest rate, no fixed costs and a free panel size the course of PC ana W for various price ratios. Since

we

accepted

a

nowadays price of 5 BFr/kWh the horizontal line

through PC = 5 separates

the areas where the financial gain K is posi­

tive or negative. For instance, 200; for I > 200 kBFr tue

curve

5 (20/8/10) gives W > 0 for I >i

gain becomes negative because the production

cost is higher than 5 BFr/kWh.

Fcr

curve

kBFr. The curve 5 lies below the other

ε this happens when I > 300

ones because the system compo­

nents are more expensive than is the case for 9 and 10.

89 In fig. 8.6 curves with the same price ratio (20/8/10) are considered but for two interest rates (5 and 15 free panel area. We here see two curve

completely

% ) , two

fixed costs and a

different

cases. First,

6, shows a situation without financial gain whatever be the

vestment . Although

w has a well defined maximum it remains

in-

negative.

This is of course a result of the PC always being higher than 5 BFr/kW. The curves 7 and 8 show a situation in which for almost all 1 the W remains positive due to the low PC. Curve 7 lies above 8 because no fixed costs have been taken into account. In fig.

8.7

the

parameters are the

panel area has been fixed at 5 kW and the other

same

as

in fig. 8.6. Of course, curve 3 gives the

best results whilst curve 2 is clearly a situation without gain. Fig.

8.3

gives

the

same

curves

kBFr/kW peak. The curves have the

for a projected panel price of same

20

shape but in fact the acale of

the investment axis has changed : the minimum investment now becomes 50 kBFr for the panel plus 50 kBfr for the fixed costs. 8.2.3. Summary. An economic analysis for the performance of a

grid-connected p.v.

system is the extrapolation of nowadays conditions and therefere

it is

only a reasonable expectation based on optimum system sizing. There are in this case a lot of unknown factors : - wheather conditions can be better or

worser

than

for

the standard

year - inflation of kWh price - evolution of energy price and intereat rates. with the present-day price for

aolar-cella

and

batteries,

but

with

projected prices for the inverter, assembling and maintenance we find a kWh

production cost of 61,52 to 120,56 BFr depending on

ratio

a

the

pay-back

and wether or not batteries are used. If the solar-cell

falla then the 20 BFr/Watt

cost

situation changée drastically. For a projected price of

peak

and

a 5 kW panel we see that financial gain becomes

possible if no fixed costs

occur whilst the interest rate is 15 %. For

an interest rate of 5 % the financial gain is considerable, about 31 % with a fixed cost of 50.000

Bfr.

In this two cases the kWh production

90 cost is lower or comparable to the present kWH cost. If all the system components, including solar panel, a maximum financial gain or minimum kWh coat

the

are optimized for

results are slightly

better. It can also be seen that in all cases the optimum nominal inverter output can be smaller than the panel output and a

lot

of cases can be

found that do not require battery storage. It is also clear that the lower the panel price becomes important

the

the price of the other components become so that effort

more has

to be done to decrease all the costs including maintenance and mounting of the parts.

91

9. Prospects. Below we give a survey connected

of

the

prospects

concerning

the

grid-

installations for private use. We shall limit our considera-

tion to systems with a p.v.g. of maximum 5 kW. 9.1. Problems to solve, improvements. In

principle

the

installation

technical improvements are

described here is complete :

necessary.

It

no

ia rather more important to

aim at a aimplification that permita large scale applications. However, simplification demands that some parts

of

the complete system have to

be examined in more detail : - Photovoltaic generators. Besides a decrease of

the

efficiency it is necessary to

production cost and an increase of the investigate

grated as cheap as possible in the

how the panels can be inte-

roof structure of new buildings. As

an exemple it is possible that the combination of solar cella with heat collectors could improve

the

financial benefit. Attempts Germany

total towards

system

efficiency

integration

for grid-connected systems (ref : J.

have

Schmid

and been

-

also the done

in

"Photovoltaic

System Design", 5th EC p.v. energy conference, 1983, p. 410-416). It is clear

that

such problems have to be studied in cooperation with

con-

structing firms which have experience of building technology.

By

such the

a

study it would become possible to obtain a more exact

idea

of

cost

of the panel construction. Incidentally a Japanese

firm

announces roof-tiles wit. cells

integrated or. it that can easily

be installed and connected. The fact that it is best has not to

be

a

problem

for the panels to be oriented southwards

since

the modern building designs that use

passive solar energy always generate houses with roofs.

large

south-directed

An other problem is the fc„t that the world production of sili-

92 con

could

be too small to fulfil the needs. A

long-term

production

scheme is therefore a requirement. - Batteries. The

present-day

applications

lead-acid

batteries

are

satisfying

for p. v.

but they have the disadvantage to be heavy and to have

a

relatively low energy-content (56 kg/kWh). The development of new types is running but the final results are not for the immediate future. What has

to

be done is a thorough study that permits to predict accurately

the behaviour

of

Pb-acid batteries so that energy sparing charge-dia-

charge techniques can be big problem

since

it

developed. The maintenance of batteries is no is possible to recuperate dissociated water by

means of a catalyst and refilling

after 3 to 5 years suffices. Finally

the life-time ought to be increased. - Inverter, control electronics. The technical problems are

solved

but one has

rational series production process in order to

reduce

to

strive to a

the

production

costs. If the inverter has to be cheap it is also necessary that it can be

used for other applications s.a. UPS supplies for computers and in-

dependent inverter these

inverters has

no

for emergency installations. In this view the PCR

prospects but the PWM modules are very suitable

applications.

Besides, as

for

a result of the modularity a series

production can be realized. The controlelectronics, switches, protecting

devices, etc.. are

already available at relatively low prices. Further development can be performed in the soft-ware of the control

strategies. E.g. which algo-

rithmes produce the largest energy output ? finally, it may electricity plants ling order

not be

forgotten

to make

agreements with the

oncerning the tariff sciucture for buying and

sel-

electrical energy. Theoretical studies also have to be made to

determine if a large

scale

application

systems doesnot influence the grid stability.

of

in

grid-connected

93 9.2. Impedimenta for industrial development. With the nowaday prices of the cells no industrial development possible.

The largeat

1,5 $ per

Watt

USA

ia

cell producer mentions production costs of

peak. Nevertheless, studies concerning amorphous sili-

con cella and Cu S-CdS cella

indicate future prices ranging from 10 to

30 BFr per Watt peak. If thia is true, finally a paying installation ia possible. A clear view on

the

problem can only be expected within ten

years. Concerning the market potential there is however hope : since it concerns a residential application in

principle

a

huge market exista

for the system. A possible scenario can run as follows : after a rather slow start one aucceeds in covering yearly 2 % of the roofs with p.v.g.'s. After 20 years 40 % of the roofs are covered and the production is sufficient to replace the first p.v.g.'a. Naturally some to be taken in order to guarantee

this

scenario.

precautions have

For instance, it is

clear that the energy import of the country can decrease

which in turn

improves the balance of payements. Therefore it is logical that ragement such

a

premiums will be offered to the private

owners

who

encouinstall

system. For the same reason this is also the case in a lot

of

countries for the isolation of houses.

Finally those

not

countries

all

countries are suited for this scenario

which

have

:

only

an energy cost that forme a considerable

part of the balance of payementa can be involved. It means that especially the

amali

strongly

industrialized

Secondly the irradiation has to be

countries can be considered.

sufficient and this fact eliminates

the Scandinavian countries.

9.3. Market potential and measurements to introduce ¿he penetration on the market. The

market potential is enormous since

applicable in the market

can

these

installations

atrongly induatrialized countries. Measures to stimulate only be taken if the p.v.g. prices become sufficiently

low. Seme oí "hese measures are liated below. -

are

premiums fcr the purchaae ί~Λ conatruction of the syatei

94 tax-reductione (s.a. in USA). information over the system performances by the firms. -

publication of technical calculation

methods that permit to predict

energy production, information of the citizen over the system performances by the firma The

latter

point

is very

important since the citizen wants

a

guarantee concerning the financial benefit of the syatem. The presentday purchase methods are insufficient and

misleading

: advertisements

never show the image of reality. Besides, the vendor has little responsability afterwards. For this reasons it is absolutely

necessary that

the average performance of the system ia deacribed in a contract as ia the case with the order book of a house. 9.4. Opportunity for employmsnt Due to the large market potential

it

can be

expected

that the

opportunity for employement will be stimulated once a series production has started. Of course, the possibilities depend on the kind of industry. - electronics industry. An level.

increase of employement is to be expected Since

however be

on

it concerns a real series production the

limited.

the production increase will

At the level of system design the opportunity for

work also exists since

it is very likely that the power electronics as

the control electronics will considerably evoluate. - Subcontractors of switching material, wire, batteries. The solar systems create new applications for production

existing products.

will thus increase but the increase of employement will be

relatively small.

95

- Manufacturing of cella and panela. Undoubtedly

the

increase of employement will be the highest

in

this section : 1. on the production level of pure silicon 2. production of glass 3. frames of modules 4. assembling of cells 5. construction of frame and assembling of modules to panels. Especially the laat phase creates employement. - Installation of the system and maintenance. This ia especially important for small firms. Conclusion. The

conclusion

is that the introduction of grid-connected

systems will undoubtedly

improve

p.v.

employement. We are however unquali-

fied to estimate the absolute impact on employement.

LIST OF PHOTOS AND FIGURES

99 Captions of Photographs Photogr. 1.1. Final construction

of the photovoltaic generator. Batte-

ries are placed behind the panels.

105

Photogr. 1.2. Battery box with batteries. At the left side the junction box with contactors and amplifiera. Photogr. 2.1. Phase-controlled rectifier

105

(front). Panel meters are for

panel voltage, current and dc-power

input. The connector

ia connected with the control computer.

106

Photogr. 2.2. View inside the PCR. Photogr. 2.3. PWM module with filter

107 coil (up, left), PWM control cir-

cuit (up, right), gate drive

circuit

(below)

and power

transformers.

108

Photogr. 2.4. PWM power module and inversion bridge in its housing.

108

Photogr. 2.5. Temperature sensor glued on a module.

109

Photogr. 2.6. The temperature transducer with its glass ted into the battery.

tube is inaeri 10

100

Figure captions. Fig. 1.1.

artist view of the original proposal for

the

position of

the photovoltaic generator. Due to the town-building regulations the generator was finally split in two parta. Fig. 2.1.

Block diagram of the main parts of the

system.

Ill

Switches,

measurement system, ... are ommitted for clarity.

112

( 1) : photo-voltaic generator p.v.g. ( 2) : storage battery (3 ) : dc-ac inverter ( 4) : consumer. Fig. 2.2.a.

The

76

p.v.g. modulée are combined in order

to

form

a

panel. 2.2.b.

113

The power conductors of both panels are in parallel at the the control room but this connection can be broken if

two

separate panels are desired.

113

Fig.2.3.

Typical characteristics of VARTA batteries.

114

Fig.2.4.

Circuit of the phaae-controlled rectifier with magneto-thermal breaker M-T, 3-phase power transformer, thyristors D. _...D and the IA 3B fuses

F 1# F2, F 3 . The pulse-generator PG

trol circuit and

the

PTM

and

phase-con-

PCC generate the thyristor gate-drive pulses module is used for power tracking and power

control. Fig. 2.5.

The operation

115 of

the

PCR is illustrates for the sake of

clarity for a 3-phase star connected PCR. Depending on the control angle o the PCR is rectifier or inverter. Fir-.

2.f .

The line-current

wave-forms

depend

on the connection of

the transformer primary although the harmonic the sau:e for a and b.

116

content

is 117

101 Fig. 2.7.a.

Position

of

the

thyristors

with common-cathode on

the

heat-sink. 2.7.b.

Fig. 2.8.a. 2.8.b.

|]g

Thermal resistances

from

junción

to ambient, ambient to

heat-sink. The total resistance is 0,4 C/W.

\\g

Circuit of thyristor gate-pulse generator.

119

Signal input

of

AND-gates

C 1 ...C 6

and gated oscillator

output. Fig. 2.9.

119

Block diagram of phase-control circuit

PCC. The reference

is the voltage of a mains phase. After

limiting its phase

is controlled by the PLL input V. The interpolator generates six gate pulses C a ...C e . Fig. 2.10.

120

Block diagram of the power-tracking module with its multiplier that calculates power and the sample-hold as memory. The logic drives the integrator INT which

output

is

the

phase-control voltage V. Fig. 2.11.

121

Curve (a) and (b) give the inverter dc-input power function

of

the phase-control voltage V

as

a

when the source

ia respectively the panel and the battery.

122

Fig. 2.12.

Time-diagram of the MPP tracking cycli.

123

Fig. 2.13.

Current transducers :

124

a. Shunt with amplifier b. Hall-sensor c. Hall-sensor with magnetic feedback d. Shunt with isolation amplifier. Possible circuita for

voltage measurements are also given

(voltage divider and divider with isolation amplifier). Fig. 2.14.

Hall tr*r>sducar SAS-231L data and circuits a. Block diagram b. Output characteristics c,d. Additional componente.

225

102 Fig. 2.15.a. Voltage transducer circuit with dual opto-coupler.

126

b. Output V 3 as a function of the input voltage V1. Fig. 2.16.

126

Efficiency of 5 kW PCR as a function of its output current. Curve a and b

are for V

9

- 66 and 48 V and calculated with

P 0 - 60 Watt. Curve c is measured and corrected for 48 V. Curve d is calculated for 66 V.

127

Fig. 2.17.

Control system blockdiagram of PWM inverter.

128

Fig. 2.18.

Power part of PWM-module.

129

Fig. 2.19.a. Circuit of PWM-feedback system.

130

b. Mostet drive circuit.

131

Fig. 2.20.

Inversion

bridge

with base-drive generator.

The base-drive voltage ia derived from the maine. Fig. 2.21.

Efficiency

N

as

132

a function of output power for the PWM

converter.

133

Curve a : calculated; Curve b : measured; Curve c : temperature correction. Fig. 2.22.

Consumption pattern proposed by

AEG : daily variations as

a function of the time. Fig. 2.23.

134

Single-wire drawing of power part Bj and B 2 the batteries,

: P1 and P 2 the p.v.g.,

invertera,

contactors

C 1 ...C 9 ,

fuses. At

the left the quantifiée to be measured by the

computer. The

control

circuit at the right shows the physical lo-

cation of the contactors with indicator lamps.

135

Fig. 2.24.

Complete wiring diagram accorciig to the fig. 2.23.

'35

Fig. 2.25.

Wiring diagram jf the terrace junction box (see photograph 1.3.).

137

103 Fig. 2.26.

Connection box for inverter (1st floor).

Fig. 2.27.

Temperature

transducer

132

KTY IO characteristic and simple

measurement circuit. Fig. 2.28.

139

Transmission path of

signala to be measured : signal con­

ditioning (1)(2),

to

wire,

I

to

V

V

I

conversion

conversion (4), A

(3), transmission

to D converter (5),

databus, computer (6).

140

Fig. 2.29.a. Isolation amplifier circuit : the modulated signal ic2

is

transmitted via transformer T1 and demodulated.

141

b. The demodulated signal is converted into a current in this V/l converter.

142

Fig. 2.30.

Circuit of I/V converter.

142

Fig. 2.31.

The computer drives the contactors

by

means

of

solid-

state relays (SSR). Fig. 2.32.

143

Circuit for controlling the PCR operation mode. The lower part is

an

analogue Γ to ν converter that determines the

power in BPC mode. Fig. 2.33.

The

analogue

144

I/V converter of fig. 2.32 is driven by the

computer D/A output.

144

Fig. 2.34.

Timing diagram for the controller.

145

Fig. 3.1.

Organization of "rhe project management.

146

Fig. 4.1.

Simplified

wiring

diagram

betv.-en panels, junction box,

batteries and control room with the

currents occurring at

two measured conditions : a. at

995 W/m" and battery voltage 61 V

b. at 1065 W/m 2 and battery voltage 56 V. Fig. C.l

Number of diacharge cycles

as

a function of the depth of

discharge DOD (DOD - l-SOC; SOC : state of charge) and ca-

148

104 pacity displaced during life-time of battery. Fig. 8.2.

Optimum system sizing as

a

function

149

of the investment I

for the actual case : 5 kW-peak panel. Pricee : panel 555 kBFr/kW peak battery 8 kBFr/kWh inverter 10 kBFr/kW Curve a gives the relative inverter power (nominal

output

power divided by peak panel output or 5 kW) Curve b is the battery capacity in kWh Curve c is the panel output power, here fixed 5 kW. Fig.

8.3.

150

Same curves aa in fig. 8.2 but for a projected cell price of 20 kBFrA " peak.

Fig. 8.4.

151

Optimum system sizing as a function of the investment for free panel sizing.

Fig. 8.5.

Financial

gain W in percent and production cost

BFr/kWh as a rate is

152

15

function *

PC

in

of the investment I. The interest-

variable

panel area, no fixed costs. The

curves 5, 9 and 10 compare different price ratios. Fig. 9.6.

153

W and PC in BFr/kWh as a function of I. Interestrate 5 or 15 %, variable panel area, fixed costs 0 or 50 kBFr, fixed price ratio 20/8/10.

Fig. 8.7.

154

W and PC in BFr/kWh as a function of I. Intereatrate 5 or 15 %,

panel

5

kBfr, fixed price ratio 20/B/10.

kW, fixed costs 0 or 50 155

105

Photogr. 1.1. Pinal construction

of the photovoltaic generator. Batti

rias ax· placed behind the panels.

Photogr. 1.2. Battery box with batteries. At the left side the junction box with contactora and amplifiers.

106

Photogr. 2.1. Phase-controlled rectifier

(front). Panel meters are for

panel voltage, current and dc-power

input. The connector

is connected with the control computer.

107

Photogr. 2.2. view inside the PCR.

108

Photogr. 2.3. PWM module with filter

coil (up, left), PWM control cir-

cuit (up, right), gate drive circuit

(below) and power

transformers.

Photogr. 2.4. PWM power module and inversion bridge in ite housing.

109

Photogr. 2.5. Temperature sensor glued on a module.

110

Photogr. 2.6. The temperature transducer with its glass ted into the battery.

tube is inser-

EQW

(JENT ^ U I B P A R K

Rir. *r±

ad-ac:

i river»It tor (rj:riri) _

*

v e r t rui. κ er (Von$­u nier)

\a¿ ¿ u w u l a l o r en. (¿IOTÄ^E

r-i^. Ä.4

"b¿II·cry)

fi)

/V

113

ï

3yxi3

Β

Pi

I_i ν

i Λ/~

¿3

43

^

Tig·. *.Z *

Tiç.t.ZTa

114

YAKTA Hod t a l l e r i e ^ : tvj^icíal Capacity ín dependance upon the (.íii:ífí»arcje cycles

1: !:

........ .

100

r¡? P

^

!*7* ^'^'ΐ*."~7*•^•f--,«^..{..

valued

Charging v o l t a g e progression b y charge of a VARTA bioc Cell w>th v e r y low curren is.

120 Mû

tflmriarAei?ialiti

!. .-.4

>^

ao

sS

■■ M

RO Ό

­f

I i i -; -f-] !

'

\

· ■ ■ ' ,

]

LOO

wO

1000

• C

2CPO

AUl

i

■

!

1-Ί ω /y'
VAJ!"! A bloc Boilerien aro pi ef err. -ι 11 or use ¡η Solar and Winti 'lånt, ;inæ tl ley provide approx. 1300 cycles i >y 75 % depili of discharge, and approx 4500 cycles by 30% depth of discharge. Wil h rhe con ect dimensioning, and under the Plant conditions, more than 10 ysars of use can be expected.

Good rechargeobility with very low currents is important in order to achieve the greatest possible efficiency factor of energy storage with lhe low energy supply. VARTA bloc Batteries meet this requirement, and can be full charged with l/1000th of the llQ rated current, nevertheless we recommend that the voltage in Solar­ and Wind Plant be limited to 2.35 V/Cell.

C h a r g e e f f k i e n c y fací or o f a VARTA bloc B a t t e r y w i t h l o w a n t i m o n y alloy ('.6 Sb).

Float charge currents for VARTA bloc C ells b y charge with constant v o l t a g e

,

100

yy

I

5 «o S'

i

I '. 1000 . ΦΛ <«0 10UAll UK!

ì ι

'

■

;

400

i

.

/

40

/

'

20

40

\jf

/

WC/

M

S

S

'S

'S

/ y

y>/V

r

/ /

/

\

/ .

;

;

20

40

60 80 H» U0 Kapa;'itiitsautnahrr>e—«­

The charge efficiency factoi of the VARTA bloc Baltery is extremely good, and ar ­aunts to approx 95­98% (Ah effi­ ciency) by the current va'ues usuai ir: Saler Plant In Plant with three­day uutanorny, the Wh efficiency is appi ox. 85 °o.

10­

:

/

20

/ C

/

i

200 100 80 60

y I

i

10° c/ £30

2,TO

2.40

2,50 U/V/Z-

—

The Butte'y capacities, and also the charging currents are dependant upan the temperature of the Battery. The temperature co­efficient far the capacity amounts to approx, i % C n o : P p­.»r 'I ''C. The self discharge of the VARTA bioc Battery is very 'cw, and doubles itself with each I0°C temperature increase,

Tici. IS

'3-γΊή'Ά<$ΐ " t r a n s f o r m e r

à

«4-

DN-OFF fTRONT) Juyrplij

iUld« generaÌor+ -priait rJoïilral

Ί3d A To I h y r i A w ^ ¿ t e £

— 3*B (-•PO + r t t ) o< ­ do­nVrol

r >

Tiri­M^ Sequentie *4A

BfA

I > fflwer ¿ontrol

^SA

>

ν*?

Tij.je­ä

116

í<-r

Ό

Λ -3D

d-wr

C' "I E B d >Eg f > □

i.

=. rj

Inverter -1 t 9 < α

Titf.je-5

117

¿1-p (*)

ι? O

τί/î

C ¿T /3

TZ

H

h

Primary Δ- ifontveclei Primaire i«. Δ

Ιϊ

(D Triurtrij Λ - rtmnerteà ■primaire iw À

it /ii

Tig. ¿-ε

118

E: υ

5

ν

U

lì In ­> — _ _ ^ ι

v f\

Ci)

«5

{

Jì w

^

"% £-7*

98^(

M*

i I

Π

fi«. *7Τ>

119

\ο 5 a ^ e Tft-i.

-z-asN ¿ζ

t-5 Ttil^e IrÄti^forwer

1

*Λ

Û**T ύΛ Tft-t

mr

rontrol input

5tarfc control neìau, Inp-ιΛ q^_

ITU T-Ri Jfl

C*)

Tk». ¿"8

KA IiAeffdfcW

A/

Muin? itiftt

Be4re.ïAe.r> I

I

| i (

I

Xi$VrvJm\it» Logit

TTTTT j

TA ÍE-ÜORTROLE

CIRCUIT

PCX J p H ^ E C ONTROL ClHCUIT

γ i t · · -S CoiArol voltaje To f» 1 ** * » * » * * wput· N a a í p"vsl^ cii» tí­uit e n Insano; control­E

F i 3 i-9

ho

o

ígtithr.

ttltrnWl CirtA rol? :

τ$ pr o ?

T^ JF ^

L

>

âiptotio-n ? MPT ur B P C P.T.M. (Power Vrackinti module) Yermotíen xoeW «ïod-ule

ímW Tig. J8-40

122

OP

^rX

"^-d

7 Î - Α-Ί4.

r

(oC)

123

J J

Γ

Ti. -η-i

•ru

t?4

ÆV

ko

/S

s s S

Yerwoc/a-rx -méVi-Tiçí C "Powev· meefuvemenfcj

////////s

/ / / \

*fc»rt

i bop

fifr ¿"υ

24

Y

i

X &

ï

Q<-^—-Vi<^OY

a+i

(XÛ.iKAOV

Häll-£en$oT>

(10

(O

-*

a)

-tZZr

r

Yi

V

a

I I

>

¿77"

T-ivr. ¿ - 4 *

125

i tl 1

Φι ι.

Alhjk'irli N..ll|.unkl

φ·"··

Abgltpch sS. tmptiiullichküiivï'

I/o 1" V 12

!

"■~

/

a)

­ ( Τ ) Ausyang

1

-

— 15V

—

l'i - l i V 1

/

SAS 2 J U W

/

10 r- .1...

1

us-lOV

/

(t)

I / ,1 γ 1 t- -J

1

■ ü s ­ 5V

/ —— —

·

20

60

»...... 1

0

40

90

100

—

120

140

160 mT 180 —

- ohn« A b g l e i c h

β

mit Abgleich

— (J„.Ì«1V

ï + ü,

Μμ,,,­iv

"CT Ik PI 10 k

-oN C

Γ 5 Siemens

4

SAS 231W

­ o + U \ ­ 475 O

15V .

■aaaMØ

ß*

P1 P2 t L/re, NC.

Abgloitn T (feilden) _|_

[instelluna, Nullpur.ki Einstellung Steilheit kann v o n + U, abgeleitet w e r d e n , m u ß abar < 4 3 V sein. Anschluß nicht belegt

(O

i) Jk^.Z-a^. : HALL \v&'A$¿uter>

126 '­/­

220 *2

R 2

6kd

Ttk7

D:

I,Oí

Κ

I

C

IH=> 6ηδ

*3 39 k

Χ

/5Ar " J ?

Il

1k2 ff.

'3

Tl «

*>

£

D2

7777 O^­TJ^ : H C T F I ­ ^ 5 ^ 0

C¡a.)

Ο)

*4

/?* ν

R •

•è

Tier. 5­d5

BSV 48V

IL·

: -Hiea^ii^e-ä a t 4 8 V vM-p-ut : i«ea^iirerl effiCie-míij dorvetittà. 5ρτ· 4 8 V

50

r­ij. Z-is

30

dOO

/V\

PWM CIRCUIT

POWER CIRCUIT forward inverter

I ref

LOW-PASS FILTER

THYRISTOR BRIDGE r—

TL

ro co

T

NET

CONTROL SYSTEM BLOCKDIAGRAM oí PWM BLOKDIAGRAM van tó PWM COKTRDLE ^Y^TEEM

n$.z-tf

129

Ni Ns Ν*

ff-

o -1-

|. -ISDÖD·}!? dOCY

(αν)

o

ΛΛ

J BY WSÓE

Fi^.je­ie

ñ V

U9

O

GR|J>

Tier. je-d9feL

+45V

m

'■' h *■ ì

α

HCPL-2&D4

Fig.* -d9i

ί O^-'j

t
HT Λ/

1Y

ì

brut}

¿90

4*5

TIP*!/

* l'ir mmwmti fairs diflortiim

1

W"

1^

/V

W.

Ti$. z.to

Vg- = 4 8 V

dooa

Rff. 2.*i

p0

134

Consumía loSL¿7c

■

(wall)

4000 ..

lip

π Πι

Γ

j] J

ΜΊΜ

500 ­­

Ir

J

ι.

1 ΛΛΜΓ Tig. Z.ZZ

1

1

Bh

11 h.

1

A8 It

1

*yX

·­

âail^limí

136 Zie P I A N

ÌJ96Ì i ï Γ r òce

Naar ] poli« nokUensnheVtlaM -3 3

1?

VERDIEPING

_G ει y_K_v L OEJf€>

•V* Floor

ro L..

'Λ L'.fc

'r_<»

ι

■2 » i j ~n Ì

7«Z,W 4 Α*»,*

4.4'

7»2ί"«1

C ELLAA KEL"DEt?

4*5omm

JÎI

CeiLAî. KELDER

»l'»hl« ¿τ

«

i-5

C)

m

^ , ,

E ^

fÏ

m

lin :-Æ

-EU

Ai de

nielli;

KtH-.t; Afrnett

1

Fi

~

4Λ

»

Ü-

^tZ3

Γ

I |1|2|M4|»|6|?I

kk

MMHm SL

UJ Ti^.Jg-^

NE' i - 2 2 c / 3 8 0

I

137

p*»»= ruff·.γ

tirer*

^x'2/^· , « , ■

T* -| oV -fi. 'CeruroL l o

Tiy.£-25

138

Γ -ι

h—

y

'

'

rtt-

Ι

Γ

H- - H + -

X Γ

Λ 5 /C<

1

ι !

ι -I

t

r

kb '

Γ"!

iiL i«L^

ιΓ

ι

-t-t 2

3

A

5

6

?

8

9

lo

«

"Ort

r-

f

PL^

42 1 ) 44 MS NC 4? 1 β | 4 · ΐ 2 ο Ί 2 Ή 2 ΐ

et «•'J

c*

c d?

» 30 Voedtnq elektronica

F4

4 ' Verdiepina

|]4«

c«

Ν TT 5

(5*

kelder

kelder, 48 V » rr M i r

K£W Elektriciteit «bedrij' OÎstributi·

T^.f-fB

I I I . I I 23 2Λ 2» 26 ?? 26

I I I JJ

Τ? H

R [ 5

Τ

ÍK! Ν

F5

I

ΓΤ'ΤΙ

Κ H^=¿hú=¿U-\

m;,v.

... t _.

i

I I

Ρ,

kelder

Ket:3.2?o/38oV Mi,ns

2?oV-v r. J J Ai

FOTOVOlTAlSCHC C ELIEN AANSIUITKASTIE OMVORMER EN BEDÍE NINGà APPAKAT UUT*. ' A DR Ι 6-7-β: - ¡Ina' De feule

I Sch

|Q«» ¡p..

3/964

4 3 ft/33 I

\39

KTY ID ij 4, s

I 1 ' 1 1 .Jι

- -

1

1 kW

.....

-

—

-

'" ] ¿0

Yin­­· Cenaban!

[ 1

— t

¡

I

vy í u

Λ

/

0

/ —

■

—

■

—

■

/

— —

—

r

/

ν /

—-

I 1

|i

. ,.

._._ 1 3.5

ι

] R ■·= e "k 2

V-

,'

-

i

/

­V

.....

— --

/

y —ι

—

IO

- -—

^

—.

—

' 'Λ

i .3

/

— — —

F^

/ /

/

I

.r /

2.0

­

■

1

/

Ρ

Ν j

I

,/' ! 1

·- —

h—

/

1 f\ 1, J

LL.

/ ' / /

r^

-— —

/

10

- / /

- - Γ i'

SJ

f _ ... /--Λ

'i/

...

1

-J.

—

Γ<Ν

=

¿UUU,Ü/.&A

Temp.

Ητ

lemp.

Ηγ

-c

a

'c

α

-50 -45 -40 - 35 - 30 -25 -20 -15 -1θ' - 5 0 5 10 15 20 25 30 35

1C 4051 1094,70 1150,29 1207,27 1265,65" 1325,43 1386,61 1449,18 1513,14 1578,51 1645,27 1713,43 1782,98 1853,93 1926,26 2000,02 2075,16 2151,70

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125

2229.63 2308,96 2389,69 2471,81 2555,33 2640,24 2726,56 2814,26 2903,37 2993,87 3085,77 3179,07 3273,76 3369,85 3467,33 3566,21 3666,49 3768,16

J1

■

O

+ 25

+50

+100

+^50

Tig. £-£?

AJÜ

in­put Signal

Θ

Ι--4Γ— ïJinA

Θ

guaiti + 5 V igola.\ion +5V ant­plifiei· all ennä W

V—X

®

-5-

J — Y 4-5V W"

© A/V Convirfim

tlatalm?

© CawpiiUr ΐΟ

Tier. 5-iØ

Λ Γ (*ϊ3η·)

;

Ι ^nlaliou ïampliJiEi»

_a/CPttim.

T-i^uuT»

Z-23ã,

v4

142

I

I

«i 4k

4k

C'

Ji

+^T

V,

·. rV

¿B

^L>1^1

Ι .Ü.UΛi

K.

.1

i;

Q*

Vy. L M . ^ i i Al IM 5*4 "Hy ­i k

|"R? ík

v V—·-!

cO^ive-rlie.ï' Tirj. ¿ - ¿ 9 "b

■­Γ." "3 1=­£···. i mA

¿a"ble Capacily

t β !'

­e = 50 iL

Y

4/ijlMW ­ ­κ

I-V

f V 0 =­5­+5V

! -øv

tíonvErley

Firí.,2-30

H l !

t Dirimuta CJJRrt

ΰ πρή

3>^ 3> 5>

IC4

¿olleita

ûun cr

m

+

—f-

i i i i 51

Ìim0f5fB τ

fff{ I ¿ti ^

"il

4 "k £

MΓ

I

Oí r^

¿A $$"R± 2A $$ΪΙ*

Yo tonlatí+or 1 ^

L><^— ¿A

r~i

$*5

£32A

í^y I

! '

τ

W—

ik X-natile 4^

r-m /'3ς

i8\c

144

4/H lOEt ¿i»

tal

iΘ f

γ)αη

-►f 7Ί4 r ** -0-^40ι«Α

ï

DJBL

|Λ3/ΛΧ

b¿

4.61c

#

*k3

«k > ,

4/i HUPI i5?d

Viitfpusa

W"^"

#

iTO

1

4/1 J«**«

7^/w

J445·

Tig. £­^2

+ 8V

ν· ν

α·η

v a n D/A -uïtyan^ v ä n Icont^­iite*·

ir 0­*­40­mA

ú

4k Ticr.£­2£

Æ7

•uiriv^y : 4. Λ

•uvvrt­y '· 5 -m Λ

4> Ui

TP3d/vPd

/Ν

IBi/VBd.

'Ν—IFBf/VPX

/Ν

IB£/VB¿

'

r^. £­34.

il­nvt­ij : Ma.5 m*

146

•projecl clireC lor

­project dir­a^Va­r

■prof. X. P a u w el £

ir."W. K u y t r e t l i l ^

t e c l i ­ w i t a l dir>ectar>

lecli­HT­^al d i l e c t a * · ­metfham.idal ­pavV^

ir. A."uè Beule

d r a ­ a g l i t

Τ-*3- £.4-

d­r a­u.gli1:

^ Ï L I I

+_ etíΙ α « α ci ie. *i £ f m e d l i . +■ ¿ l e c i t i · . ;

147

"R.U.tq. "projecl cliretíte­vir

yrojzt\

­proî. H .Faiiwel«!

ir.W.HwjljreeKl«,

rlirecíltttT

'Γ

t«tílmi$tli leide*» ■snetíírati.i'ks»­ i­r. A . He "Beul*

tetíliiti^cli leider eleW­roníW ár.ir.U.Ba­erl: 1'

telceifa*­*^ ­tedkniekerf! C­metit + E!B>. )

fotocjra£ßtt "buTcj.iw^etii«uï^: L. B o n t e i^.Uc Meij H­ ^ i « i a e t i $ H . K­u­ujlcEM.

T*g. àr-á.

148

Γ"

Pi

4

ν

~Ί de 49

L

I 7,4A C5,¿iA)

ir

jt,yA f<S,4A) 0;5 ÍJ­m

¿aille ^=Hwrn

i

J

?4A (T 3,4 A)

r«s^A) y.­m


^-tti

$5,45Κ

km

­44 « ι $5,45A C ^3,9oA;

datait**

¿ouïrai roemt

F15. 4 . d

"P<

149

NutnW of tWcje -, livellar$e tíyde$ during li]H

0,56

transported aurino; life litne Verylaatòe lcayatiV-eil (iti ¿io eeitWeti) tij¿en£ "batterij leven

lijden^ leve« 5000

_

sot?

Ticj.S-i

150

c< ..O.W **»(**): S. Pa-η. - ."bat. - en inv. -price (VF*): 55 5/β/ΊΟ /

luv. B a t "Pan. rel. HWh vvy

¿855

Inv- rel. : — Bal:. : Pan. :

fa) Ci) Titj.S-*

151

<* :0.W T a n (VW): 5. P a n . - . t a t . - e n inv.-price (VPr): /o/s/dO Inv. "Bat. P a n rel. IcWn VW?

co cá

u>

of

Inv. ret: 0a) ΒΛ. : f li) Tati. : (t) Tdcj. 8 - 2

152

:

CÁ

Fan..

ΰ.ΊΪ

- .tat.

- en

Inv. "Bat.

"Pan

i>el

fcW^J

^~

IsWh

:

¿O/Æ

Ao

3

r- C —r

co

Lu ,

LO

05t -■r«--

α

inv. pi*iCe C^**)

C3 ~ - c ô - -

«4

C3 ~ - 3 t - -

C3 - _ o

-■

I

|

l'I

1—l—|

dOO.

Inv. rel.

ΒΛ. : "Pan. :

1—I—I

700.

:

1

1—I—I—t

300.

1 1 X

UOÛ.

C») Ci)

CO Titj. 8­LL

153

Curve P­^ice RteAio P i x e α ώ>Λ$ ~P a-wel Kurve P­rij? Yertouái«rj VafU Kohlen Pan.e.el Variatie α 5 ¿O/ô/dO Variatie AS/8¡ λ& o Variatie α Ζϋ/*/ s dO

■η.

dÍ5 .^

inte.­re.gt ­rake

PU (Tr/kWh) (%)

PC : Fig.8­H

ISA

t!-ur v e P-r itía-ra"tio "Fixed €o$lï "Panel Kurve PVij£ verhouding Va¿te Voeten. ï a t i t e l Variatie S Zü/s/áü α Variatie S ΖΌ/8/Λ.0 so Variatie 7 ΖΏ/δ/^Ü D Variatie ΖΏ/3/4.Ό

•απ

A4 o r ¿5% or 5%

50

per f-Bfr/VW *0

PC : P\Lcj. S - e

155

Curve Paride -ratio Kurve PVij^verlioudintj Vaste lto^ten d t

£0/8/dO ΖΏ/3/40

5

ΖΌ/3/Λ.Ό

ä

Ζϋ / 3 / dO

w

LJ­ ÖD

D

BU

^a-TLtl T?a-rLe.el

■ η .

5 tcW 5

d*5

5 5

34

o-r d5% ΌΎ 5 %

PC

C^r/lc-Wli)

PC : Piri. 8 - ^

156 APP. 2-1 F A B R I C A B L E

N.V.

DESCRIPTION OF THE PHOTOVOLTAIC STANDARD MODULES BELGOSOLAR - Power rating

33 Wp AM 1,5 - 25°C - 100 mW7cm2

- Number of celLs

36 100 mm

- Diameter - Mono Silicon substratum - Dispersion of power rating - Voc

: 21

%

V

- ISC

!.

2,18 A

- Vmax

: 16,5

V

- Imax

:

A

2

: + 12,5

under conditions : AM 1,5 at 25°C

- Measurements of encapsulated modules : 410 mm χ 1028 mm χ 50 mm - Gross weight

: _+

9 kg

- Encapsulation

: front

: hardened glass

back

: glass

filter

: FVA

Frame

: anodized aluminium.

The solar modules are tested according to the Standard Procedures Terrestrial P.V. Performances Measurement of the E.E.C., specification 5.01. - Two shunt diodes included. - Cable jointing : a watertight junction box with 4 terminal connecters and glands is installed on each module. - Pretreated frame facilitating its fixing on the supports. - The photovoltaic cells are produced according to the process developed by the ESAT Laboratories of the KU-Leuven (Catholic University of Leuven).

157

AANSLUITING VAN FOTOVOLTAISCHE ZONNEPANELEN VAN 5 KWP OP HET ELECTRISCHE-LAAGSPANNINGSGEBRUIKERSNET

159 UITTRFKSEL In het rapport wordt een 5 kW fotovoltaische installatie beschreven bestaande uit een fotovoltaische generator, een batterij en een dc-ac inverter gekoppeld met het net en geschikt voor huishoudelijk gebruik. In het eerste gedeelte zijn de technische details van de installatie gegeven : de schemas van twee invertertypen, algemeen kablage schema, beveiligingen ... Het tweede gedeelte betreft het meetsysteem dat moet toelaten data te verzamelen betreffende straling, systeem, rendement In het laatste gedeelte wordt getracht

— een idee te bekomen van de commerciële leef-

baarheid van de installatie. Deze studie werd uitgevoerd d.m.v. computer simulaties die Belgische meteorologische data gebruiken. Er werd gevonden dat de prijs van de fotovoltaische cellen het obstakel is voor toekomstige toepassingen. Dit projekt werd gerealiseerd in het kader van het zonne-energie demonstratieprogramma van de Commissie

van

de Europese Gemeenschappen. Het heeft een ondersteuning gekregen

van 33,8% van de totale projectkosten.

161 INHOUD.

1. Doel, originaliteit en locatie van het projekt.

165

1.1. Doelstelling

165

1.2. Originaliteit

165

1.3. Locatie

166

2. Beschrijving van de installatie

168

2.1. De fotovoltaische generator (fvg)

172

2.2. Batterijen

173

2.3. De dc-ac invertor : fazegestuurde gelijkrichter

1 74

2.3.1. De spoel L

175

2.3.2. Beschermingselementen

175

2.3.3. Koelvinnen

176

2.3.4. Puls-generator (PG)

178

2.3.5. Faze-kontrole circuit (PCC)

178

2.3.6. De Vermogen-zoekmodule (PTM)

179

2.3.7. Meettransducers

182

2.3.8. Eigenschappen van de PCR omvormer

¡ 84

2.4. De pulsbreedte modulatie invertor (PBM)

187

2.4.1. Vermogendeel

188

2.4.2. Regelbus

190

2.4.3. Laag-doorlaatfilter

190

2.4.4. Inversiebrug

190

2.4.5. Resultaten

191

2.5. Verbruiker

193

2.6. Verbinding van onderdelen

1 93

2.7. Meet- en ¡controlesysteem

1 94

2.7.1. Signaal konditionering

195

2.7.2. Isolatieversterker

196

2.7.3. Spanning-naar-stroom transducer

196

2.7.4. Stroom-naar-spanning

197

2.7.5. De meting van het AC vermogen

197

2.7.6. Sturing en kontrole

I97

162

2.7.7. De kontaktoren CX..C7

198

2.7.8.

Invertorstuurprint

199

2.7.9.

Regelkomputer

200

2.7.9.1. Overzicht van de software taken

201

2.7.9.2. Klok en synchronisatie van de metingen

201

2.7.9.3. Verwerking van de meetgegevens met Assembler routines

203

2.7.9.4. Overkoepelend BASIC programma

204

2.7.9.5. Kontrole over het systeem

205

2.7.10. Voorziene uitbreidingen van het systeem 3. Uitvoering van het project

206 207

3.1. Organisatie van het projektbeheer

207

3.2. Aanbesteding en keuze van de toeleveranciers

207

3.3. Gesloten kontrakten met derden

208

3.4. Bouw van de installatie

208

3.5. Opgetreden problemen

208

4. Ingebruikneming

209

4.1. Initiële problemen

209

4.2. Array prestaties

209

5. Operationele resultaten en meetresultaten

212

5.1. Resultaten voor de permanente en onderbroken MPP mode

213

5.2. Resultaten voor de "Load Matching Mode" (LMM)

215

5.3. Resultaten van de PBM invertor.

218

6. Tijdschema

222

6.1. Eerste Faze

222

6.2. Tweede Faze

223

6.3. Derde Faze

224

6.4. Personeelsbezetting

229

6.5. Afwijkingen van het voorzien werkschema

231

163

7. Kosten van het projekt

233

7.1. Investeringskosten

233

7.1.1. Eerste Faze

233

7.1.2. Tweede Faze

234

7.1.3. Derde Faze

236

7.1.4. Totale Personeelskost voor 3 fasen

237

7.2. Materialen

237

7.3. Totale projektkost

238

8. Ekonomische haalbaarheid 8.1. Berekening van de ekonomische haalbaarheid

240 246

8.1.1. Investering

246

8.1.2. Produktio van elektriciteit

246

8.1.3. Investeringskosten voor een afschrijvingstermijn van 20 jaar

248

8.2. Verwachtingen voor de toekomst

249

8.2.1. Model

249

8.2.2. Resultaten

253

8.2.3. Samenvatting

255

9. Perspektieven

257

9.1. Op te lossen problemen, verbeteringen

257

9.2. Belemmeringen voor industriële ontwikkeling

259

9.3. Marktpotentieel en maatregelen om penetratie op de markt te bewerkstelligen 9.4. Werkgelegenheid

260 260

165 l. Doelstelling, originaliteit en locatie van het projekt. Het projekt omvat het ontwerp, de konstruktie en het bedrijven van een 5 kW-piek fotovoltaïsch paneel dat geïnterkonnekteerd wordt met het elektrische laagspanningsnet van het "Elektriciteits, Gas

en

Waterbe-

drijf" van de stad Gent (EGW). De installatie is opgesteld in en op het centrale

administratiegebouw van de EGW. De interkonnektie met het net

is verwezenlijkt

d.m.v. een fazegestuurde gelijkrichter (PCR) en puls-

breedte gemoduleerde invertor (PBM). Dit projekt werd gerealizeerd in het kader van het zonne-energie demonstratieprogramma van de Commissie van de Europese Gemeenschappen. Het heeft een ondersteining gekregen van 33,8% van de totale projectkosten. 1.1. Doelstelling. De installatie zal gebruikt worden om de technische technische samengaan het

werkingskondities en de werkingskosten te met

aspekten,

onderzoeken

het sturen van energie uit een fotovoltaïsch paneel

laagspanningsnet.

De

de die in

karakteristieken van de installatie zijn zo

dat zij overeenkomen met het gemiddeld verbruik van een gemiddeld gezin (+/- 500 Watt). De bedoeling is dat de installatie model staat voor een huis waarvan

het

dak

bedekt is met fotovoltaische cellen. De energie

opgewekt door de zonnecellen wordt

op zonnige dagen het net ingestuurd

terwijl ditzelfde net dient als backup perioden.

Het

bovendien

toe energie in het net te sturen tijdens uren

bruik zodat

gebruik

van

systeem tijdens minder gunstige

stockering

d.m.v.

akkumulatoren van

laat

piekver-

de schommelende energieproduktie van het net kan afgevlakt

worden. Deze wijze van

toepassing

bevolkte landen met weinig die toelaat de

invoer

van

van fotovoltaische energie is in dicht

beschikbare primaire

vrije landoppervlakte de enige energie te verminderen. Er wordt

hier inderdaad gebruik gemaakt van de anders nutteloze daken van huizen en villas.

Andere

toepassingen

zoals

voeding

van

noodzenders e.d.

hebben eerder een funktionee! dan ekonomisch belang.

1.2. Originaliteit. De weinige bestaande netgekoppelde systemen steld

staan

meestal

opge-

in zuiderse streken of in de V.S.A.; ook in West-Duitsland is er

een proefopstelling.

De ervaring in landen vergelijkbaar met België op

166

klimatologisch (zeeklimaat) en

industrieel gebied is praktisch nihil.

Daarom werd aan de installatie tevens een meetsysteem gekoppeld dat zal toelaten

om

op

enkele

jaren tijd een evaluatie van het

systeem

te

maken. Deze evaluatie zal naast een ekonomische term ook het aspekt onderhoud en levensduur

van

de komponenten omvatten. In België is deze

vorm van fotovoltaische installatie

enig, wel bestaat er een grotere

netgekoppelde eenheid in Chevetogne maar die is

niet voor residentieel

gebruik bedoeld. 1.3. Locatie. De zonnepanelen werden opgesteld

op het

administratie gebouwen van de EGW te Gent

(zie

Graaf van Vlaanderenplein 37. Deze plaats werd omdat

terras

van de centrale

fig. l.l en foto 1.1), verkozen

zij toeristisch aantrekkelijk is en daarbij het

dat zij

andere

voordeel biedt

dicht bij de laboratoria van de universiteit (RUG) gelegen is.

Daarenboven bepaald

boven

zal het

worden.

gedrag van de opstelling door

Wij

verwachten

en

roetneerslag

luchtbezoedeling

bijvoorbeeld

de

stadsomgeving

dat het

merkbaar zullen

effekt

van

zijn. De fotovol-

taische generator is feitelijk te laag opgesteld in vergelijking met de hem omringende gebouwen. Dit wordt nochtans gekompenseerd door de grote oppervlakte van het terras. Bij worden met

zekere

de

opstelling moest rekening gehouden

stedebouwkundige

aspekten. Op

fig.

1.1 werd een

generator getekend bestaande uit vier rijen panelen. De stedebouwkundige

dienst oordeelde echter dat

omwille

van

opgesteld

de

van

ontoelaatbaar

was

uit het park. Daarom werd bij de uiteindelijke

generator

werden.

wintermaanden

opstelling

het feit dat een aantal historische gebouwen gedeeltelijk

onzichtbaar werden konstruktie

deze

De

bestaat

in

twee delen gesplitst

gedeeltelijke heeft

een

beschaduwing

zeer

energieprodukt ie (ten hoogste 5%) over

geringe een

die

die

na elkaar

aldus

in de

invloed op de totale

jaar. Het resultaat is te

zien op foto 1.1. De stockeringsbatterijen werden onder de panelen er

geplaatst

omdat

verder geen geschikte batterijkamer te vinden was. Deze akkumula-

toren werden

gemonteerd in wei-verluchte kur.ststofkisten die zich ach-

ter de schuine zijde van de panelen bevinden (foto 1.2).

167

De omvormers

met

EGW gebouw.

Deze

de meetinstallatie staan in een kleine ruimte in het ruimte

is nogal ver van de fotovoltaische generator

gelegen en dit vereist een aansluitkabellengte van 110 m.

168

2. Beschrijving van de installatie. Fig. 2.1. geeft een vereenvoudigd blokschema van

de

installatie.

Het systeem bestaat uit een 5 kW piek fotovoltaische generator (1), een accumulator ( 2 ), een 5 kW netgekoppelde dc-ac invertor ( 3 ) en een denkbeeldige

belasting (4). Deze belasting kan gesimuleerd worden

software

daar

met de

er toch een verbruikerspatroon moet worden gekozen. Dit

betekent dat het vermogen dat naar het net gaat steeds kan worden berekend uit de gemeten inverter output en het belastingspatroon. Vooraleer we in details treden willen we hier de keuze van het invertortype belichten. pelde invertoren in

A priori is er niet veel geweten over netgekop-

verbinding

kunnen voor dit werk gebruikt

met een f.v.g. Verschillende circuiten

worden zoals een thyristor invertor, een

dc-ac machine kombi natie, een pulsbreedte gemoduleerde (PBM) transistor invertor. Machine kombinaties zijn uitgesloten vanwege die

optreden

met

mechanisch

geluid,

laag

Nochtans bestaan er toepssingsmogelijkheden toren

de komplikaties

rendement

voor

en onderhoud.

deze machine-inver-

in grote installaties waarin reeds verbruikers

van

mechanische

energie bestaan. Natuurlijk hebben we ook onderzocht wat de industrie aan te bieden heeft op het gebied van

netgekoppelde

invertoren

start van het projekt een probleem daar er geen

: Dit bleek bij de

netgekoppelde inverto-

ren gevonden konden worden die voor ons doel geschikt netgekoppelde invertor werd aangeboden maar

door AEROSPATIALE

hij werkt met een ingangsspanning van 340 tot 400 V

rendement projekt willen

zijn. De enige

boven een

we

(Frankrijk) waarbij het

de 90 % ligt. Echter hadden we vanaf de start van het

48 V dc voeding als meest geschikt gevonden. In het kort

vooreerst

even

de redenen aanhalen waarom voor een

48 V

installatie gekozen werd niettegenstaande de meeste bestaande systemen een veel hogere spanning gebruiken. 1. dc spanningen van 400 V laten toe om een invertor direkt met het net te koppelen zonder isolatietransfo. Dit is echter

volledig ontoe-

laatbaar in een huishoudelijke installatie om veiligheidsredenen. De batterijen

en

de f.v.g. zijn dan immers ook aan het net

gekoppeld

wat zeer gevaarlijk is indien lekpaden optreden (regen, batterijlek-

169

kage, . . . ) . Deze situatie kan vermeden worden d.m.v. een scheidingstrans f o maar in dit geval kan men evengoed uitgaan van een andere dc spanning zonder de kost te verhogen. 2. De betrouwbaarheid

van

de

f.v.g.

is lager bij hoge

uitgangsspanning (U.S. National photovoltaic

program -

dan

lage

1976). Er

schijnen aanduidingen te zijn dat 120..150 V een uiterste waarde is. 3. Schakelmateriaal van 48 V is betrekkelijk

goedkoop en zeer gemakke-

lijk te bekomen. 4. Voor dezelfde

energie-inhoud

hun kapaciteit

zijn de batterijen goedkoper naarmate

groter wordt. Dus een 48 V batterij van 25 kWh is

goedkoper dan een 96 V batterij. 5. Minder brandgevaar bij lage dc spanningen t.g.v. induktieve bogen. Een andere beperking ligt invertor

in het

feit

dat

we

willen dat de

werkt in twee modes : direkt verbonden met het paneel of met

de batterij. In het eerste geval kan de ingangsspanning tot 67 V

gaan

(in MPP) en in het tweede geval tot minimum 38 V (ontladen batterijen) en dit valt buiten de mogelijkheden van commerciële invertoren. Niettegenstaande rendement

van

de

de

hier gebruikte lage voedingsspanning is het

RUG-EGW installatie hoog omdat er veel aandacht aan

dit punt besteed werd tijdens het ontwerp van de invertor. Daarom besloten wij een torium te ontwerpen. Het

invertor speciaal voor dit doel in het laboraeerste

type dat we maakten was een netgekom-

muteerde thyristor invertor, de faze-gestuurde gelijkrichter ontwierpen vooreerst een 700 Watt

type prototype

800 Watt piek paneel (100 Watt gaat

verloren

voor werking op een

in kablage, serie diodes

en misaanpassing). De ervaring die met dit systeem opgedaan zeer bruikbaar te zijn bij het ontwerp van een

(PCR). We

werd bleek

5 kW invertor omdat we

een goed idee kregen van de problemen die optreden met de kontrole stabiliteit, thyristor bescherming, ... De PCR werd om een aantal redenen die hieronder

volgen

door ons

gekozen. -

er bestaat literatuur betreffende zijn algemeen gedrag

-

de betrouwbaarheid is groot tengevolge van het kleine aantal power komponenten

170

-

het

rendement kan hoog zijn en het kan vooraf berekend

worden met

een aanvaardbare nauwkeurigheid -

het

overbelastingsgedrag

is goed

en de bescherming

kan met

zekeringen gebeuren -

het

stuurvermogen

voor

de thyristoren is zeer laag en het

totale

verbruik van de elektronika is slechts 5 Watt -

de PCR kan werken

met een grote variatie van de ingangsspanning al-

hoewel daardoor het rendement en de vermogenfaktor verslechten -

het vermogendeel (thyristoren) is geïsoleerd van de elektronika door pulstransformatoren. Komplete

isolatie werd

bekomen

door ook ge-

isoleerde spanning- en stroomomzetters te gebruiken. De PCR schijnt aldus nochtans een aantal

een

negatieve

ideale

invertor te zijn maar hij heeft

aspekten

die

een

toepassing op grote

schaal verhinderen : - een slechte netstroom golfvorm die kan interfereren met toon-kontrole systemen - een vervormde netstroom die eveneens de netspanning vervormt omdat de netimpedantie niet nul is. Dit kan verhoogde ijzerverliezen in machines en transformatoren veroorzaken - de PCR is zwaar wegens de

aanwezigheid

van een grote spoel en de 3-

fazige 50 Hz transformator - akoestisch geruis (300 Hz) in transformator en spoel. De vervormde netstroom zou een probleem kunnen zijn

voor toepas-

sing

op grote schaal maar we moeten daarbij wel bedenken dat in bijna

alle

bestaande

netten er al industriële verbruikers bestaan die faze-

gestuurde gelijkrichters van vele MVAR gebruiken. In zulke installaties wordt

de

gebruik betekent

stroomvervorming

van dat

filters de

beperkt blijft tot

PCR

die

binnen redelijke grenzen gehouden door het het geheel

uiteraard

een bruikbaar toestel is zolang

vermogens

totale netvermogen. Voor de

die

klein

eerstvolgende

waardevolle oplossing voor fotovoltaische Merk

duurder maken. Dit zijn gebruik

zijn in vergelijking met het jaren

is de PCR zeker een

netgekoppelde

op dat dit invertortype ook gebruikt wordt in

toepassingen.

verschillende

CEC

demonstratieprojekten voor hoog vermogen en hoge dc-ingangsspanning.

171

Verder in de toekomst kijkend dachten we dat de opkomst van nieuwe circuit vertor

komponenten

op de markt de konstruktio van een ander type in-

zou kunnen bevorderen, namelijk

voorwaartse

konverter

met

een

de

pulsbreedte-gemoduleerde

dc-ac inversiebrug. Deze PBM-invertor

heeft de volgende voordelen : - hoog rendement (90 %) - zeer zuivere sinusgolf uitgangsstroomvorm - vermogenfaktor altijd één - lichtgewicht

wegens

de kleine

isolatietransformatoren (indien een

hoge schakel frekwentie gebruikt wordt) - geen storende geluiden. Er zijn ook enkele nadelen zoals : - grote circuitkomplexiteit wegens het PBM

principe en bijgevolg klei-

nere betrouwbaarheid - moeilijker te beschermen dan de PCR - wegens de hoge

schakelfrekwentie

(50 kHz) zijn maatregelen tegen

elektromagnetische interferentie nodig - beperkt vermogen omdat de power mosfets

een

lager schakelvermogen

hebben dan thyristoren. Het beperkte schakelvermogen suggereert dat het vereiste

vermogen

het best kan bereikt worden door modules van klein vermogen parallel te zetten. Ten gevolge van de ingewikkelde werking van de PBM blijkt het

circuiten

volgens de literatuur dat problemen kunnen optreden in ver-

band met stabiliteit,

spanningspieken, komponentenkeuze, transformator

ontwerp, ... Het is duidelijk

dat

PBM omvormers nog niet volledig rijp waren

voor fotovoltaische toepassingen bij de start van het project. Nochtans vonden we, gezien het feit dat

PBM omvormers onder studie waren in het

labo op het ogenblik dat het projekt zou starten, dat het zeer aantrekkelijk zou zijn een

PBM

omvormer

speciaal

voor deze toepassingen te

ontwerpen. Tengevolge van het onderzoeksaspekt er. het feit dat ongekende problemen zouden kunnen optreden tijdens het ontwerp dachten we echter dat we onmogelijk een volledig deren .

afgewerkte

invertor konden garan-

172

Tenslotte heeft de PBM module ontwikkeld voor deze toepassingen de volgende aantrekkelijke eigenschappen t - zeer hoog rendement (> 90 %) - volledige stabiliteit onder alle kondities t.g.v. een nieuw

te-

rugkoppelschema lage distortie door het gebruik van kor rekt iegolf vormen

in

de

terugkoppelketen (d < 2 %) - verwaarloosbare spanningspieken in het vermogendeel door het gebruik van een speciaal transformator ontwerp en lay-out techniek - met

kleine wijzigingen kan de invertor module ook gebruikt wor-

den voor onafhankelijke toepassingen (resistieve belasting) - laag van gewicht (+/ _ 4»5 kg/kWatt). Deze

PBM

omvormer

maar verder

is dus veelbelovend voor toekomstige

onderzoek

is

toepassingen

nodig om de betrouwbaarheid te bepalen, het

praktische gedrag, ...

2.1. De fotovoltaische generator (fvg). De f.v.g. is opgebouwd uit 152 modules geleverd door "FABRICABLE". De gegevens van een module

zijn

opgenomen in appendix 2.1. De modules

zijn verdeeld over twee panelen die

volledig

gescheiden kunnen worden

(fig. 2.2b). De 76 modules van een paneel zijn geschakeld zoals in fig. 2.2b. Er zijn in dit geval 19 parallelle takken met 4 modules in serie. Dit maakt een paneel

geschikt

voor

nominale

geeft de te verwachten open-klemspanning V vermogen V

M

V

V werking. De tabel

spanning

bij

maximum

onder diverse omgevingskondities : 2

temp.

en

48

bij 100 mW/cm

2 25 mW/cm

2 V

100 mW/em

2 25 mW/cm

25 C

21

21

16,5

16

40 C

20

19,9

15,7

15

60 C

19

18,3

14,0

13

Bij

rechtstreekse konnektie van de batterij met het

praktisch

volledig

paneel

geladen worden zelfs bij de kleine

kan

deze

belichtingsni-

173

veau s. In dat geval is het paneel niet belast in het maximum vermogenpunt (MPP) en het systeemrendement wordt kleiner. Dit is echter een al­ gemeen probleem

dat

bij alle batterijgekoppelde panelen optreedt. Het

piekvermogen van de ι woo panelen eamen ie 5000 Watt. 2.2. Batterijen. Er werd voor 25 kWh lood-zuur batterijen type Vb 2305 van de firma VARTA in het systeem opgesteld. De 10 uren kapaciteit is 250 Ah. Uit de karakteristieken (fig. 2.3) blijkt dat deze akkumulatoren zeer geschikt zijn om opgeladen te worden bij lage stromen. Zij kunnen vol geladen -3 worden bij 10 van de ι stroom, dus hier een 25 mA I De levensduur is groot indien de ontladingsdiepte niet te groot bij 30 % ontladingsdiepte, 1300 bij 75

is

%. Volledige

: 4500 cyclussen stockage

van de

energie opgewekt tijdens een goede zomerdag is niet mogelijk met 25 kWh maar het is mogelijk verbruik

om

daarmee

tijdens twee

dagen een

gemiddeld

van 500 Watt te dekken. Dit wil zeggen dat een deel van de

paneel energie

het net moet ingestuurd worden. Voor een goede zomerdag 2

treedt de maximale bezonning (1 kW/m ) gedurende ongeveer 7 uur op. Er blijft

dus

een

verbruiker) te

10 kWh volledig of gedeeltelijk in het net (of sturen. De gebruikte

batterijen

waterverbruik zodat het onderhoud minimaal

hebben

een

naar laag

is (wij denken aan 6 maand

tussen twee bijvullingen). Technische aspekten van de batterijen. De batterijen werden in twee gelijke groepen verdeeld en opgesteld onder de panelen in kunststofbakken. Deze bakken zijn niet volledig ge­ sloten zodat zij goed geventileerd worden. Daar

de batterijen door de

panelen afgeschermd worden van de direkte zonnestraling door de panelen is hun temperatuur gelijk

aan

de

omgevingstemperatuur;

waarden hiervan bedragen ongeveer -15 C tot slechts

uitzonderlijk

van

installatie.

de

+35 C maar

de

uiterste

deze

treden

op gedurende enkele dagen per jaar op de plaats De ladings- ontladingskurven tonen

aan dat de

batterijen bij kleine laadstromen (0,01 C ampere) voor 90 % vol geladen zijn bij een klemspanning van 2,17 v/cel. Gerefereerd naar de tabel van 2 de f.v.g. karakteristieken komt dit overeen met 25 mW/cm b±i 60 C. Daar de

open-klemspanning

nog hoger

lig\. moeten de batterijen zeker

174

kunnen

opgeladen

worden

bij

generator dan niet bij het

nog

MPP

slechtere

punt

kondities

werkt. De batterijen kunnen dus

volledig opgeladen worden onder bijna alle voorkomende afwijking weinig

alhoewel de

kondities. D e

van MPP is het grootste wanneer de bezonning groot

bezonning

moet

ook

de paneeltemperatuur

is; bij

beschouwd worden.

Gelukkig is de paneeltemperatuur meestal laag bij lage bezonning en dit doet het

rendement

belichting

zijn

stijgen. De f.v.g. karakteristieken voor zeer lage

nochtans

niet

gegeven zodat wij op metingen moeten

steunen om uiteindelijke konklusies te kunnen trekken.

2.3. De dc­ac invertor : fazegestuurde gelijkrichter. De bedoeling was een eenvoudige en robuste omvormer

te ontwerpen

met zeer hoog rendement bij een ingangsspanning van 48 V nominaal. Fig. 2.4

geeft het schema van de faze­gestuurde gelijkrichter (PCR) die in

eerste instantie ter of als

ontworpen werd. Dit circuit kan zowel als gelijkrich­

inverter gebruikt worden. De werking ervan is beschreven in

bijvoorbeeld

"Principles

of

Inverter

Circuits" van Bedfort en Hoft

(John Wiley, 1964, New York). Voor de eenvoud zijn in fig. 2.5 de golf­ vormen onder verschillende kondities van

de stuurhoekparameter α gete­

kend voor een 3­fazige ster inverter met slechts 3 thyristoren. Het in­ versiegebied beslaat a ■= 90...180 de PCR als gelijkrichter. De

graden; voor α » O..90 graden werkt

stuurcircuit

zorgt ervoor dat deze toe­

stand nooit kan bereikt worden.

We hebben een 3­fazige brug gekozen omdat deze

een goed kompromis

geeft op het gebied van uitgangsstroomrimpel, gemiddelde waarde van de uitgangsspanning en circuitcomplexiteit. Een andere opgelegde voorwaar­ de is dat de PCR moet werken zowel rechtstreeks op het paneel als op de batterij. Het ingangsspanningsgebied kan dus sterk afwijken van 48 V.

Laat ons nu deze voorwaarden nader bekijken. Indien meer

fazen

gewenst

zijn

dan wordt

de

uitgebreider : de transformator moet meer wikkelingen aantal 3­fazige

schakeling veel krijgen

en het

thyristoren neemt toe (dus ingewikkelder stuurcircuit). Voor de brug

is

bij volledige

gemiddelde waarde van

inversie

(a»180 ) de

verhouding

e (=Eg) tot piekwaarde van e (­2) ongeveer 0,95;

175

voor kleinere stuurhoeken groot

mogelijk

te

is

maken

dit 0,95 cosa. Het is belangrijk Eg/E zo

omdat

het aantal transfowindingen

daarbij

verkleint en dus eveneens de transformator weerstand. 2.3.1. De spoel L. De spoel L is

het

element

dat de inversie toelaat omdat zij als

energiestockerend element werkt. De grootte van

L

hangt echter af van

enerzijds de toegelaten uitgangsstroomrimpel en anderzijds de uitgangsstroom blijft

waarbij de

werken.

inverter

in

de

Bij rechtstreekse werking

ononderbroken op

paneel

minimale stroommode

mag

de

stroom

inderdaad nooit onderbroken worden omdat de f.v.g. in het generatorkwa­ drant

moet

blijven

werken gedurende

gebruikte spoel heeft de 2 mH bij 100 A.

een

volledige

netperiode.

De

volgende nominale kenmerken : L=8 mH bij 5 A,

Met formule 3.2 (p. 11, 2e rapport) is het mogelijk de

harmonische inhoud te schatten van de de rimpelstroom naar de batterij. De

spanning e (fig. 2.4) en dus ook rimpel

bij rechtstreekse paneel-

werking is kleiner en moeilijk te voorspellen

wegens

de niet-lineaire

f.v.g. stroom-spanningskarakteristiek. Metingen

van

de rimpelstroom bij batterijwerking

geven

de

volgende

resultaten : PDC -

300 Watt

IDC « 9,9 A

Rimpel (p-to-p) »

5,2 A

1500

35,2

16

A

3500

87

56

A

2.3.2. Beschermingselementen. De volgende beschermingselementen staan in fig. 2.4. -

Een termische circuit van

langdurige

fouten.

onderbreker

transformatoroverbelasting

Er werd gebruik gemaakt

onderbreker waarvan wijze wordt de

: deze dient ter beveiliging

van

een

of

transformator

magnetische-termische

het magnetisch deel verwijderd werd. op deze

onderbreker niet getriggerd door de transformator

inschakelstroom. De nominale

effektieve

onderbrekerstroom wordt

bepaald door de konfiguratie van de primaire van de transformator en de sekundaire stroom I (fig. 2.6). Men heeft : Ρ

176

Primaire in driehoek

fundamentele lijnstroomkomponent I effektieve waarde

6 ­ — I

­ 29,4 A

I __ « /ζ I ■ 21,8 λ eff ' ρ

Primaire in ster

fundamentele komponent I 1

1212,6 ( A

Α-'

I _, «* I /— eff ρ

effektieve waarde

­

Χ — I Ι ­ 16, ­ --*— 16,9 A Ρρ jr

zekeringen (F , F

m

in fig. 2.4).

De zekeringen beschermen de invertor tegen de volgende fouten : a. Slechte kommunikatie of valse triggering van de regimekortsluitstroom

thyristoren.

D e

bij 48 Volt werking bedraagt 2,15 kA (rap­

port III,

p . 4 ) . Daar de leiding van de batterij naar de invertor

een 40 mn

weerstand heeft t.g.v. de grote afstand wordt dit ech­

ter slechts 740 A. b. Kortgesloten defekte thyristor. De kortsluitstroom hangt hier

af van de transformatorspanning en

lekzelfinduktie. c. Netuitval. Netuitval veroorzaakt een gelijkstroomkortsluiting

in

de sekun­

daire omdat de thyristoren niet meer gekommuteerd worden.

Twee firmas leveren bruikbare typen : Siemens (reeks SITOR 3NE..) en SIBA (reeks UR­HRC..). Het is gebleken dat de bescherming van thyri­ storen in alle gevallen voldoende

is

omdat

deze zekeringen zeer snel

zijn (zie karakteristieken appendix 2.2).

2.3.3. Koelvinnen.

De koeling van de thyristoren gebeurt door vrije hiermee

een

Al­profielen

ventilator van

aluminium blok.

vermeden

wordt. Wij

50 cm die met elkaar

D it

verbonden

konvektie

gebruikten worden

omdat

standaard d.m.v.

een

blok wordt bevestigd aan het omvormer frame en op

177

het blok worden 3 thyristoren met gemeenschappelijke katode (Pig. 2­7a) bevestigd.

D eze

staan

opstelling van het

niet

profiel

vrije konvektie dan

de

uniform gespatieerd omdat bij de

top.

onderzijde beter gekoeld wordt door de D e

andere drie thyristoren zijn op drie

aparte en onderling geïsoleerde blokken opgesteld. aan

de

achterzijde

van

de

kast

bevestigd.

D e

Om

koelvinnen zijn

straling bij

temperatuur te verbeteren werden de profielen met zwarte De een

vertikale

verf

bedekt.

gemiddelde thyristordissipatie bij volle belasting is 85 Watt. maximum

van

lager

40 C dan

betekent dit dat de termische weerstand van

0,6 C/Watt

moet zijn omdat

weerstand junktie­koelvin

reeds

volgende tabel geeft

overzicht

een

0,4 C/Watt van

de

totale

bedraagt

(fig. 2.7b). De

de data van de belangrijkste

Tabel : data van komponenten. 8 mH bij 5 A; 2 mH bij 100 A weerstand 12 mn bij 20 C ­

Fabrikant : Van den Weygaerde p.v.b.a. Zeelsebaan 47 9150 Grembergen ­ Dendermonde.

Transformator : nullast verlies 60 w. Primaire :

3 χ 220 V, weerstand 210

Sekundaire : 3 χ

34 V, weerstand

mn bij 20 C

7,3 mn bij 20 C

­ Zelfde fabrikant. Thyristoren : BTW­33 ( MBLE­PHILIPS), fast turn­off type niet­repetitieve aan­stroom : 1500 A, 10 ms blokgolf 2 2 smeltwaarde I t : 11250 A S spanningsval en equivalente weerstand : sp.v. ­ 2,4 V, r · 4 m

bij 125 C

sp.v. = 2,7 V; r ­ 1,6 mn bij 25 C maximum dv/dt : 200 V /as M­T onderbreker : 20 A, fabrikaat VYNCKIER Het magnetisch deel werd inaktief gemaakt. Zekeringen : SIBA of SIEMENS UR­HRC

SITOR 3NE4 121 (100A) 3NE4 120 ( 80A)

Koelvinnen : WAKEFIELD

WA 800/820.

de

termische

komponenten van de PCR.

Spoel L :

Bij

toegelaten junktietemperatuur van 125 C en een omgevings­

temperatuur koelvin

hoge

1/8

2.3.4. Puls­generator (P.G.). De pulsgenerator levert de stuurimpulsen voor de thyristoren. Fig. 2.8a

geeft

het

circuit

van

één

der zes generatoren.

oscillator levert een opeenvolging van scherpe

impulsen

tijd bepaald door de poortsturingen

Th . . .Th . D e 1 6

zijn

blijkt dat

getekend in fig. 2.8B waaruit

gestuurd wordt

poortstuursignalen

de

eerste

thyristor

kunnen werken in de onderbroken mode en eveneens voor

het starten. Eens meer

gedurende een

op de ogenblikken 1 en 2. De tweede puls is nodig omdat

de omvormer moet niet

D e blokking

het

nodig.

circuit gestart is de tweede pulstrein in feite

Gedurende

5

poortsignalen onderbroken door

sekonden na het inschakelen worden de

de

"start control

delay" zodanig dat

geen ongewenste transientimpulsen naar de thyristoren

gaan. D eze ver­

traging is ook onontbeerlijk bij batterijwerking. Veronderstel voeding3klem

dat de

accidenteel onderbroken wordt (door verkeerde manipulatie

van schakelaars, door zekering falen, door het losmaken van een draad). In

dat

stroom

geval probeert de PTM module de fazehoek zo te regelen dat de moet

toenemen. Vermits het vermogen nul is en blijft

fazehoek naar zijn uiterste

zal de

waarde evolueren. Indien nu de dc spanning

terug aangelegd wordt zal in eerste instantie de stroom te groot worden en de zekeringen

falen. D aarom

wordt bij het terugopkomen van de dc­

spanning de startprocedure hernomen via werking op paneel is deze situatie beperkt wordt tot de kortsluitstroom

de

"Start Control Delay". Bij

ongevaarlijk omdat de stroom steeds van het paneel en deze is lager

dan de maximale toegelaten dc­stroom. Het verbruik

van

de pulsgenera­

toren is laag : ongeveer 5 Watt. De voeding gebeurt uit een ongestabi­ lizeerde dc­voeding. 2.3.5. Faze­kontrole circuit (PCC ). Het

faze­kontrole

circuit

levert

de poortpulsen

voor

de zes

thyristoren. Het blokschema van de PCC is getekend in fig. 2.9. Uit één f aze van het net wordt

d.m.v.

een begrenzer

afgeleid. De regeling F laat toe de

f aze

stellen dat het midden van het bereik van

een referentie blokgolf

van de netspanning zo in te de

"control voltage input"

(α­control in fig. 2­4) overeenkomt met het midden van het vermogenbe­

179

reik.

De 50 Hz blokgolf stuurt een "phase-locked loop"

uitgevoerd

werd

(PLL)

dat zijn eveneens 50 Hz uitgang lineair in

die

faze

zo kan

verschoven worden met de spanning V. De PLL blokgolf wordt nu aangewend om

een

lineaire

interpolator te

interpolator komen worden via

sturen.

De

signalen

die

uit

de

de verdelingslogika omgezet in de poort­

signalen van de fig. 2.8. Van de vele circuiten die

getest werden bleek dit een zeer betrouwbare

werking te leveren. Door

een

uitstekend antwoord bekomen

goed ontwerp van het PLL-filter werd een

op

storingen

in

storingen worden uiteindelijk teruggevonden

de referentiefaze. Deze

als

schommelingen

in

de

dc-invertorstroom. Andere circuiten die bijvoorbeeld d.m.v. PLL's de zes pulsen maken heb­ ben

een slechter gedrag t.o.v. dit van de

Een

alternatieve

metode is

fazespanningen af fazekontrole

te

de

zes

aperiodische

pulsen

interpolator.

rechtstreeks

uit

de

3

leiden. In dit geval moeten echter gelijklopende

schakelingen

gebruikt

worden

en dit is moeilijk uit te

voeren.

2.3.6. De vermogen-zoekmodule (PTM). De PTM levert een dc

signaal

af dat de

PG+PCC

eenheid stuurt zo­

danig dat het invertorvermogen gekontroleerd wordt. Twee

werkingsmodes

zijn mogelijk a. "Maximum power tracker" mode (MPT). In

deze mode wordt de fazehoek α zodanig ingesteld dat de f.v.g. in

zijn

maximum

vermogen punt aangepast wordt. Hiertoe worden

spanning- en stroom ximum

gevonden

samen met

dit

vermenigvuldigd en α gevarieerd totdat het ma­

wordt. van

paneel

het

Het

maximum van het dc-vermogen valt

niet

3-fazige ac-vermogen wegens de vorm van de

rendementskurve. De afwijking is echter

zeer

klein omdat de rende-

mentskromme zeer vlak is en de meting van het f.v.g. vermogen is gemakkelijker (en goedkoper) dan van het 3-fazige ac-vermogen.

b. "Battery Power Control" mode (BPC). DE BPC mode is voor het geval van batterijwerking. Nu wordt geen maximum

gezocht maar de PTM onderzoekt of het door de

batterij geleverde vermogen Ρ

afwijkt van een

tiewaarde

Ρ

α zodat Ρ

en ΡΛ nagenoeg gelijk zijn.

ingestelde

referen­

(manueel of via computer in te stellen).. De BPC regelt

180

De PTM bevat ook circuiten nodig voor het starten van de invertor. De volgende vereisten zijn ingebouwd. a. een

vertraging van 4 seconden tussen aanschakelen van de PCR en de

sturing van de thyristoren. b. In de BPC mode start de invertor bij stroom nul; de stroom neemt dan toe tot het ingestelde vermogen bereikt wordt. c. In

de

MPT mode start de invertor in het midden van het bereik. Dit

is ook het geval bij een te lage bezonning van de f.v.g. Deze eigen­ schap is nodig

om

te beletten dat de invertor blijft hangen in een

eindpunt van het kontrolebereik. Fig.

2.10

gemaakt van een afgezien van

geeft

het

kombinatie

een

blokschema van

microprocessor

van de PTM. Er wordt

analoge omdat

gebruik

circuiten en logika. Er werd dit

de

prijs sterk zou doen

stijgen zonder de prestaties te verbeteren. Alleen in het geval de PTM gebruikt

zou

moeten

worden

voor

vermogenmanagement

e.d.

is

het

voordeliger een processor te gebruiken. De verbinding van de PTM met de buitenwereld om

misontsteken

van De

(meting vermogen) gebeurt volledig galvanisch

van de thyristoren te vermijden en ook om de gevolgen

overspanningen batterij

of

gescheiden

t.g.v.

de

blikseminslag

f.v.g. klemspanning

e.d.

te verminderen.

E wordt gemeten d.m.v. een

lineaire optische isolator. De invertorgelijkstroom I wordt d.m.v. Hall

transducer omgezet

in

een

proportionele

spanning

een

V . Andere

ingangsfunkties zijn : - de

analoge ingang voor de instelling van het referentievermogen bij

batterijwerking een kloksynchronisatieingang (50 Hz). Het is de bedoeling dat de PTM ook

bruikbaar

zou

zijn

voor onafhankelijke

netreferentie hebben en daarom

werd

omzetters

die geen

een onafhankelijke vrijlopende

50 Hz oscillator ingebouwd. -

logische ingangen die bijvoorbeeld de funktie van de PTM instellen : BPC of MPT mode, shut-down, ..

De uitgang

van de

PTM

levert de spanning V die de fazehoek α regelt

van de PCR. Deze V kan natuurlijk

ook andere soorten invertoren bestu­

ren, bijvoorbeeld de pulsbreedtegemoduleerde types.

181

Werking van de PTM.

Zoals reeds gezegd worden de analoge ingangswaarden stroom

I

vermenigâvuldigd

om

het

afgeleverde

spanning E en

f.v.g. vermogen

te

bekomen.

D aar zowel op de gemeten spanning als stroom een grote rimpel

aanwezig

kan

zijn is

vermogen. Daarom komt nu

onderzocht

hoe

dit

ook

het

geval

voor

het

ogenblikkelijk

na de vermenigvuldiger een snel filter. Er wordt het

gefilterde

vermogen

Ρ

evolueert

na

elke

klokperiode.

Het vermogen Ρ

η

gemeten op

een

tijd

t

η

wordt vergeleken met dit

gemeten op t

,, dit is Ρ ,. Deze laatste waarde was opgeslagen in een n­1 n­1 sample­hold schakeling S/H. Een komparator C vergelijkt Ρ en Ρ . Naargelang de onderlinge waarde van Ρ

en Ρ η

stuurlogika van de

wordt

de uitgang van de

η—1

integrator (Int) nul of een en de

uitgangsspanning

V stijgt of daalt. De volgende gevallen zijn mogelijk : Ρ > Ρ : de variatie van V was in de goede richting en de toe­ n n—l stand van de stuurlogika moet ongewijzigd blijven. Ρ

n

<

Ρ

n­1

: de variatie van V was verkeerd en de toestand van de

logika moet omgekeerd worden. Het geval

Ρ

« ρ

is irrelevant daar de komparatoruitgang c

steeds

nul of een is. In de batterijmode wordt de werking van de S/H overbrugd en een uitwen­ dig ingestelde referentiewaarde

Ρ

dient als doel : als P

> P

vari­

2 2 n eert V in de juiste richting. Voor Ρ, < Ρ moet de V variatie omgekeerd 2 η worden. Het verschil tussen beide werkingsmodes wordt geïllustreerd aan de hand van fig.

2.11. Kurve (a) geeft het verloop van het invertorvermo­

gen bij konstante bezonning in funktie van de α­kont role (MPP) spanning V; kurve (b) is

voor batterijwerking (BPC). De bijzondere vorm van (a)

is een gevolg van de I­V karakteristiek van het paneel. MPT

mode

bij

batterijwerking

stijgend vermogen en zeer

hoge

BPC mode de invertor steeds bij

zou

uiteraard leiden tot

stromen. V­O

een

steeds

Om dezelfde redenen start in

en daarna stijgt de V geleidelijk

tot het gewenste vermogen bereikt wordt. Fig. 2.12 die voorkomen in fig. 2.10.

Gebruik van de

geeft de golfvormen

D e volledige cyclus duurt twee netperioden

182

of 40 ms. Gedurende het

interval

(t ,t ) wordt

betreffende de zin van de variatie van V.

De

een decisie genomen

figuur

is getekend voor

Ρ <Ρ wat C -0 geeft. Gedurende het interval (O,t ) ziet de kompan n-1 1 1 rator dat Ρ > Ρ en C wordt 1. Het effekt daarvan is dat gedurende n n-l 1 (t ,t ) de kont role spanning V inkrementeert met AV. Na 20 ms, op t , start de vermogenmeting; het einde dezer meting valt op t , dit is pre­ cies

40 ms nadat de cyclus gestart werd op t . Op deze wijze worden de

meetcyclus

en

de kontrole aktie gescheiden en het systeem wordt dyna­

misch stabieler. 2.3.7. Meettransducers. Stroom- en spanningstransducers van de PTM. Vermits de

PCR

kontrole-komputer voorzien

die

ontworpen

te

werd

om

kunnen werken

ook

onafhankelijk

zijn er

ingebouwde

van een circuiten

de dc-spanning en stroom aan zijn ingangsklemmen meten.

Deze stroom- en spanningsomzetters moeten geen zeer hoge nauwkeurigheid bezitten daar vermogen.

het

slechts gaat over het waarnemen van de variaties in

Niettemin

is er

voor de batterijwerking toch

een

zekere

nauwkeurigheid vereist vermits hier het dc-vermogen geregeld wordt naar een

referentiewaarde.

belang zolang

de

De

absolute

lineariteit

spanningstransducer

zijn

nauwkeurigheid

voldoende

lager

heeft niet zoveel

is. De eisen gesteld aan de

dan deze van de

stroomtransducer.

Inderdaad

is het spanningsbereik beperkt tot

55...75 V

bij MPT. Belangrijk is wel dat de transducers een zeer goede

galvanische

isolatie

geven

38...48 V

bij

BPC en

zodat geen stoor pulsen in de PTM kunnen

dringen. Hall-sensor transducer. Fig. 2.13 geeft een

een aantal

door

ons ontworpen

transducers voor dc-stroom meting. Er werd gekozen

voor

de oplossing

fig.

schets

van

2.13b omdat dit de goedkoopste is. De stroom loopt door het ven­

ster van bouwde

twee U-vormige ferrietkernen en een Hall-transducer met inge­

versterker

is

geplaatst in de luchtspleet van het magnetische

pad. De uitgangsspanning van de Hall-transducer is evenredig met de induktie in de luchtspleet en deze is evenredig met I

183

Β

­Η

spleet

­ ni (ampère­windingen).

Kern

De gevoeligheid

kan

van de ingebouwde

ingesteld

versterker

worden door het afregelen van de winst of

door het aantal windingen ( η) van de

primaire keten te veranderen. Dit is een zeer aantrekkelijke eigenschap omdat op deze wijze een schaalverandering

kan bekomen worden zonder de

transducerwinst af te regelen. De verwezenlijking gebeurt door de SIEMENS

Hall

zeer dunne circuit kan gemakkelijk in een

omzetter SAS231L. Dit

luchtspleet

van 1 mm aange­

bracht worden op voorwaarde dat een aangepaste fixatie voorzien Fig.

2.14a,b,c,d geven enkele data. Fig. 2.14a is

circuit

diagram.

D e geïntegreerde HALL­cel

het

wordt

wordt.

vereenvoudigde

gestuurd

door

de

stroombron I. ; de cel uitgangsspanning wordt versterkt (A) en in niveau η

verschoven (L). Deze verschuiving is nodig om uitgangs offset te elimi­ neren;

de

Fig. 2.14b

niveauverschuiver geeft

de

uitgang wordt versterkt door een

opamp.

karakteristieken als funktie van de induktie. De

gestreepte kurven gelden voor

een

versterkingsinstelling bepaald door

de inwendige weerstanden. Fig. 2.14c geeft gram en 2.14d geeft een idee

van

het praktische aansluitdia­

de afmetingen van het kleinste type,

de SAS 231 L. De bereikte resultaten zijn

bevredigend : de lineariteit

is ongeveer 1 % en de winst blijft konstant

op voorwaarde dat het mag­

netische pad goed gemonteerd is. De offset is relatief groot ratuur afhankelijk ( < 50 mV); dit zou

kunnen

en tempe­

moeilijkheden

opleveren

bij lage stroomniveaus. Wordt de transducer voor de meting van bidirek­ tionele

stromen gebruikt dan wordt de offset groter en de

lineariteit

verslecht als gevolg van het doorlopen van bredere hysteresislussen; de offset blijkt dan af te hangen van de voorbije stroomvariaties. Spanningstransducer.

Het circuit van deze omzetter is

gegeven

in

fig. 2.15; er wordt

gebruik gemaakt van een duale lineaire optokoppelaar. L ,

doet een stroom ι

zal

de

gepaard

worden d.m.v.

g =1

stroom

lopen. Wegens de

een

zijn.

In gekende schakelingen

stroombron.

moet

L

door

opamp

tweede LED van de koppelaar een gelijke stroom krijgen als

koppelaars

door L

in de transistor Τ

D e

A de

gestuurd

Hier is dit niet het geval : de stroom

wordt afgeleid van V met een weerstand R . Met g ­ I „ / I en 1 1 1 1 01 1 /I als stroomtransfertverhouding van de beide koppelaars bekomt

184

men V

2

als funktie van V : 1 g

2

R

R

4

2

%

VVD R& - R 4 ^ j ^

indien V

en V

*2 R4 met Κ - - -

.

zijn respectievelijk offset spanning van A en diodespannings-

val van L, en L . 1 2 Voor V < v wordt de uitgangsspanning

nul. De weerstand R

elimineert

een offset-fout die zou ontstaan als gevolg van de gebruikte spannings­ sturing. Daar zijn waarde afhangt van v ariteit

optreden

omdat

v

varieert

zal

er een lichte niet-line-

van 1.45

tot

1.50

V voor de

gebruikte HCPL-2530 wanneer de ingangsspanning varieert van 10 V.

De berekende waarde van R

waarna de

(«14.5 K) werd in het

circuit

tot

40

gebracht

versterking K in een punt van het bereik afgeregeld werd met

R . De niet-lineariteit bleef kleiner dan 1,5 % van een ingangsvariatie van 8...80 V. een

klein

Het uitvallen van V

euvel

voor V kleiner dan v (1.35 V) is 2 1 D

daar deze 1.35 V een zeer klein deel van het totale

meetbereik (100 V) vertegenwoordigd. 2.3.8. Eigenschappen van de PCR omvormer. -

Rendement relatief wordt. Fig.

2.16

groot indien de ingangsspanning niet te klein geeft het rendement Ν in funktie van de inver-

torstroom I voor 48

en 66 V voedingsspanning. De rendementskurve

is zeer vlak en dit

is gunstig bij paneelwerking. Het verloop is

analytisch te schrijven als

Ν % - 100 (1 - γ- - C2I - C 3 ) Ρ met c - -°- , c - (R +2riM_)E, 1 E 2 eq Th'

c - 2v /E . 3 Th'

Hierin zijn Ρ het transformatornullastverlies, E de voedingso spanning, de faktor van C is de som van alle weerstanden in het secundaire circuit, v de

de thyristorspanningsval.

transformator data en

weerstanden vinden we :

de

gemeten waarden

Uitgaande

van

de

van

circuit

185

„ ,, Ν % - 1 0 0 (1

5, )

5

Het rendement dat hier in fig 2.16 voor

51 Χ 103Ι

60

uit

een

volgt is getekend als een funktie van I

voedingsspanning

van 48 V en 66 V (batterij­

werking en maximum vermogenpunt werking). Het maximum zeer

van de kurve ligt bij 82 en 87 %. Dit vlakke verloop is

gunstig

voor

zonne­energie toepassingen omdat in

gemiddelde energieverdeling zeer

vlak

België

de

verloopt, in funktie van het

invallend vermogen, (zie fig. 3 eerste rapport). Dit betekent dat de rendementskurve zo vlak

mogelijk

moet

zijn. Het invertorrendement

werd ook bepaald tijdens batterij­werking. Een

moeilijkheid hierbij

is dat de invertor uitgangespanning voortdurend varieert van

tengevolge

de batterij ontlaadkarakteristieken en de spanningsval over

kabel

die

aantal

de invertor en batterijen verbindt. Fig. 2.16 geeft

punten

dichtbij

voor

de een

48 V. Voor punten die werkten bij een spanning

48 V werd een korrektie uitgevoerd als volgt.

De rendementsformule kan

eveneens

als een funktie van E geschreven

worden Ρ N

" τΛ

" 1 ­ = b

100

E

l

2

­ (*

I

+ r + 2r_ )I ­ eq

2νΛ Th J

Th

Door differentiatie : dN m 1­N dE " E Bijgevolg, gegeven Ν bij een

spanning E dichtbij 48 V, vinden we Nj

bij 48 V Nx % ­

Ν % + (^ E

De gekorrigeerde

­ 1) (100 ­ Ν %)

punten

zijn

rendement op deze wijze bepaald

eveneens wijkt

bepaalde waarde voor I kleiner dan 20 A.

getoond aanzienlijk

in fig. 2.16. Het af van de hoger

D it betekent dat de trans­

formator nullastverliezen groter zijn dan verwacht uitgaande van gegevens.

de

Er werd eveneens geen rekening gehouden met het ijzerver­

lies van

de spoel, maar uit fig. 2.4 zien we dat dit verlies altijd

over het

gehele

werkingsgebied bestaat omdat de thyristorbrug uit­

gangsrimpel spanning over verlies is moeilijk wegens

de de

spoel staat. Het meten van dit ijzer­ niet­sinusoïdale stroom met gesuper­

186

poneerde gelijkstroom. D e veranderlijke dc­komponent

geeft

daaren­

boven een variërend verlies over het werkingsgebied. Het

is nu nochtans wel mogelijk om een goed idee te verkrijgen

van

het nullastverlies uitgaande van de experimentele rendementskurve :

Ρ

en

o

dit

­ E I (1 ­ T ­ £ ) ­ r. I 2 ­ 51, 100 tot geeft P 0 ­ 97... 125 Watt afhankelijk van I. De meetcomputer

die met het systeem gekoppeld is geeft een aflezing van ongeveer 110 Watt. Gemeten

met

een analoge Wattmeter vonden we voor P 0 ongeveer

115 Watt (dit is bij I ­ O ) . In deze P0­waarde was eveneens het ver­ bruik

van

de

elektronische

circuiten van de PCR inbegrepen;

dit

bleek ongeveer 5 Watt te bedragen.

We kunnen besluiten dat

de

nulllastverliezen ongeveer 115 Watt be­

dragen en dit geeft uiteraard

een

lager rendement dan verwacht bij

lage invertorstromen.

Rendementen bij paneel werking zijn niet gemeten omdat de weerkondi­ ties op dat voeding

ogenblik

slecht

waren

en

er was geen groot­vermogen

beschikbaar. Niettegenstaande dit hebben we toch de

mentskurve getekend

rende­

voor 66 V en P 0 ­ 115 W en men ziet daarop dui­

delijk de invloed van P 0 bij kleine stromen. De PCR is van nature

uit

een 3­fazig toestel. Dit betekent dat hij

niet kan toegepast worden in huizen met

eenfazig net. Aan de andere

kant is bij een 3­fazig net het vermogen verdeeld over de fazen. De transformator en spoel veroorzaken

een

storend

300

Hz geluid.

Vooral de spoel is belangrijk : wegene de gelijkstroomkomponent verzadiging vergroot. De

kan

optreden waardoor de induktantie verkleint en de rimpel door ons gebruikte spoel bleek meer geluid te produce­

ren dan verwacht

en dit is vermoedelijk aan gedeeltelijke saturatie

te wijten. De PCR is zeer robuust en

betrouwbaar

aantal vermogen halfgeleiders. grote

D aarenboven

stromen zeer goed overbelastbaar

repetitieve

piekstroom

Dergelijke thyristoren

is 1500 A worden

als

en

gevolg zijn

(appendix de

van het geringe thyristoren

voor

2.3). D e

smeltwaarde

niet­ 2 11250 A s.

uitstekend beveiligd met zeer vlugge

halfgeleider zekeringen (die echter

duur zijn). Vermoedelijk kunnen

187

gewone

vlugge

zekeringen

ook

nog

gebruikt worden indien ze krap

bemeten zijn. -

vermogen-faktor

t deze ie ongeveer 0,6. De lage vermogen-faktor is

een rechtstreeks gevolg werking op f.v.g. en wordt

de

van het feit dat de PCR ontworpen werd voor

batterij. Bij lage voedingespanning (batterij)

vermogenfaktor

het

slechtst.

waarbij de PCR bij volle inversie

De beste toestand is deze

werkt maar dit kan nooit gebeuren

omdat de spanning bij het MPP slechts 64 V bedraagt en veel lager is dan de maximale paneelspanning. De vermogenfaktor kunnen

verbeterd

batterij-

worden

door

en paneelwerking te

de

en

het rendement

klemspanmngsverschillen

verkleinen,

bijvoorbeeld

bij

door

een

ingewikkelde paneelkonfiguratie te nemen. -

Het

gewicht

is

groot

wegens

de zware 50 Hz transformator en

de

smoorspoel. De spoel kan kleiner worden indien men het aantal sekundaire fazen vergroot maar daardoor wordt de transformator duurder en neemt het aantal thyristoren en zekeringen toe. -

De stroom die in het

net

gestuurd wordt is sterk vervormd en daar-

door kunnen andere toestellen gestoord worden (bijvoorbeeld toonpuls sturingen). Voor een toepassing op grote schaal een belemmering. Het toevoegen van

filters

is

doet

dit

punt zeker

immers

de

prijs

aanzienlijk stijgen. -

De

PCR kost relatief weinig. Men kan verwachten dat t.g.v. het

ringe

aantal

ge-

komponenten de prijs bij serieproduktie nog sterk kan

gedrukt worden. De prijs/vermogen verhouding ligt vermoedelijk lager dan van de PBM.

2.4. De pulsbreedte modulatie invertor (PBM). De PBM

omvormer

benadert de ideale omvormer en hij heeft de vol-

gende eigenschappen « - aan het net gekoppeld werkt de PBM als stroombron. - praktisch onvervormde netstroom (distortie minder dan 5 % ) . - laag gewicht

door

het gebruik van kleine ferriet ringkernen die als

hoogfrekwent transformatoren werken. - vermogenfaktor steeds één. - eenfazig toestel, ongeveer 700-800 Watt per eenheid. - rendement hoog door het gebruik van moderne halfgeleiders. - galvanische scheiding tussen in- en uitgang.

188

- moeilijk te beveiligen met zekeringen. - ingewikkeld elektronisch circuit en dus minder betrouwbaar. - hoogfrekwent filters nodig om storingen binnen het toestel te houden. De PBM

omvormer

is

modulair

uitgevoerd

en

het

opgedreven

worden door een eenvoudige parallelschakeling

daar

module als stroombron werkt.

elke

module dc-dc

is

een

omzetter

Het

vermogen van

modules

vermogengedeelte

op

dubbele voorwaartse konvertor. ín principe is het waarvan

de

uitgangsspanning door

halfgeleider sturing een dubbelfazig

gelijkgerichte

golfvorm wordt door een kommutatiebrug

omgezet

kan

modulatie

van

de een de

sinus wordt. Deze

in een komplete sinus.

Fig. 2.17 geeft het blokschema van de PBM invertor.

Werking : De uitgangsstroom van het laagdoorlaatfilter wordt vergeleken een

referentiestroom I

die een dubbelfazig

gelijkrichte

met

sinusvorm

heeft. Het referentiesignaal wordt afgeleid van de netspanning zodat de invertorstroom

en

de netspanning synchroon zijn. Het verschil

beide signalen stuurt

tussen

een PWM geïntegreerd circuit dat een periodische

puls genereert waarvan de pulsbreedte evenredig is met de verschilspanning. De puls f rekwentie

is

ongeveer 25 kHz en de uitgang van het PWM-

IC stuurt de mosfet transistoren

van het vermogen deel, de voorwaartse

inverter. De hoogfrekwente komponenten van de

invertoruitgangsspanning

worden verzwakt met een laag-doorlaatfilter. Een inversiebrug stuurt de stroom

in de goede richting in het net. We bespreken in

het

kort

de

verschillende onderdelen.

2.4.1. Vermogendeel. Dit bestaat toren die om

in

beurten

feite uit twee parallel geschakelde dc-dc conververmogen transfereren (Fig. 2.18). De effektieve

f rekwentie aan de ingang van het filter is dan ook 50 kHz. Bekijken aansturen naar

de

van

wij nu de werking van de helft van het circuit. Bij de mosfet wordt de voedingsspanning V

sekundaire

ringsstroom van de

en de diode D transformator

geleidt (D

het

getransformeerd

spert). De

magnetise-

loopt hierbij op. Bij het nul worden

189

van de stuurpuls spert D

en D

gaat geleiden t.g.ν. de filterspoel L.

Tijdene deze stap wordt de kern gedemagnetizeerd via de wikkeling N diode D

en

en de magnetizeringsenergie wordt gerekupereerd. Er kan aange­

toond worden dat er twee werkingsmodes bestaan. In de ononderbroken mode is de aan n D V

waarin D g werkverhouding.

­

Τ

aan

(Τ

De onderbroken mode treedt

aan

gemiddelde spanning over D

gelijk

+ Τ .. ) en η ■ Ν„./Μ,ί D noemt men de uit 2 1

op

indien

de

belastingsstroom

zeer

klein wordt; in dit geval is η V

V.1 -

, 1 +

2

D

waarin nog R

­ä. R

g

R

η V

­ L/(T o

met

I,

0 1 2 n V

+ Τ aan

) en I uit

­ — l

D g

R.

de belastingsweerstand. D e onderbroken mode treedt

indien R

slechts

op

> 2R .

Door de werkverhouding D sinusoïdaal in de tijd te variëren zal de spanning

over

D

dit gemiddeld ook doen en dus ook de gemiddelde fil­

teruitgangsstroom. Een terugkoppeling

moet er voor zorgen dat de line­

ariteit over het volledige gebied behouden blijft. Door parallelschake­ ling van twee dergelijke

circuiten die beurtelings gestuurd worden kan

het uitgangsvermogen verdubbeld worden en de hoogfrekwente rimpel in de stroom neemt af. Enkele

technologieën

module betreffen het print ontwerp

en

die ontwikkeld werden voor deze de transformator. Er kan aange­

toond worden dat zowel de printbanen als

de transformator een minimale

stoor­zelfinduktie moeten hebben teneinde parasitaire piekspanningen te vermijden. De print werd

dubbelzijdig

zo

ontworpen

dat

hij de

grote voedingspiekstromen zonder problemen kan verdelen naar sistor

de

en transformator. De transformator werd uitgevoerd volgens

zeer tran­ een

principe dat een zeer geringe lekzelfinduktie garandeert. Het resultaat is dat de lekzelfinduktie slechts 100 nH bedraagt tegenover een mutuele induktantie van 2 mH (dit is 0,005 % ) . Het

van mosfet transistoren laat toe zeer

gebruik

vlug

te

schakelen

galvanische

scheiding

zonder het rendement nadelig te beïnvloeden. Zoals tussen

bij

de

het net

PCR werd ook hier een volledige en

de gelijkstroomzijde verwezenlijkt door toepassing

190

van optische koppelaars en transformatoren. 2.4.2. Regellus Fig. 2.19a geeft het schema van de terugkoppellus die de vermogenuitgang doet werken als stroombron. De

filterstroom I wordt gemeten en

versterkt d.m.v. twee opamps LM324. De referentiegolfvorm V fazig gelijkgerichte sinus) wordt vergeleken met

de

(dubbel-

gemeten I. Het IC

ZN1066 van Ferranti is de pulsbreedtemodulator die er voor zorgt dat de afwijkingen tussen I en V _ zo klein mogelijk ref

zijn. Dit gebeurt door

de kontrole van de werkverhouding D. Het IC levert

twee komplementair e

uitgangen die geschikt zijn voor de sturing van de mosfets

van de dub-

bele voorwaartse vermogenmodule. Om de schakeltijden van de mosfets te minimaliseren

is er echter een beter circuit nodig dat grotere stromen

moet kunnen leveren. Fig. 2.19b toont het schema hiervan.Tegelijkertijd wordt

er

van het

voor gezorgd dat een optische koppelaar de

PWM

uitgangssignalen

IC naar het stuurcircuit brengt. Het PWM IC kan aldus ge-

voed worden in

de

sekondaire keten van de omvormer en de sturing door

de gelijkstroomketen. 2.4.3. Laag-doorlaat filter. Dit filter moet de hoogfrekwente

komponenten van de modulator

verwijderen.

Meerdere sekties zijn nodig om voldoende onderdrukking te

bekomen daar

ook de gemiddelde uitgangsstroom er door vloeit. Het aan-

tal sekties wordt o.a. bepaald door de onderdrukkingsgraad vereist door de lokale reglementeringen (VDE, CCIR). 2.4.4. De inversiebrug. De inversiebrug

zorgt

ervoor dat de modulatorstroom (dubbelfazig

gelijkgerichte sinus) in de

juiste zin in het net gestuurd wordt. Fig.

2.20 geeft het schema . De netspanning wordt begrensd en omgevormd tot een blokgolf. Deze blokgolf stuurt een versterker die belast is met een transformator. Sekondair zijn 4 wikkelingen die

gebruikt worden om de

transistoren van de brug te sturen. Twee andere wikkelingen zorgen voor de voedingen die nodig zijn enerzijds voor het stuurcircuit van de mosfets en anderzijds voor het PWM IC met bijbehorende opamps. De opamp 1 dient als inhibit schakeling tijdens het

inschakelen

van het toestel

19\

zodat geen overgangsverschijnselen zoals het antwoord van schuiver

de

fazever­

in de sekondaire van de nettransformator een verkeerde

brug­

sturing kunnen veroorzaken.

2.4.5. Resultaten.

Hieronder geven we de verliezen in de afzonderlijke onderdelen van het

konvertorgedeelte zoals zij

kunnen

nentengegevens. Zij kunnen uitgedrukt

afgeleid worden van de kompo­

worden

als

een funktie van het

uitgangsvermogen P 0 genormaliseerd op 1000 Watt ι ρ ­

P0/IOOO.

Men be­

komt voor een dc ingångsspanning van 48 V : ­ resistieve verliezen in de mosfet's

5,3 VP %

­ schakelverliezen in de mosfet's

1,18/vP %

­ verliezen te wijten aan transformator lekzelfinduktie ­ verliezen in het uitgangsfilter

1,16

%

0,51

%

­ verliezen in de equivalente serieweerstand van de ontkoppelkondensatoren

0,35(1­p)yp

­ diodes aan de secondaire : geleidingsverlies

%

0,19/yp %

schakelverlies ­ transformator : resistieve verliezen kernverlies

0,22

%

0,59vp

%

0,66

%

Het totale verlies wordt bijgevolg : Ρ (in %) ­ 2,55 + 5,89vp + ­^£­ + 0,35 (l­p)vP

en het rendement volgt daaruit : P

M­­*

P.

P. in

Fig.

­ ÎOOP,

Ì2­

P. in

i

2.21, kurve a, geeft Ν als funktie van P 0 voor

het

konvertorge­

deelte zoals het volgt uit de formule. Kurve b geeft het gemeten rende­ ment . Het is duidelijk dat de verliezen bij laag vermogen ietwat onder­ schat zijn bij klein vermogen omdat kurve b onder a ligt. In het midden van

het

valt iets

bereik is het rendement 92,5 % en hoger dan verwacht maar het vlugger

dan kurve a als P 0 stijgt. De reden daarvoor is dat

de mosfettemperatuur stijgt en dat bijgevolg hun aan­weerstand 20 % on­

192

geveer toeneemt en dit betekent 1 % meer verlies. De streeplijn kurve c geeft

het

berekende

beschouwd wordt

en

rendement zoals

indien de temperatuurinvloed

ook

men kan zien komen dan gemeten en berekend

rendement vrij goed overeen.

In elk meetpunt werd steeds lang genoeg

gewacht zodat de transistoren hun regimetemperatuur konden bereiken. De reden waarom wij konvertor invertorrendement precíese

gemeten hebben i.p.v.

is gelegen in het feit dat het zeer moeilijk

resultaten

Nochtans kan

rendement

uit

is om

te bekomen uit de ac-wattmeteraflezingen voor P0.

de kurve a berekend worden dat bij P 0 « 500 Watt het

ac-rendement 91,2 % bedraagt. Rekening gehouden met de verliezen en het verbruik

van

de

inversiebrug

Watt. Bij 100 watt

is

blijft het ac rendement 90,7 % bij 500

dit maar 80 % meer. Dít is enkel een gevolg van

het eigenverbruik van de brug. Verdere verbeteringen zijn mogelijk daar zuinigere circuiten kunnen gebruikt worden. De belastingsgrens ligt bij een 750 watt. Dit is een gevolg van de gevolgde manier van koeling door vrije konvektie. Met geforceerde koeling De vervorming van

de

bekomen

moet

netstroom

900 Watt haalbaar zijn.

is gering : minder dan 3 %.

Modules kunnen zonder problemen parallel gezet worden tot het gewenste vermogen bereikt wordt. Het gewicht kg.

Het

van

de

montagerack

omvormer printen met inversiebrug is gering : +/2 bevat

voorlopig

geen andere elektronische cir-

cuiten. Een MPP regelaar zou hier inderdaad weinig zin hebben gezien de f.v.g. meer kan leveren dan 750 Watt. De doelstelling was de PBM omvormer te testen in praktische omstandigheden. Uit

het

werkingsprincipe

was. De omvormer

genereert

blijkt

dat de vermogenfaktor steeds 1

geen hoorbaar geluid (het laagste te ver-

wachten geluid ligt bij 50 kHz ). De betrouwbaarheid is vermoedelijk lager dan deze van de PCR wegens het grotere aantal komponenten. De tabel hieronder geeft

nog

een vergelijkend

eigenschappen van PCK en PBM omvormer. Fotos 2.1, praktische uitwerking van de PCR

en

module met inversiebrug in hun kast.

overzicht van de

2.2 en 2.3 tonen de

PBM module. Foto

2.4 toont een

193

PBM

PCR rendement RFI netvervuiling

middelmatig middelmatig ja

prijs

laag

hoog veel nee (indien goede filters ingebouwd zijn) gematigd

onderhoud

geen

geen

akoestische storingen

300 Hz voor 3-f brug

geen (25 kHz)

gewicht

relatief hoog

laag

vermogenfaktor

laag...hoog (0.5...0.8)

waarschij nlijke bet rouwbaarhe id

hoog (1)

zeer hoog

goed

ove rbelastbaarhe id

zeer goed

goed indien reserve aanwezig

2.5. Verbruiker. Daar waar oorspronkelijk een kunstmatige verbruiker zijn

voorzien

wij daarvan afgestapt om diverse redenen. Ten eerste is een

bruikspatroon men

individueel

evengoed

het

en veranderlijk in de tijd. Ten tweede

verbruik

geografisch verwijdert

ligt

van van

een

willekeurig

huis

meten

was ver kan dat

de proefinstallatie. Om deze redenen

zijn wij overgegaan naar het gebruik van een gemiddeld patroon dat door de firma AEG-TELEFUNKEN aangewend puter opgeslagen en alle

wordt.

berekeningen

Dit patroon wordt in de kom-

worden

er mee uitgevoerd. Fig.

2.22.

2.6. Verbinding van onderdelen. De

schemas

bekabeling van

van fig.

het

2.23...26

geven

aan

hoe

de

elektrische

systeem is. Men ziet duidelijk de ontdubbeling van

het systeem in twee panelen P

en Ρ

met de overeenstemmende batterijen

Β , Β . De afvoerdraden (ca 110 m) gaan apart naar beneden met sekties 1 2 2 van 50 mm . Bij de volle belasting betekent dit dat er een spanningsval van circa 2

χ

2

V over deze draden ontstaat tussen het paneel op het

194

terras en de kontrolekamer op het gelijkvloers. Het frame van de f.v.g. is aan de aarde gelegd en

er zijn gasontladingsbeschermingen tussen de

uitgangen en deze aarde verbonden

ter beveiliging

Zekeringen zijn in de junktie-doos op het

terras

bij blikseminslag. aangebracht om tegen

batterijkortsluitingen te beveiligen. Alle kontaktoren in de junktiedoos kunnen hetzij manueel hetzij via de komputer bediend worden. In de kelder onder de kontrolezaal bevinden zich de veiligheidsrelais die een over-

of onderspanning van de netspanning voelen en in dit

invertoren dit

afschakelen

geval de

aan dc en ac zijde. Het terug inschakelen

veiligheidsrelais

van

is enkel mogelijk door gekwalifieerd personeel

zodat men kan nagaan of de installatie geen fouten veroorzaakt heeft. 2.7. Meet- en kontrolesysteem. We beschrijven het meetsysteem vrij uitvoerig omdat dit niet in de voorgaande verslagen beschreven staat. De volgende grootheden worden gemeten : -

Het

vermogen

aan

invallend

paneel. De meting gebeurt

met

zonlicht een

gemeten in het vlak van het

solarimeter 2

van Kipp en Zonen,

type CM5 : gevoeligheid 11.7 microV per W/m ; temperatuurgevoeligheid : - 0.1 % per -

C. Zie datablad in de appendix 7.1.

Temperaturen : op een aantal plaatsen van het batterij.

De

temperat nurmet ingen gebeuren met Siemens temperatuur-

sensoren van het tie van de

zonnepaneel, van de

type KTY10, waarvan de weerstand varieert in funk-

temperatuur.

Zie fig. 2.27. De eenvoudige schakeling op

deze figuur geeft een nagenoeg

lineair verloop van de uitgangsspan-

ning in funktie van de temperatuur (maximaal fout van 1 c in het gebied van -50

C tot +150 C). Foto 2.5 toont hoe

de temperatuursen-

sors aan het paneel gelijmd werden. Deze lijm zorgt tevens voor de vochtafdichting. het

zuur

Voor de batterijen wordt een sensor geïsoleerd van

d.m.v. een glazen buis. De buis wordt in het zuur aange-

bracht en een

rubberen ring tussen de buis en het batterijgat dient

als afdichting (Foto 2.6).

Er zijn 16 sensors geïnstalleerd; 12 er-

van moeten de paneeltemperatuur op een aantal plaatsen. Twee sensors zijn in de batterijen

gemonteerd

en de overblijvende twee meten de

temperatuur van omgeving en solarimeter. De spanningen van de zonnepanelen PI en P2 genoteerd VPl en VP2. -

De spanningen van de batterijen BI en B2, genoteerd VB1 en VB2.

195

-

De stromen van

en

naar

de

batterijen Bl en

B2, genoteerd IBI en

IB2. Deze worden gemeten d.m.v. geijkte shunts

die 60 mV spannings-

val geven bij 50 A. -

De stromen geleverd door panelen en batterijen samen, genoteerd IPB1 en IPB2. Zij worden op dezelfde manier gemeten

als de batterijstro­

men. -

Het AC aktie f vermogen geleverd door de driefazig net met neutrale

geleider.

invertor.

De

meting

Het

gebeurt

BBC-Goerz Metrawatt meetomvormer van het type GTU 0289 met 3

net

is een

met

een

gekombineerd

stroomtrafo's met verhouding li3. Zie datablad in de appendix

7.2. De meetomvormer

heeft een stroomuitgang en levert +/- 5 mA bij

+/3.3 kW. Samen met

de stroomtrafo's wordt dit +/ - 5 mA bij +/- 9.9

kW. Fig. 2.28 geeft het schema naal.

Alle

meetsignalen

voor

worden

de overbrenging van een meetsig-

galvanisch

d.m.v.

de isolatieversterker 2, waarvan de

tussen

+5

overgebracht

uitgangsspanning

varieert

en -5 V. Het gebruik van een isolatieversterker komt

uit veiligheidsoverwegingen, en seminslag zou werkt.

gescheiden

kunnen

voort

dit vooral om te verhinderen dat blik­

doordringen

in de komputer die de signalen ver­

Het uitgangssignaal wordt naar stroom omgezet, wat de storings­

gevoeligheid bij het

transport

over

lange afstanden (eveneens 110 m )

vermindert. In de meetruimte wordt dit weer omgezet in spanning (-5 V

tot

stroomsignaal (-2 mA tot +2 mA)

+5 V ) . Dit signaal tenslotte wordt

aan de A/D-kaart van de komputer toegevoerd. We

bespreken hieronder de

onderdelen van fig. 2.28.

2.7.1. Signaal Konditionering. Vooraleer de isolatieversterker in te gaan

moeten

bepaalde

nalen eerst verzwakt of eerst versterkt worden. Zonlicht

: versterker χ 400.

Temperatuur :

versterking χ 5.

Spanningen

verzwakkend netwerk naar 5 Volt.

Stromen

t versterking χ 83.33 (van 60 mV naar 5 V ) .

sig­

196

2.7.2. Isolatieversterker. Op het labo werd een goedkope isolatieversterker gebouwd, die

aan

onze eisen voldoet. De versterking wordt bepaald door interne of externe

weerstandswaarden. De lineariteit is beter dan 0.2 %. De 3 dB

kwentie ligt

f re-

rond de 3 kHz, wat volstaat om de niet-sinusoidale rimpel

van de spanning- en stroomsignalen zonder vervorming te verwerken. Fig. 2.29a geeft het schema.

In essentie

is

het

circuit een precisie AM modulator-demodulator. De

pulstrafo's Tl en T2 verzorgen de ingangs-uitgangs isolatie. De voeding voor

het

ingang3circuit

gaat

transistoren BC548 vormen bekomt men een

16

V

een

eveneens

via een pulstrafo (T3). Twee

push-pull

gelijkspanning.

invertor;

De

na gelijkrichting

schakeling rond IC4b en IC5

vormt een blokgolfoscillator met een f rekwentie van ongeveer 30 kHz. De uitgangen aan de sekundaires van T2 sturen de Hun uitgangen sturen direkt de analoge versterkte IC2a

golfvormers IC3 en IC4a.

schakelaars

ingangssignaal wordt gemoduleerd door

terwijl

IC2b de synchrone demodulatie

responsie kurve is

IC2a de

enIC2b.

Het

schakelaars

van

verzorgt.

De

frekwentie

vlak van DC tot de modulât ie f rekwentie. De schakel-

overgangen zijn miniem

dank

zij het symmetrisch modulator-demodulator

circuit. De bandbreedte is echter beperkt tot ongeveer 3 kHz d.m.v. een simpel

eerste

orde

filter,

worden. Het volledige

gezien

schema

werd

geen hogere frekwenties verwacht reeds

in meer detail besproken in

verslag IV.

2.7.3. Spanning-naar-stroom transducer. De modulatie-demodulatie transducer mag niet zwaar omwille

van

Daarnaast

de

is

inwendige

weerstand

van

een stroomuitgang wenselijk,

de

analoge

gezien

de

belast

worden

schakelaars. lange

afstand

waarover de signalen vervoerd moeten worden. Fig. 2.29 geeft het schema van

de

spanning-stroom

gedefinieerd is t.o.v. massa.

Dit

laatste

omzetter, die een massa

bleek

nodig de

opamps, ICI en

volger

ingang te realiseren.

als

die

niet

omzet naar een stroom die wel loopt naar

maken van de A/D-kaart van IC2a,

ingangsspanning

om op verantwoorde wijze gebruik te

regelkomputer. In het circuit zijn twee geschakeld

teneinde een hoogohmige

197

Een tweede stel opamps, IC2b toren, Ql en Q2,

vormen

en

IC2c, in kombinatie met twee transis-

precisie

stroomspiegels

door I-f en I-, d· voerlingeetromen van

ICI.

die gestuurd worden

De uitgangsimpadanties van

beide stroomspiegels zijn zeer hoog, gezien

Ql

en

Q2

schappelijke-basis opstelling werken, maar worden niet de

relatieve waarde van de weerstanden R2 tot

wordt nu LM324

R5.

De

in een gemeenbeïnvloed

door

uitgangsstroom

: lout = 1+ - I- - (V1-V2)R21. De zenerdiode zorgt ervoor dat

binnen

zijn

common-mode range

blijft

werken.

Voor

perfekte

werking van het circuit zijn 1% weerstanden in de stroomspiegels nodig. Zijn deze niet 'gematched'

dan ontstaan offsetfouten. Bij korrekte op-

bouw is de niet-lineariteit met 2 kohm en

kleiner

kortsluiten

geeft

dan 0.1%. Belasten van de uitgang

slechts 0.05% verschil. Opwarmen van

LM324 geeft een fout van 0.1% van de volle schaal.

2.7.4. Stroom naar spanning. Fig. 2.30 geeft het schema van de

stroom naar spanning omzetting.

Het heeft het voordeel dat de spanning-stroom omzetter laagohmig belast wordt. De weerstand r is

klein

karakteristieke impedantie zodat wordt

(50

Ohm)

en sluit de lijn af op zijn

reflekties

vermeden

worden.

Tevens

het negatief effekt van de kabelkapaciteit op de stabiliteit van

de opamp door deze weerstand opgeheven. 2.7.5. De meting van het AC vermogen. De meetomvormer signaal onder

de

voor het AC vermogen levert zelf al een uitgangs-

vorm van een stroom, zodat die enkel nog in spanning

hoeft omgezet te worden met voorgaand circuit. 2.7.6. Sturing en kontrole. Naast een meettaak heeft de komputer ook een kontroletaak te

ver-

vullen

over het ganse systeem.

in- of

uit kunnen geschakeld worden, dat de netvoeding kan onderbroken

worden,

...

De

Dit betekent dat delen van het systeem

komputerkontrole kan nochtans geïnhibiteerd worden en

alle schakelaars zijn dan

manueel te bedienen. De bedoeling is een ma-

ximum aan flexibiliteit gedurende de

werking te bekomen. Op deze wijze

kunnen verschillende werkingsmodes manueel of

door

de software verwe-

198

zenlijkt worden. In het bijzonder is

het

de bedoeling om het systeem-

rendement te bepalen met verschillende regelstrategieën voor de

vermo-

genflow of zelfs zonder enige strategie. Daartoe zijn er twee verschillende invertormodes verwezenlijkt : Batterij vermogen kontrole (BPC) mode : de invertor is met terijen het

verbonden

vermogen

de

bat-

en een referentiespanning bepaalt de grootte van

dat

naar het net gaat. Het paneel blijft in parallel

met de batterij . De referentiespanning komt van een potentiometer op het frontpaneel van de PCR of van de D/A uitgang van de komputer. -

Maximum vermogen punt (MPP) zoek mode : de invertor is verbonden met het paneel en de

batterijen zijn afgeschakeld. Zoals in de BPC mode

kan de invertor eveneens onafhankelijk werken daar de MPP zoeker een deel is van de PCR circuiten. Door de invertor mode

te

veranderen (maneei of door computer) en door

de gepaste schakelaars te sluiten worden

dan een brede waaier van kon-

trole modes mogelijk. Enkele voorbeelden : - permanente MPP mode zonder batterij - MPP als de batterij volgeladen is; zoniet BPC - aanpassing van het invertorvermogen aan

de

belasting door de batte-

rijen : BPC mode. In de BPC mode zijn de kontaktoren Clt

. . . C9 gesloten (fig. 2.23) ter-

wijl in MPP C x en C 3 open zijn. De kontaktoren C 6 , C 7 zijn veiligheidskomponenten die automatisch openen indien de netspanning te laag wordt. Zij kunnen alleen bediend worden soneel

door

hoog of te

gekwalifieerd

per-

en ze zijn niet met de komputer verbonden. Wanneer c 6 , c 7 gede-

aktiveerd zijn

en dus open gaan de kontaktoren C 4 , C s eveneens automa-

tisch het dc-circuit onderbreken.

2.7.7. Kontaktoren Cl tot C7. Zie fig. 2.31 voor het schema. De

kontaktoren

SSR1.-SSR4,

worden

gestuurd

via

de

solid

state

relais

waarvan er vier op een print aanwezig zijn. Twee dergelijke

printen volstaan om alle kontaktoren te bedienen. De solid state relais krijgen hun ingangssignaal via ICI en IC2. ICI bevat vier 2 naar 1 mul-

199

tiplexers

en

verzorgt dan ook de keuze tussen manuele

schakelaars S1-S4 en

bediening

via

bediening via de komputer (bits 0 tot 3 ) . De stu-

ring vanuit de komputer

gebeurt met open collector buffers, wat tevens

de overgang tussen de 5

V voeding van de komputer naar de 15 V voeding

van de regelelektronika verwezenlijkt. De manueel/komputer instelling gebeurt met stuurstroom lm/k : 0 mA is manueel, ongeveer

10

mA

betekent

komputersturing. De stroom lm/k

vloeit door de ingang van optokoppelaar 01, pelaar 01 van de tweede print en door

eventueel door de optokop-

een optokoppelaar in de invertor

zelf. Is om een of andere reden deze stroomkring

onderbroken (invertor

verwijderd, verbinding met de invertor verbroken), dan vloeit ook

geen

stroom im/k, en valt het systeem vanzelf op manuele bediening terug. De

uitgang van optokoppelaar 01 levert het

multiplexer

stuurt.

signaal

Sei

dat

de

De stroom lm/k kan geleverd worden via bit 4 of 5

van de I/O poort. Daarnaast is

ook

een Enable signaal aanwezig. Dit Enable signaal

wordt toegevoerd aan alle NOR poorten van IC2 en moet laag zijn vooraleer de

solid

state

relais aangeschakeld kunnen worden (ingang-hoog).

Het Enable signaal is uit veiligheidsoverwegingen toegevoegd. Staat het systeem op manueel (waarbij bijvoorbeeld de batterijen den

worden

vanuit

het

paneel),

komputer nog steeds reageren

op

dan kan het ongewenste

kontinu opgela-

regelprogramma

in

de

ontwikkelingen binnen het

systeem (de batterijen worden bijvoorbeeld te sterk opgeladen) door het Enable signaal hoog te maken, en

zodoende

alle kontaktoren te openen.

Dit Enable signaal kan geleverd worden via bit 6 of 7 van de I/O poort.

2.7.8. Invertor stuurprint. Het stuurprintje in de invertor heeft drie taken t -

geeft aan de invertor te kennen

of

manuele

of

komputer bediening

gekozen is; -

bepaalt paneelmode of batterijmode,·

-

in batterijmode bepaalt het het in te stellen vermogen. Het

schema

staat

in

fig.

2.32

afgebeeld.

De

invertormode

(paneel/batterij) wordt ingesteld via de spanning op punt a t

200

O V is batterijmode, 15 V is paneelmode. Het te leveren vermogen wordt ingesteld via de spanning op punt b : 0 V betekent minimum vermogen ( 0 Watt); 10 V betekent maximum vermogen (5000 Watt). Alle

stuursignalen worden via optokoppelaars doorgegeven

aan de

invertor, zodat opnieuw een galvanische scheiding aanwezig is tussen de regelkomputer en de buitenwereld, in casu de invertor. Het signaal manueel/komputer lm/k zorgt ervoor dat bij manuele be­ diening

de

spanningsinstelling met schakelaar S op punt a terechtkomt

via de analoge schakelaar Sla en dat de vermogeninstelling met potenti­ ometer Ρ punt b terechtkomt via de analoge schakelaar Sic. Bij komputerbediening komt het signaal paneel/batterij lp/b via de geaktiveerde optokoppelaar 02 op punt a terecht. Voor

de

vermogenkontrole

circuit ontwikkeld dat

is een goedkoop lineair optokoppelaar

bevredigende

resultaten

geeft. Daarbij worden

aangepaste duale optokoppelaars gebruikt. De ingangsstroom lp stuurt de LED van de eerste optokoppelaar. De opamp A verzorgt de stroom Io door de LED van de tweede optokoppelaar, en wel zo dat lp en Io ongeveer ge­ lijk zijn. Zodoende ontstaat over Rp

een

spanning Vp die evenredig is

met de stuurstroom lp. De spanning Vp wordt

via de analoge schakelaar

Sld doorgegeven naar punt b. De stroom lp tenslotte wordt

geleverd via de

D/A-kaart

processor, waarbij de uitgangsspanning (0 tot 10 V) omgezet

van de

wordt

in

een stroom van o tot 10 mA. Zie schema op fig. 2.33. 2.7.9. Regelkomputer. De

meet- en regelkomputer is een Vektor MMD-DDS komputer bestaan­

de uit : -

een processorkaart met 8085A processor; 64 kRAM geheugen;

-

2 floppy

drives met elk 340 kByte opslagmogelijkheid (double sided,

double density);

201

­

twee

seriële

RS232/20

mA uitgangen, waarvan een gebruikt voor

de

terminal QUME QVTIOO; ­

een 12 bits A/D­kaart met 16 kanalen; ­

12 bits konversie in 25 microsekonden met AD363;

­

12

kHz

sampling

rate

in

sample mode; 20 kHz sampling rate in

pipeline mode; ­

input ranges : +/­ 5 V, +/

10 V of 0­10 V;

­

een 12 bits D/A­kaart met 4 uitgangen : range 0­10 V;

­

een PIO (Parallel

Input/Output)­kaart

met

24

programmeerbare I/O

lijnen (met 8255A).

De bijhorende software omvat : ­ twee 8085 assemblers : ­ ASM.COM : genereert enkel absolute kode; ­ M80.COM : genereert naast absolute ook relocatable kode; ­ een debugger voor Assembier programma's; ­ een Basic Interpreter; ­ een Basic Compiler; ­ een linker; ­ assembler driver routines voor de I/O kaarten.

2.7.9.1. Overzicht van de software taken.

De ontwikkelde software heeft volgende taken ι In Assembier : ­ de tijd bijhouden en de metingen synchroniseren; ­ eenvoudige bewerkingen uitvoeren op de meetgegevens. In Basic : ­ de meetwaarden behandelen en visualiseren; ­ foutdetektie in het systeem; ­ instelling van de

bedieningswij ze

: manueel,

via terminal of

volaut omati s eh; ­ het bewaren of floppy van de essentiële meetgegevens.

2.7.9.2. Klok en synchronisatie van de metingen.

Op de processorkaart is een interval timer (8155) dreven door het processor­kloksignaal (resolutie

aanwezig aange­

325.5 nanosekonden).

202

De timer genereert interrupts

via de RST7.5 lijn van de 8085A (op TRAP

na, de interrupt lijn met de hoogste prioriteit). Een 8155 teller wordt zodanig

geïnitialiseerd dat om de 5 ms een interrupt gegenereerd wordt

die een klokroutine oproept. Deze houdt tijd en datum bij. Bovendien afgewerkt. pulsen

worden de metingen

Zie

zelf

ook

onder

interruptkontrole

fig. 2.34. Iedere 30 sekonden worden de normale

onderbroken

interval tijd van

en

312.5

vervangen door microsekonde,

4

keer

256

pulsen

5

met

ms een

die telkens een koppel metingen

starten. De signalen die verwerkt moeten worden, (o.a. paneelspanningen en stromen ) bevatten door

de

aanwezigheid van een driefasige invertor

een 300 Hz rimpel ). Tevens bleek het nodig een volledige netperiode van 20 ms te bemonsteren. Niet alle deelperiodes van 3.6 ms vertonen immers een

identiek

wikkelingen

spänningsin

de

en

stroomverloop

eindtransformator

van

te

wijten aan

de

invertor.

ongelijke Gezien

10

bemonsteringen per 300 Hz-periode een voldoende nauwkeurigheid oplevert resulteert dit in 60 bemonsteringen voor een

volledige

50 Hz—periode.

Omdat op de meetwaarden later eenvoudige wiskundige bewerkingen

zullen

uitgevoerd worden, zoals het bepalen van het gemiddelde, werd uiteindelijk

voor 64 bemonsteringen per 50 Hz-periode geopteerd (delen door 64

kan immers

eenvoudig gebeuren door shiften). Vandaar het nieuwe timer-

interval van 20 ms/64 = 0.3125 ms. Tijdens elk en een bijhorende

interval

worden twee metingen verricht : een stroom-

spanningsmeting.

metingen bedraagt dan

0.1

ms.

Het tijdsverschil tussen deze twee

Nadat 64 paar meetwaarden opgenomen en

gestockeerd zijn, wordt overgeschakeld

naar

een

ningspaar. In volgorde worden aldus afgehandeld

volgend stroom/span:

IPB1/VP1, IPB2/VP2,

IB2/VB2.

Na 256

paar

metingen

is

een

volledige

meetcyclus

afgelopen.

Hierbij zijn 4 netperioden of 16 intervallen van 5 ms opgebruikt. Iedere binnen

1

halve minuut worden 4 dergelijke meetcycli verricht, sekonde en gelijkmatig verspreid over deze ene

bedoeling van

dit

sekonde.

alle De

herhalen van dezelfde meetcyclus is het uitmiddelen

van trage schommelingen in de meetwaarden.

203

Tot hiertoe zijn nog slechts 8 kanalen verwerkt. De overige 8 wor­ den telkens

net

voor

het starten van een meetcyclus eenmaal gescand.

Het betreft hier immers signalen

zoals het vermogen aan invallend zon­

licht, de temperatuur, het AC vermogen,...

die geen 300 Hz rimpel ver­

tonen en daarom geen dergelijke intensieve bemonstering de vorige signalen. Het signaal afkomstig van de dat het AC vermogen aangeeft is inwendig reeds

vereisen zoals

meetomvormer G T U 0289 gefilterd,

en vertoont

geen rimpel meer.

Het tijdelijk stockeren van al de meetwaarden neemt

wel

wat

ge­

heugenruimte in beslag : ­ de gesynchroniseerde metingen van spanningen en stromen : 4 (cycli) χ 256 (paren) χ 2 (metingen) χ 2 (Bytes/meting) ­ 4096 Bytes = 4 kByte ­ de andere metingen : 4 (cycli) χ 8 (metingen) χ 2 (Bytes/meting) ­ 64 Bytes.

Voor

gebruik vanuit het Basic programma

bijgehouden die

wordt

een

teller

MEAS

geïnkrementeerd wordt telkens als een meetcyclus afge­

lopen is.

2.7.9.3. Verwerking van meetgegevens met Assembier routines.

Teneinde een

vlugge

verwerking van de meetwaarden, afkomstig van

de gesynchroniseerde metingen, toe

te laten, werden een aantal eenvou­

dige Assembier routines geschreven die oproepbaar zijn vanuit het Basic hoofdprogramma en die volgende operaties verrichten : ­

Het gemiddelde berekenen van de 64 meetwaarden van een meetcyclus.

­

Het minimum berekenen van diezelfde 64 meetwaarden. Het maximum berekenen van diezelfde 64

meetwaarden. Zodoende is ook

de rimpel op het signaal gedurende een netperiode gekend. ­

Het

gemiddeld

cyclus . Vermits manier het

produkt van de 64 paren meetwaarden het

vermogen

van

een

hier telkens I/V paren betreft wordt op berekend.

schil tussen een I­ en

meet­ deze

D e fout te wijten aan het tijdsver­

een V­meting is zeer gering. Voor een sinus­

oïdaal signaal van 300 Hz blijft

de fout kleiner dan 2 %. Bovendien

zijn de werkelijke signalen eerder DC signalen waarop een forse rim­ pel aanwezig is zodat de fout zeker beneden de 1 % zit.

204

-

Het gemiddeld kwadraat van 64 stroom-meetwaarden van een meetcyclus. Dit wordt gebruikt om het vermogenverlies in de kabels te berekenen. De kabelweer stand is gekend en gelijk aan 45 mOhm.

2.7.9.4. Overkoepelend Basic programma. Het overkoepelend Basic programma doet de rest, i.e. : -

De teller

MEAS

die

het

aantal

afgelopen meetcycli bijhoudt wordt

voortdurend gekontroleerd : is deze teller 4

dan

wordt hij weer op

nul gezet en kan de verwerking van de meetgegevens starten; -

voor 4 meetcycli en voor 8

kanalen

worden

gemiddelden,

minima en

maxima berekend; -

voor 4 meetcycli en voor 4 paren I/V worden de vermogens berekend;

-

voor 4 meetcycli en voor 2 kanalen ( IPB1 en

IPB2 ) wordt het gemid-

delde kwadraat van de stroom berekend. Over de 4 cycli heen worden dan nog eens gemiddelden van gemiddelden, minima

minimorum en maxima maximorum berekend evenals de resulta-

ten voor de 8 andere kanalen. Verder worden volgende data berekend : -

De

paneelrendementen

van PI en P2, en het gezamenlijk paneelrende-

ment . -

De ladingstoestand van de batterijen BI en B2 aan de hand van de inen uitgaande stromen waarbij de ladingstoestand op 100 % gezet wordt als

een bepaalde spanningsgrens bereikt wordt.

Opmerking :

er

wordt

voorlopig slechts 1 methode ter bepaling van de

ladingstoestand gebruikt waarvan de kan worden; de bedoeling

is

precisie

evenwel

dan nog in vraag gesteld

eerder een ruwe indikatie van de

ladingstoestand te geven dan een precies cijfer. Later zullen ongetwijfeld meerdere en nauwkeuriger bepalingsmethoden toegepast worden. -

Het verlies in de kabels en het

resulterend DC vermogen dat nog be-

schikbaar is voor de invertor. -

Het invertorrendement. Al

deze

gegevens worden op een overzichtelijke manier op

scherm

gebracht, Verder zijn een aantal energietellers ingebouwd. Voor een periode van een half uur worden zodoende de volgende gegevens berekend : -

De energie aan invallend zonlicht in kWh/m2.

205

De elektrische energie uit het zonnepaneel in kWh. De elektrische energie opgestapeld in de batterij in kWh. -

De elektrische energie onttrokken aan de batterij in kWh.

-

De elektrische energie in DC vorm naar de invertor toe in kWh.

-

De elektrische

energie

in AC vorm geproduceerd door de invertor in

kWh. Deze gegevens worden om het half uur op een datafile op floppy geschreven samen

met

tijdsbepaling,

spanningen, stromen en ladingstoe-

stand van de batterijen. 2.7.9.5. Kontrole over het systeem. Zoals vermeld in 3.4 kan ter gestuurd worden. De keuze

het systeem zowel manueel als via kompugebeurt

via komputer, tenzij de verbin-

ding met de invertor verbroken is : dan zit men immers in manuele mode. Voor het ogenblik zijn drie bedieningsmogelijkheden aanwezig : - Manuele bediening. - Bediening via komputer en dit via het toetsenbord. - Volautomatische bediening via waarbij

komputer

volgens

een

regelprocedure

getracht wordt een bepaald 'verbruikspatroon' in het net te

sturen. Een indien

indikatie

komputer

:

van de toestand van het systeem (manueel/komputer; stand van de kontaktoren, invertormode, ...)

ver-

schijnt eveneens op scherm zodat de cijfergegevens geïnterpreteerd kunnen worden. Tevens worden

belangrijke

overgangen

in bedieningswijze en toe-

wtandsveranderingen bij volautomatische bediening in genoteerd als deze voor

de

metingen,

dezelfde datafile

zodat ook die gegevens adekwaat

verwerkt kunnen worden. Merken we nog op dat het formaat ming is met de richtlijnen aan de CEC, centrum te ISPRA mogelijk is.

van de datafiles in overeenstemzodat verdere verwerking in het

206

2.7.10. Voorziene uitbreidingen van het systeem. Hardwareuitbreidingen. Volgende hardwareuitbreidingen worden voorzien. -

Het automatisch afschakelen van takken van een paneel voor kontrole doeleinden.

-

Het automatisch opnemen en uittekenen van I/V karakteristieken.

-

Parallelle

metingen uitvoeren op andere batterijen ter bepaling van

ladingskarakteristieken

en

geheugeneffekten; er

zijn

immers nog

meetkanalen vrij en er is nog verwerkingstijd over. Softwareuitbreidingen. -

De ondersteuning van vorige hardware uitbreidingen. Meerdere berekeningsmethodes voor de ladingstoestand van de batterij introduceren.

-

Andere automatische regelprocedures gebruiken.

-

Een uitgebreide

foutdetektie

om eventuele fouten in het systeem op

te sporen. Analyse van de gestockeerde meetgegevens. Het is stadium

te

de

bedoeling

verwerken

de op floppy bewaarde gegevens in een later

teneinde

systeem te evalueren. Gezien de

de prestaties van een gebruikte

fotovoltaïsch

meet- en regelkomputer maar

beperkte rekenmogelijkheden heeft en niet snel genoeg is, zal deze verwerking op de VAX 11-750 komputer doende

blijft

van het laboratorium gebeuren. Zo-

de meet- en regelkomputer tevens permanent

beschikbaar

voor zijn taak. Dit impliceert de transfer van de op floppy gestockeerde

meetgegevens

naar

de VAX

via

seriële lijn. Hiervoor

resterende kanaal op de seriële I/0-kaart gebruikt worden.

zal het

207

3. Uitvoering van het projekt. 3.1. Organisatie van het projektbeheer. Het organigram van fig.

3.1

toont

hoe

de

verantwoordelijkheid

verdeeld werd tussen de EGW en de RUG. De verantwoordelijke projekt directeur is Prof. H. PAUWELS; aan de zijde van de EGW is dir. ir. W. HUYBRECHTS de hoofdverantwoordelijke. De

technische aktivitelten worden geleid door burgerlijke ingeni-

eurs. Aan de zijde van de RUG is dr. ir. D. BAERT verantwoordelijk voor de ontwikkeling dere

van de elektronika. Hij wordt hierin geholpen door an-

burgerlijke

ingenieurs

fotograaf, elektronika en

en

technisch

mechanika

personeel

(tekenaar,

techniekers). Aan de EGW zijde is

ir. A. DE BEULE de leider van de technische aktiviteiten betreffende de mechanische kant van de zaak

: paneelkonstruktie, bekabeling,..) even-

als de elektrische problemen

(veiligheid..).

staan door technisch personeel :

tekenaars,

elektriciteit). Na het beëindigen

van

het

Hij

wordt hierin bijge-

techniekers kontrakt

(mechanika +

gaat

de RUG nog

minstens twee jaar door met het uitvoeren van metingen. Het metingswerk en de programmatie van de meetopstelling worden door een burgerlijk ingenieur uitgevoerd.

3.2. Aanbesteding en keuze van de toeleveranciers. Een openbare aanbesteding werd uitgevoerd voor het fotovoltaische volgens biedingen

de

generator. Deze openbare aanbesteding

kopen werd

van

uitgevoerd

regels beschreven door de staat. Na de verschillende

onderzocht

te

hebben werd op grond van de prijs

de

de

aanfirma

FABRICABLE verkozen (nu : "PHOTON TECHNOLOGY"). Beperkte aanbestedingen

waren

ncdig

voor de aankoop van de bat-

terijen en het meetsysteem. Op grond van

de

prijzen

en het beschikbare krediet werd voor de

batterijen VARTA gekozen. De andere kandidaten waren duurder; een firma was te laat met haar offerte. Cp dezelfde gronden werd gekozen voor het meetsysteem. Hier kwam de firma VECTOR aan bod gezien de prijzen van de

208

andere kandidaten boven het beschikbare dat dit systeem veel

meer

eigen

krediet

lagen. Een nadeel is

software ontwerp vereist. De andere

systemen zijn speciaal ontworpen voor de uitvoering van metingen. 3.3. Gesloten kontrakten met derden : geen. 3.4. Bouw van de installatie : De opbouw van de installatie werd zoals hoger reeds vermeld uitgevoerd door personeel van de RUG en EGW. 3.5. Opgetreden problemen. De opgetreden problemen waren van technische aard. Zo was voorbeeld voorgesteld om een groot paneel op te stellen afgewezen door stedebouw wegens estetische

maar

er bijdit werd

redenen. Daarom werd het

paneel opgebouwd uit twee eenheden na elkaar. De oorspronkelijke bedoeling

om de panelen op wielen te zetten werd verlaten daar de stabili-

teit

van

het terras dit niet toeliet. Daarenboven zou een dergelijke

konstruktie te weinig stabiel zijn en de individuele panelen kunnen beschadigen . Problemen van leveringstermijnen

van komponenten hebben geen bij-

zonder grote weerslag op het verloop van het projekt gehad.

209

4. Ingebruikneming. 4.1. Initiële problemen.

Enige problemen die optraden hadden verband met de de van

installatie vanuit het meet­ en kontrolesysteem. de

soft­ware konden deze fouten praktisch

besturing

D oor

van

verbetering

volledig

geëlimineerd

worden.

Bij de meetomvormers waarborgen.

metingen bleek dat de isolatie van de door ons ontworpen niet

D it

voldoende

werd

was

opgelost

om

een

storingsvrije

door een betere

meting

te

aardingstechniek

en

enkele geringe wijzigingen in de elektronische versterkers.

4.2. Array prestaties.

De prestaties van het met de batterij te

zetten.

paneel D it

werden gemeten door dit in parallel elimineert fouten die kunnen optreden

indien de invertor als belasting gebruikt zou worden omdat de ιnvertor­ rimpelstroom het rendement doet dalen. Verder, omdat nodig is zou het werkpunt voortdurend

oscilleren

in feite MPP mode

rond

het MPP en dit

vermoeilijkt de meting.

De volgende resultaten werden genoteerd

Irradiatie

Batterij spanning / stroom

Paneel output

Paneel rendement

(*) 2

61 V

1,85 λ

4280 Watt

1065 W/m 2

56 V

2,1

4469 Watt

995 W/m

A

10 % 9,76 %

(*) gemeten in de verbindingsdoos.

De temperatuurtransducers waren op dit maar

moment

nog

niet

de celtemperatuur werd geschat op een 35 i 45 C, zeg

Bij 40

operationeel 40

graden.

graden is de MPP spanning ongeveer 63 V en dit stemt goed over­

een met de batterij spanning tijdens de eerste meting. Het is duidelijk dat in

het

tweede geval het paneelvermogen iets groter zou zijn moest

210

de batterijspanning groter zijn. Gelukkig is de variatie van het vermo­ gen

rond

het

MPP

klein wanneer de spanning niet juist samenvalt met

deze van het MPP. De volgende energiebalans kan nu worden opgesteld : -

diode-verliezen. De modules zijn beschermd tegen omgekeerde polari­ teit door diodes BYX49-600. De

gemeten

spanningsval van deze diode

is 1,1 V bij 2A en het verlies is dus 38 χ 1,85 χ 1,1 - 77,3 Watt in het eerste geval en 87,7 in het tweede. -

kabel-verliezen. In fig. 2.2c is getoond hoe de paneelstroom gekollekteerd wordt. De weerstand per meter busbar is

2pl/(draad sektie)

of 1,24 mn. Het totale busbar verlies wordt dus 5,6 Watt bij 61 V en 7,3 Watt bij 56 V. De kabels van (2 χ 5,5 m voor Pj en 2 χ

3 m

de busbar naar de verbindingsdoos voor P 2 ) dragen bij voor een totaal

verlies van 26,0 Watt en 33,6 Watt. Tussen de verbindingsdoos en de batterijen gaat een bijkomende 126,9 of 21,7 Watt verloren maar deze verliezen

treden op voorbij het meetpunt en tellen dus niet mee. De

totale verliezen in rekening te brengen zijn daarom 31,6 Watt bij 61 V en 40,9 Watt bij 56 V. Samengevat bekomen we de volgende tabel V

BAT

Ρ

BOX (W)

Totaal verlies

Paneel output

(W)

(W)

Paneel rendement (%)

61 V

4280

108,9

4388,9

10,3

56 V

4469

128,6

4746,6

10,4

De netto paneel output komt zeer goed overeen met de J.R.C"s tests voor de fotovoltaische installatie te Chevetogne waarin de zelfde cellen ge­ bruikt

worden.

gaven 30,2 Wp

De

bij

Fabricable (nu

Photon Technology ) 36-cell modules

"Standaard Test Kondities" (S.T.C.) en dit zou 4590

Wp geven voor het RUG-EGW paneel. Het netto paneelrendement is meer dan 10 %. Nemen we aan

dat de eerste situatie van de tabel overeenkomt met

de S.T.C, kondities dan zien we dat er een deficiet blijft van ongeveer 200 Watt of 4 %. Het verschil kan veroorzaakt worden door verschillende faktoren zoals module mis-aanpassing bij het parallel- of serie schake­ len . Onze modules

werden

geklasseerd

stroom door ze te verlichten met

een

afhankelijk

van hun kortsluit­

lichtbron. Misschien is deze se-

211

lektie te grof omdat deze belichting niet ideaal

was (te laag) maar we

hadden geen beschikking over een goede lichtbron om daaraan

te verhel-

pen. Het is anderzijds ook mogelijk dat 1 of 2 percent te wijten is aan de meetnauwkeurigheid en aan afwijking van het MPP.

212

5. Operationele resultaten en meetresultaten. Gezien de korte periode dat het meetsysteem werkt kunnen nog uitgebreide

resultaten gegeven worden. Daarvoor is minstens

een

geen jaar

nodig en liefst 10 jaar. De

onderstaande

tabel 5.1 geeft, gemiddeld over een maand en een

jaar, de invallende energie in Watt per vierkante meter op het vlak van de panelen (gemeten met SOLARIMETER). De metingen t.e.m. juli 1984 wer­ den uitgevoerd op

het dak van het RUG Labo; deze vanaf 1 augustus zijn

resultaten met de RUG-EGW meetinstallatie. Daar beide plaatsen niet ver van elkaar liggen mogen dezelfde waarden gebruikt worden. 2 Tabel 5.1. : 1) gemiddeld invallend vermogen per maand (Watt/m ) 2 2) gemiddeld invallend vermogen over een jaar (Watt/m ). Maand

1982

1983

Januari Februari Maart April Mei Juni Juli Augustus September Oktober November December

50,3 85,7 116,2 161,2 176,2 174,8 172,2 153,1 146,5 82,2 48,5 21,9 *

35,4 91,5 90,8 125,6 120,8 184,2 209,1 172,6 123,8 107,2 63,2 46,1

Gehele jaar

115,8

114,3

De volgende tabel 5.2. tijdens

de

periodes

van

17/11/1984.

Gemeten of berekend werden

1984 48,42 74,9 100,4 181,3 105,2 170,8 163,8 171,7 94,6 * -

data onvolledig.

geeft een energiebalans van de installatie 20/8/1984

tot 26/9/19β4 en 29/10/1984

tot

213 2 1. Totale invallende lichtenergie in kWh/m . 2. Totale energie geproduceerd door het paneel (kWh). 3. Paneelrendement - energie uit/energie in. 4. DC ingangeenergie van de invertor (kWh). 5. Transportrendement uit de berekende kabelverliezen. 6. AC energie uit de invertor (kWh). 7. Invertorrendement. Voor de werking moest uiteraard een regelstrategie gekozen worden. Deze was voor de eerste periode zeer eenvoudig :

rechtstreekse

koppe-

ling aan de invertor aan het paneel en MPP mode. uit

eerder gedane metingen uitgevoerd op een kleine installatie in het

labo blijkt tor

lange

dat dit niet de beste methode is. Dit komt omdat de invertijd

kan werken met een slecht rendement en ook omdat

eigenverbruik 's nachts meetelt.

Dit eigenverlies

door bijvoorbeeld de installatie 's dag kan het rendement natuurlijk

het

kan vermeden worden

nachts af te schakelen. Tijdens de

nog

altijd negatief worden indien er

te weinig energie invalt.

5.1. Resultaten voor permanente en onderbroken MPP mode. De volgende tabel 5.2 geeft resultaten voor twee werkwijzen. In tabel 5.2a werd de invertor voortdurend

verbonden met het paneel in

MPP mode (periode 20 augustus-26 september).

Duidelijk

is

de invloed

van de nachtverliezen op het invertor energie rendement. In tabel 5.2b werd de invertor afgeschakeld bij

te

lage lichtinval en

ook 's nachts (tijdens de periode 29 oktober tot 17

november). De ver-

betering is spektakulair : daar waar eerst het

invertorrendement

zeer

slecht werd bij lage lichtinval blijkt dit nu steeds hoger dan 75 % I De

temperatuurmetingen zullen maar

beschikbaar

zijn

vanaf

januari

omdat de sensoren nog geplaatst moeten worden.

Het

ogenblikkelijke

gedrag van de installatie

wordt

natuurlijk

niet beschreven door deze tabellen; de hoeveelheid data is trouwens ook zeer groot.

Alle

resultaten werden echter op

gens de richtlijnen van de CEC.

schijf gestockeerd vol-

Tabel 5 . 2 .

a. I n v e r t e r voortdurend

Table 5 . 2 .

a. I n v e r t e r c o n t i n u o u s l y

Periode

Belichting

Paneel

Period

Irradiation

Panel

kWh /m

20-26 a u g .

32

6-12

Π,7

sep.

13-19 s e p . 20-26 s e p .

; !

operating.

o u t p u t Paneel rendement output

kWh

Panel

efficiency

%

1082

input kWh

7,86

30,7

Transport rendement Transport efficiency %

Inverter

103,6

Si

29

inverter

Inv.

rendement

output

Inv.

-efficiency

kWh

'o

,95,8

75,8

73,2

94,4

9,4

32,4

49

6,94

46,9

95,7

24,7

52,7

19,4

53,2

6,37

50,7

95,3

28,1

55,4

*

Inverter

. 1

afgeschakeld

bij

lage

lichtinval,

b . I n v e r t e r d i s c o n n e c t e d a t low i r r a d i a t i o n . 29 o c t - 4 nov 5-11

nov.

12-17 n o v .

21,6

S3 4>

16,4

i —

b.

verbonden.

70,14

7,75

8,86

25,75

6,76

68,4 25,2

6,15

16,15

6,10

15,9

,

97,5

56,5

S2,6

97,8

19,3

76,7

98,2

12,8

30,8

215

5.2. Resultaten voor de "Load Matching Mode" (LMM).

In deze mode werd de invertor gebruikt voor aanpssing van

het AEG

belastingspatroon. De invertor is altijd batterijverbonden en zijn ver­ mogen output wordt door de komputer bepaald. Definiëren we de verschil­ lende vermogens in het systeem als volgt : Pp : paneel uitgangsvermogen. Po : vermogen gevraagd door belasting, P. : vermogen naar (P. < O) of uit (P. > O) de batterij, D

D

D

P n : vermogen naar (P n < O) of uit (Pn > O) het net, dan kunnen we de volgende gevallen onderscheiden t 1. Pp < P 0 en batterij leeg.

In dit geval wordt de batterij met het paneel ze

te laden : Ρ

: ­ Ρ . Noodzakelijkerwijze moet

verbonden het

teneinde

belastingsver­

bruik van het net komen (Pa ­ P n ) en dit is een toestand waarin een te­ kort

Ρ

optreedt. Dit geval wordt geïnitieerd door de

dingstoestand SOC. Valt rekeningen)

of

wordt

wordt de invertor op

de

batterij klemspanning lager dan 1.95 V

inaktief Voor

SOC

door

dan

gezet totdat de batterij volledig opge­ het ogenblik zijn partiële ladingen of

ontladingen niet toegelaten omdat de fouten de

la­

de SOC onder de 50 % (uitgaande van ladingsbe­

laden is door het paneel.

ling van

batterij

ladingsmet ingen

die

kunnen

optreden bij de bepa­ akkumuleren

zodat de

werkelijke SOC sterk afwijkt van de berekende.

2. Pp < P 0 en 50 < SOC < 100 %.

In dit geval wordt de batterij toegelaten te ontladen Pp + Ρ e n P n ­ 0. Als

de

SOC

en dus Ρ

­

onder de 50 % valt keren we terug naar

het eerste geval.

Pp > P 0 en volledig geladen batterij.

Nu bestaat er een overschot Ρ

aan

vermogen

daar

ex

Ρ

Ρ ex

ρ

Po > 0. Het belastingsvermogen komt dan via de invertor van het paneel terwijl het excess naar het net gestuurd wordt : P n ­ ­ Ρ

216

4. Pp > Po, batterij ontladen. Een fraktie van P p wordt door de belasting dient

gebruikt

en de rest

als batterij lading : P_ ­ ­ (P D­P e ). De SOC stijgt van 50 % tot v

b

tenslotte 100 % en we kunnen naar voorgaand geval terugkeren. Bovenstaande kontrolestrategie is zeer bruikbaar voor residentiële toepassingen

daar

er

getracht wordt om de fraktie van de belastings­

energie getrokken uit het net, te minimizeren. Als gevolg van de eindi­ ge batterijkapaciteit worden en er blijven

kan

dit

altijd

net te sturen. De LMM werd

echter alleen gedeeltelijk uitgevoerd

tekorten te dekken en overschotten in het gebruikt vanaf februari en tabel 5.3. geeft

resultaten. De grootheden n, n „ en Ρ eff av

in deze tabel zijn respektie­

2 velijk het totale aantal dagen, het aantal dagen waarvoor metingen be­ schikbaar zijn en de gemiddelde bezonning in Watt/m over de η dagen. schikbaar zijn en de genie De andere parameters zijn "Pan irrad." : totale bestralingsenergie op het paneel (kWh) "Pan out"

: paneel energie output (kWh)

"Pan eff"

: gemiddeld paneelrendement (%)

"Bat in/Bat out", "Inv DC in /Inv DC out" : energieën in kWh die in en uit de batterij of invertor gaan. "Inv AC out" : invertor AC output energie (kWh) "Inv

AC to load" : fraktie

van

"Inv

AC

out" die

direkt

door de

belasting gebruikt wordt. "Inv

AC

excess" : fraktie van "Inv AC out" die direkt in het net ge­

stuurd wordt. Dit betekent dat "Inv AC" = "Inv AC to load" + "Inv AC excess" "Energy demand" : energie (kWh) gevraagd door de virtuele konsumer, AEG patroon.

217

Tabel 5.3. : Resultaten voor de LMM mode (LMM). Period

1 Feb-7 Mar

8 Peb-14 Feb

1 Mar-7 Mar

(n,n

(35;31; 90.5)

(7;7 ;127)

(7;7;45)

kWh

kWh

eff ; P av>

kan

220 95.5 185 143 88 55 372

energie verre

van

van

327

de

69 16. 7 64 52 29 23 84

6.61

38.4 23.7 14.7 100

21.6 18.5 19 14.4 14.4 0 84

61.9 34.5 27.4 100

17.1 17.1 0 100

gezien is de aanpassing van geleverde en verbruikte goed.

38,4 % van de energie of 14,7 %

%

7.54

6.74

worden

kWh

%

915

3266

Pan irrad Pan eff Pan out Bat in Inv DC in Inv AC out Inv AC to load Inv AC excess Energy demand

Zoals

%

Tijdens de volledige periode werd 143 kWh of

geproduceerd. Nochtans werd er een derde (55 kWh

energievraag)

van deze 143 kWh in het net gestuurd

zonder dat er een vraag naar bestond.

In de week van 8 tot 14 februari

bereikte deze fraktie al 23 kWh/52 kWh of 44 %. Alleen de laatste periode met lage bestraling en energieproduktie vertoont geen gie. Het is duidelijk dat de batterijstockage

niet

excess ener-

volledig

werd ge-

bruikt : inderdaad, de batterij werd dikwijls afgeschakeld vooraleer de 50 % ontladingsdiepte DOD werd bereikt. Dit heeft zeker de batterij gevrijwaard van bevriezen (het betrof een zeer koude periode) maar anderzijds werd daardoor zijn energiebufferfunktie belet. In tabel 5.4 zijn de resultaten

voor

de

ganse

periode

(15 juni 84-

8 maart 85), de onderbroken MPPT mode (29 oct 84 - 25 nov 84) en de LMM (1 febr 8 5 - 7 maart 85) samengevat. De resultaten voor de komplete periode hebben nochtans betekenis MPPT

mode

omdat deze opgebouwd is uit MPPT mode

periode,

periode, LMM periode en periodes tijdens

niet

veel

onderbroken

dewelke

metingen

verloren waren tengevolge van komputer fouten, software korrekties, onderhoud .

218

Tabel 5.4. Belastingsaanpassing vergelijking voor 3 periodes. Period (n;n ^ ; P ) et f av

15 Jun-8 Mar (267;131;99.5 ) kWh

Inv AC Inv AC Inc AC Energy Het

%

duidelijk

kWh

1 Feb-7 Mar (35;31;90.5) %

99 53 46 276

37.3 17.8 19.5 100

out 586 out to load 280 out excess 306 demand 1572

is

29 Oct-25 Nov (28;23;76)

kWh

35.9 19.2 16.7 100

%

143 88 55 372

38.4 23.7 14.7 100

dat de drie periodes (volledig, onderbroken MPT en

LMM) geen substantiële verschillen vertonen ten aanzien van belastingsaanpassing. Een betere batterijkontrole strategie is nodig en zal in de toekomst bestudeerd worden. 5.3. Resultaten van de PBM invertor. Om het

toelaatbare

vermogen

uitgebreide temperatuurtesten tijdens de ontwerpfaze van 850 Watt

is

er

van de PBM module te bepalen moeten

uitgevoerd

worden. Alhoewel

de module

met suksea gewerkt heeft bij een vermogenniveau geen

reden om deze waarde als nominale waarde te

aanvaarden. Inderdaad was het zo dat de koelvintemperatuur aanzienlijk steeg en er werden zelfs temperaturen van meer huis van de mosfet. Een ander punt

is dat het aantal mosfets dat in

parallel staat kan gewijzigd worden van 1 naar Het is duidelijk dat mosfets

een hoog

dan 90 C gemeten op het

rendement

3 (2 of 6 in totaal).

vraagt

voor

3 parallelle

maar indien een module bij laag vermogen gebruikt wordt of in-

dien een zeer hoog rendement geen noodzaak is dan kunnen 2 of 4 mosfets ook

het

werk doen. Bij de uiteindelijke temperatuurtesten werd

de 6

mosfet uitvoering vergeleken met de 4 mosfetuitvoering. Verder werd ook de

invloed

nagegaan

van de vorm en kleur van de koelvinnen. Vanaf de

start werd het duidelijk dat de speciale koelvinnen die aangeboden werden door verschillende fabrikanten weinig nut hadden. Zij komplikeerden het ontwerp van de print omdat hun vorm een beperking veroorzaakte voor de positie van de

mosfets

op

schakelen in 100 nsec is de

de print. Daar de mosfets grote stromen lay-out

van de print uiterst kritisch en

moet de afstand tussen de mosfets zo klein mogelijk zijn. De temperatuurmetingen maakten het duidelijk dat er bijna geen verschil was tus-

219

sen het gedrag van een speciale koelvin en een eenvoudige en daarom gebruikten we als radiator een eenvoudige

vlakke plaat

vlakke

aluminium-

plaat, 3 mm dik, en met de zelfde afmeting als de print. De invloed van de

koelvinkleur werd bepaald door een blanke radiator

met een radiator die aan de ene zijde zwart geschilderd laatste

te

vergelijken

werd.

In

geval is de blanke zijde naar de print gericht zodat de

vinstraling

naar

de print kleiner is waardoor de temperatuur

het

koel-

van

de

komponenten ook lager blijft. De module werd lang genoeg in werking gesteld zodat de regime-temperatuur bereikt werd. De omgevingstemperatuur was 23 C en slechts één enkel geval met twee mosfets werd opgemeten

(*)

daar het rendement de belangrijkste faktor was.

AC uitgangsvermogen

Temperatuur Mosfet in

(Watt)

Blanke koelvin

C

1/2 zwarte koelvin

500

50

49

667

71 (99*)

64

775

85

74

800

87

Uit de resultaten

volgt het dat warmtestraling belangrijk is boven een

uitgangsvermogen van 500 Watt.

In de laatste versie van de module werd

de koelvinoppervlakte nog iets vergroot

en tesamen met het gebruik van

een termisch vet tussen het transistorhuis

en de koelvin vonden we een

mosfettemperatuur van 44 C, dit is slechts 21 C

boven de omgevingstem-

peratuur. De resultaten suggereren dat 775 Watt toelaatbaar is bij 25 C omgevingstempermatuur Ta. Grotere Ta waarden kunnen optreden als de invertor onbeschermd staat tegen de zon en zelfs 70 C is mogelijk. In dit geval kunnen we 500 Watt als met

uitgangsvermogenspecifikatie

nemen

Ta = 70 C de mosfettemperatuur oploopt tot 92 C, wat nog

daar

toelaat-

baar is. Voor Ta » 40 C bekomen we 65 C bij 500 Watt en het wordt mogelijk

de

module te overbelasten tot 750 Watt voor bijvoorbeeld 5 minu-

ten.

Gedrag van de PBM in de installatie. De eerste testen toonden aan dat de volgende schakelsekwentie moet gevolgd worden : eerst, verbinding van de AC-output zijde met het net.

220 daarna aanleggen van

de dc-input spanning. Daar deze sekwentie gekon-

troleerd wordt door de software is dit geen probleem. Indien deze volgorde omgekeerd wordt kunnen kommutatiefouten optreden zodat de verkeerde polariteit van de

netspanning

op het konvertordeel van de invertor

komt met vernietiging van de mosfet als gevolg. Een ander probleem trad op met

de vrij loopdiodes van het konver-

tordeel die regelmatig defekt gingen. Het probleem

kon toegeschreven

worden aan de eindige reverse recovery tijd van de vrijloopdiode waardoor pieken van 800

V

optraden.

Door

toepassing

van

een "snubber"

netwerk in parallel met de diode konden deze pieken gereduceerd tot

630...650 V en een gedeelte van de diodedissipatie

worden

is verplaatst

naar het netwerk wat uiteraard gunstig is. Het meetsysteem bleek eveneens allergisch voor de PBM omvormer als gevolg van de

steile

pulsen van de konvertor. Dat probleem kan alleen

verholpen worden door gebruik te maken van de gepaste interferentiefilters.

Op het

ogenblik

dat

de metingen

netfilters voorhanden en daarom werd

gedaan

gebruik

werden

waren geen

gemaakt van een analoge

Wattmeter om het AC-vermogen te bepalen. De vraag die nu blijft is wat er kan gemeten worden indien een module in de installatie moet werken. Gezien het nominale AC-uitgangsvermogen beperkt is tot 500...750 w

kan

de module niet rechtstreeks met

het paneel verbonden worden en kan zij ook geen vermogensaanpassing van de verbruiker gedurende een ganse dag uitvoeren. Daarenboven moesten we ervoor zorgen de lopende metingen met de PCR zo weinig mogelijk te storen. Daarom werd een gepaste periode uit het verbruikerspatroon gekozen voor de metingen. Twee perioden kwamen overeen met de nominale 500 Watt specifikatie : 13 U 30 tot 14 U

506 Watt AC

15 u

569 Watt AC

De PCR

tot 15 u 30

werking

was

onderbroken

gedurende deze

periode

en voor de

gemiste data werd een korrektie uitgevoerd via de software. Na zorgvuldige metingen van het DC-ingangsvermogen werd

en het

AC

uitgangsvermogen

een gemiddeld rendement van 90 % +/- 2% gevonden (periode

van 3

maand op het einde van 84) en dit komt zeer goed overeen met het rendement berekend uit de kcnvertorkarakteristieken (2.4.5).

221

Ondertussen is

een nieuwe versie onder konstrukt ie met een licht-

jes gemodifieerde

brug

verwachten dat

kW

5

(lager verbruik, beter aanschakelgedrag) en we kan bekomen worden binnen een korte termijn. Het

grootste probleem is een tijdelijk tekort aan vermogenmosfets aan beide zijden van de

oceaan.

De

werden de 4e december van

mosfet-transistoren van Siemens die besteld 1984

leverd worden in oktober 1985 !

zullen vermoedelijk slechts kunnen ge-

222

6. Tijdschema. Het organigram 01 toont het verloop van de werkzaamheden. De uitvoering van het projekt loopt over twee

jaar beginnend

op 1 december

1981. Tijdens de 3 daaropvolgende fazen van 8 maanden gebeurden de volgende aktiviteiten. 6.1. ie faze (1.12.1981 tot 31.7.1982). De volgende aktiviteiten grepen plaats tijdens de eerste

8 maan-

den : Betreffende de f.v.g. : 1. Door RUG : prijsaanvraag bij verschillende firmas - openbare aanbesteding - bestelling. 2. Door EGW : ontwerp kaders (windbelasting, stabiliteit, levensduur) tekenen plannen - stedebouwkundig advies - herwerking van de plannen volgens dit advies - aankoop materiaal. 3. Door

RUG

: ontwerp van de elektrische konfiguratie van het paneel

(o.a. keuze voedingsspanning). Betreffende de PCR (volledig RUG). Opstellen

specifikaties

PCR

(voedingsspanning, type) - ontwerp

vermogendeel (smoorspoel, transfo, keuze thyristors, zekeringenkeuze..) - ontwerp van stuurelektronika (power tracker, pulscircuiten) - ontwerpen en maken van printen - materiaalaankoop - bestrukking - samenbouw - ontwerp behuizing met koelvinnen - aankoop materiaal - konstruktie. Administratieve aktiviteiten

: schrijven

eerste

verslag

(periode

1.12.1981 tot 1.4.1982). De volgorde van deze handelingen komt grotendeels overeen met deze voorgesteld in

het

kontrakt. De

aankoop van de cellen was vertraagd

t.g.v. administratieve problemen. De

aankoop

van

de batterijen werd

223

uitgesteld tot in de

tweede

faze

omdat

zij toch nog niet in gebruik

konden worden genomen. Betreffende de PBM invertor. Tijdens de volledige eerste faze werkte een

burgerlijk

ingenieur

100% aan de voorstudie van een PBM invertor. Een prototype van 250 Watt werd gekonstrueerd maar bleek nog niet te voldoen. De schakeling was te ingewikkeld de bekomen

en te gevoelig aan foutieve behandelingen. Daarenboven was golfvorm niet sinusoïdaal genoeg over het volledige werkge-

bied. 6.2. 2e faze (1.8.1982 tot 31.3.1983). De tweede faze bestrijkt 31.3.1983).

de

volgende

8

In volgorde kunnen de vorderingen

maanden

(1.8.1982

beschreven

worden

tot als

volgt : Administratieve aktiviteiten

:

schrijven 2e rapport (periode 1.4.1982

tot 31.8.1982). Betreffende de f.v.g. 1. Levering

bij

de RUG van de panelen - uittesten - belichten en sor-

teren volgens kortsluitstroom - vervoer naar EGW gebouw. 2. Montage van de kaders op het terras door het EGW personeel - montage van de f.v. panelen. Betreffende de PCR (RUG). Samenbouw elektronika en behuizing - frontpaneel — aansluitingen testen - verbetering

elektronika

en beveiligingscircuiten (automaten,

zekeringen). Betreffende de PBM invertor (RUG). Ontwerp en konstruktie nieuw prototype voor 500 Watt - Verbetering technologie ti es .

(transformator) - tecretische studies

en

komputersrmula-

224

Betreffende de samenbouw van de installatie (EGW).

Studie van de verbindingsboxen tussen protekties

f.v.g.

en

(zekeringen, bliksem) ­ sturing kontaktoren

kontroleruimte­ ­

bestudering

veiligheidseisen (zeifopwekking van omvormer bij afgeschakeld net, net­ uitval , ...) ­ aankoop materiaal (kasten, kontaktoren,...)

6.3. 3e faze (1.4.1983 tot 30.11.1983).

De derde faze loopt van 1.4.1983 tot 30.11.1983.

Aktiviteitenvolgorde.

Administratieve aktiviteiten : schrijven derde verslag.

Betreffende de f.v.g. en PCR ι geen aktiviteiten.

Betreffende samenbouw : in deze faze werden alle verbindingen tussen de kontroleruimte

en

de f.v.g. afgewerkt ­ installatie van de batterijen

in PVC bakken.

Betreffende de PBM invertor : Onderzoek van een nieuw prototype 500 Watt ­ testen.

Betreffende de systeemstudie s in de derde faze werd een teoretisch on­ derzoek

uitgevoerd

betreffende

de ekonomische rentabiliteit van

het

systeem. Dit vraagt een uitgebreide simulatie op de komputer. De bedoe­ ling

was

de

invloed

na te gaan van het klimaat op de financiële op­

brengst van het paneel evenals

uit te zoeken welke de beste systeemaf­

metingen zijn voor een gegeven klimaat en verbruik (paneelgrootte, bat­ teri jkapaciteit, invertervermogen). Zie hiervoor het derde verslag.

Betreffende de meetopstelling. In de derde faze werd gestart met het ontwikkelen van een meetsysteem : studie meettransducers ­ aankoop ­ ontwerp en konstruktie van isolatie­ versterkers ­ stroomtransducer ­ lineaire optische koppelaar.

ORGANIGRAM Ol : werkschema course of activities,

(

f.v.g, p.v.g.

31­7­82

le faze \ 1st phase J

1­12­81

märkts tud ie market study

bestelling orders

prijsaanvraag + openbare aanbesteding price inquiry + public tender

-

>

■

ontwerp frame desisn frame

stedebouw town­building

authorities

aankoop materiaal purchase material

herwerken volgens advies a d a p t a t i o n to advice

ontwerp e l e k t r i s c h e k o n f i g u r a t i e design e l e c t r i c a l c o n f i g u r a t i o n

P.C.R.j

specifikaties Keuze schema specifications choice circuit

ontwerp vermogendeel (design power part ontwerp stuurelektronika design electronics ontwerp behuizing design housing

Administratief Administrative ι

schrijven rapport I (1.12.81 tot 1.4.82) writing report I

aankoop materiaal purchase materials\ . 1

aankoop materiaal purchase materials

bestukking mounting

konstruktie construction

1-8-1982

f.v.g. p.v.g,

-H

r

2e faze \^ 2nd phase


l e v e r i n g panelen d e l i v e r y of panels

-a>

transport

"i

31-3-1983

,

testen testing

samenbouw mounting panels !

montage frame mounting frame¡

P.C.R.

samenbouw in kast frontpaneel,... mounting electronics into the housing,...

Samenbouw installatie interconnection

verbeteringen improvements i

studie junction boxen veiligheidseisen study junction boxes safety requirements

aankoop materiaal

i I

purchase of materials

Nieuw prototype 500 Watt Teoretische studies New prototype 500 Watt Theoretical studies

P.B.M.

Administratief Administrative

->-

testen testing

in-

schrijven rapport II (1.4.1982 tot 31 .8.1982) writing report II

1.4.1983

Samenbouw installatie mounting the installation

f 3e faze \ 3rd phase bekabeling, junktie-boxen cabling, junction boxes)

30.11.1983

J montage in bakken mounting i n boxes

! levering batterijen delivery batteries PBM PWM

konstruktie nieuw prototype + testen construction of new prototype + testing

Administratief Administrative

schrijven rapport III writing report III

systeemstudie system study

komputer simulatie voor - ekonomische evaluatie computer simulation for economie evaluation

meetopstelling measurement setup

schrijven rapport IV writing report IV

aankoop transducers ontwerp transducers märktstudie computer purchase of transducers design of transducers market study computer

1.12.1983

PBM

C aankoop komponenten' purchase components

Verlengingsperiode Extension period

h

31.8.1984

ontwerp print rack! testen + aansluiten ' design p.c. board ­>~ testing + connection'­ design rack 1.7.1984 \

Meetopstelling ^ Measurement setup

aanbesteding tender

hes telling+leveringj ¡opstellen 'testen order+delivery j ¡mounting ' testing

1

transducers

wijzigingen modifications

verbinding i testen met kontak­ ^testing toren en relais kontrole van \ PCR j connection of I contactors and, relais ; control of PCR'

1

ι meten fouten v e r ­ beteren measurements debugging

oo

229

6.4. Personeelsbezetting.

Het organigram 02 toont de formatie geven wij ook

aan

werkverdeling

welk

personeel

over

de fazen. Ter in­

meegewerkt

heeft aan het

projekt zonder dat dit in het kontrakt voorzien was.

Niet meegerekend voor koeten ι RØG t ­ Prof. ir. Η. PAUWELS (superviserend) ­ secretaresse, techniekers, tekenaar, fotograaf ­ assistent (teorie systeem onderzoek, komputersimulât ie) EGW : ­ dir. ir. W. HUYBRECHTS ­ tekenaars.

Werkverdeling Ie faze :

RUG : 2 ingenieurs JD. BAERT s 25 % BONTE t 100 %

il:

EGW : 1 ingenieur (A. DE BEULE) : gemiddeld 25 %.

Werkverdeling 2e faze.

RUG : 2 ingenieurs JD. BAERT s 100 % DE MEY t 25 % fc EGW s 1 ingenieur A. DE BEULE t 25 % 2 techniekers aan gemiddeld 80 %.

Werkverdeling 3e faze.

RUG t 2 ingenieurs ÍD . BAERT : 100 % [G. DE HET ι 25 %

EGW : 1 ingenieur A. DE BEULE 25 % 1 technicus

80 %.

81,4*

82 —Tis t p h a s e ]

^

—.

>~—&

(2nd

phaseJ_J

I

jJanifeb .

.

L

.

ι

&HS

i

,

t

t

dec

83 ^ ^

I Jan, 1

j

( 3rd p h a s e } . ,

,

,

>aus

ii-i

1.12 RUG EGW

25 % —

Γ Baert 1„ i Bonte

31-7 - w 31-7-^i- De Mey

100 ,1 —

\ De Beule

1-4--- 50 % I

I Technicians

100 %

„....

25 % 25 %

W l

NJ

u> o

83

-*ΐ* •^c—extension - verlenging

sep 100 ~ 25 Ζ 5 "

¡ ­ ...

k

!

, nov ^ dec j jan , w Baert

, 100 %

¡jj^ Simoens

100 %

---^f' -A De Vi Visschere / e n d of \ Kuyken l p r o j e k t ƒ"

,aug :

­ ­

Í

50 % 50 %

ORGANIGRAM 02 ­ Werkverdeling over de fazen Organization of work.

> ■

­

>

Baert Simoens

231

6.5. Afwijkingen van het voorziene werkschema. Alhoewel de volgorde van het oorspronkelijke werkschema

gerespek-

teerd werd waren er toch een aantal vertragingen. 1. Aankoop

van

fotovoltaische generatoren : twee

voorzien wegens

een

maanden

later

dan

administratieve fout omdat een publieke aanbe-

steding niet voorzien was. 2. De aankoop van batterijen werd uitgesteld totdat zij werkelijk nodig waren. Op deze wijze lijke

levering

was

gebeurde

er ook geen onderhoud nodig. De uiteindeongeveer

6

weken

later dan volgens

de

offerte wegens het verlof. 3. Verschillende malen trad een vertraging op t.g.v.

moeilijkheden bij

levering. Bijvoorbeeld : mosfet transistoren voor de PBM. 4. Het ontwerp van de PBM omvormer was

veel

lastiger dan aanvankelijk.

gedacht. Dit type omvormer was duidelijk nog niet geschikt

voor fo-

tovoltaische toepassingen. Het moeilijke odntwerp is een gevolg de van

grote komplex!teit van dit circuit. Daarenboven een

werd

konstruktie met mosfettransistoren daar deze

bleken te

zijn

van

uitgegaan

veelbelovend

op gebied van schakelsnelheid en stuurbaarheid. Het

is duidelijk dat het ingebruiknemen van een vrij onbekende komponent een zeker risico inhield.

Verder moest er een hele technologie ont-

wikkeld worden die samenhangt met de mosfet. Bijvoorbeeld moet er een

het zeer snelle schakelgedrag van uiterst zorgvuldig printontwerp

gemaakt worden daar er stromen van tientallen ampère geschakeld worden in 100 nsec. Ook de omvormertransformator is zeer bijzonder ontworpen : de verhouding tussen lekzelfinduktie en

mutuele zelfinduk-

tie is ongeveer 1/20.000 wat uiterst gering

Andere komponenten

is.

zoals de snelle schakeldioden waren soms moeilijk te vinden

of kon-

den onmogelijk binnen een redelijke tijd geleverd worden. 5. Halfwege de derde faze gaf de ingenieur (RUG) verantwoordelijk de

PBM omzetter ontslag. Dit kreëerde tijdelijk een vacuüm daar

nieuwe

verantwoordelijken

technologie. Om de

bruibaar mogelijke vorm te

zich op de hoogte moesten stellen van de hadden de beschikbare omvormers in een zo bouwen.

zijn dat het eenvoudig en goedkoop maximum

800

de

ontwikkelt!jd te verkorten werden twee man inge-

schakeld die als opdracht

in

voor

Watt

sinus

D.w.z. dat het circuit zo moest was. De uiteindelijke module kan

leveren

modules is zonder meer mogelijk.

maar

parallelschakeling van

232

6. De

aankoop

van

een meet installât ie door

gemaakt

door

een

zelf te

konstrueren

verlaging kon

de

RUG

was

onmogelijk

van de budgetten. Mits meer circuiten

beroep

gedaan worden op het laboratorium

verbruikerskrediet. Daarenboven werd geld

bekomen

van

een

onder-

zoeksfonds voor verdere kredieten. Door de C.E.C, werd ons om al deze redenen toegestaan het kontrakt te verlengen tot 31.8.1984. Aktiviteiten in deze faze. Betreffende de meetopstelling. -

aanbrengen komputersysteem - bestelling - levering.

-

opstelling in de kontroleruimte - samenbouw van komputer

-

meettransducers

en

funktionele testen - wijziging transducers tot een aan-

vaardbaar resultaat bekomen wordt. verbinding van de komputer met kontaktoren en relais, geschikt maken van de PCR voor sturing uit de komputer. Testen van het geheel meetopstelling en paneelkontrole. -

Start van metingen 1.7.1984 - fouten uit programma halen.

Betreffende de PBM. -

afwerking

van

een

800 Watt module volgens de nieuwe technologie -

inbouw in rack - testen en aansluiten op het systeem. Wat betreft de

werkverdeling

in de verlengingsperiode werd om op

tijd klaar te komen gewerkt met meer universitaire ingenieurs : D. BAERT : coördinator

( 100 %)

H. SIMOENS : meetopstelling

(100 %)

P. DE VISSCHERE : PBM

( 50 %)

H. KUYKEN : PBM

( 50 % ) .

233

7. Kosten van het project. 7.1. Investeringskosten Samenvatting van de uitgaven over de verschillende fazen. We wijzen

hiervoor naar organigram O

dat de werkverdeling over de

ver­ fazen

beschrij ft (alles in BPr.) 7.1.1. Eerste faze (1.12.1981/31.8.1982) A. RUG personeel. 1. D. BAERT (25 %) : wedde tijdens deze 9 maand :

934.457

gezinsbijslag

99.606

vakantiepremie 32.665 χ 9/12 -

24.499

eindejaarstoelage 38.632 χ 9/12 -

28.974

1.087.536 Totaal aan 25 % - 1/4 χ 1.087.536 -

2. L. BONTE (100 %) : wedde tijdens deze 9 maanden : vakantiegeld 1.868 χ 9/12 -

271.884

398.847 1.401

400.248 Totaal personeel RUG - 271.884 + 4O0.248 -

672.132 (A)

B. EGW personeel. 1.

A. DE BEULE : de gefaktureerde periode loop hier van 12-81/3-82

en

4-82/6-82. De maand augustus wordt bij de tweede faze geteld. Wedde + sociale lasten - 546.450 + 580.761 -

1.127.211

Totaal aan 25 % gemiddeld «

281.803 (B)

Totale personeelskost (A)+(B) - 672.1324281.803 -

953.935

234

7.1.2. Tweede faze (1-9-82/31-3-83). λ. RUG personeel. 1. D. BAERT (100 % ) . Wedde periode 1-9-82/31-12-82 -

429.463

Gezinsbijslag

58.499

Vakantiepremie 32.665 χ 4/12 -

10.888

Eindejaarstoelage 38.632 χ 4/12 -

12.877

Totaal -

511.727

Wedde periode 1-1-1983/31-3-1983 -

323.829

Gezinsbij slag

41.547

Vakantiepremie 33.241 χ 3/12 -

8.310

Eindejaarstoelage

-

Totaal :

373.686

Totaal 2e faze - 511.727 + 373.686 -

885.413

2. G. DE MEY (25 % ) . Wedde periode 1-9-1982/31-12-1983

:

Gezinsbijslag

350.923 9.439

Vakantiepremie 30.860 χ 4/12 -

10.289

Eindejaarstoelage 32.970 χ 4/12 -

10.990

Totaal :

381.638

Wedde periode 1-1-1983/31-3-83 :

264.924

Gezinsbijslag

5.799

Vakantiepremie 31.050 χ 3/12 -

7.763

Eindejaarstoelage

-

Totaal :

278.486

Totaal 2e faze - 1/4 (381.638 + 278.486) -

165.031

Totaal RUG personeel - 885.413 + 165.031 -

1.050.444 (C)

235

Β. EGW personeel. 1. Α. DE BEULE (25 % ) . Wedde periode 7-82/12-82 -

728.183

Wedde periode 1-83/ 3-83 -

434.737

Totaal

1.162.920

Totaal tijdens deze periode - 1/4 χ 1.162.920 -

290.730

2. werkmeesters (2 χ 80 % ) . Wedde tijdens periode 7-82/12-82 voor 1,6 personen - 1,6 X 350.544 -

560.870

Wedde periode 1-83/3-83 voor 1,6 personen - 1,6 X 213.201 -

341.122

Totaal wedde werkmeesters

901.992

3. Werkmannen. Lonen tijdens periode 1-83/3-83 -

60.611

Totaal voor EGW personeel 290.730 + 901.992 + 60.611 -

1.253.333 (D)

Totaal personeelskost (C) + (D) 1.050.444 + 1.253.333 -

2.303.777

236

7.1.3. Derde faze (1-4-83/31-11-83). A. RUG personeel. 1. D. BAERT (100. %) Wedde periode 4-83/11-83 -

870.696

Gezinsbijslag 4-83/11-83 -

113.265

vakantiepremie 33.241 χ 8/12 -

Totaal

22.160

1.006.121

2. G. DE MEY (25 % ) . wedde periode 83/11-83

777.941

Gezinsbijslag

15.888

Vakantiepremie 31.050 χ 8/12

20.700

Totaal

814.529

1/4 X 814.529 Totaal RUG personeel 1.006.121-1-203.632 -

203.632 1.209.753 (E)

B. EGW personeel. 1. A. DE BEULE (25 %) Wedde periode 4-83/11-83 -

1.199.486

Totaal tijdens deze periode » 1/4 X 1.199.486 2. Werkmeesters

299.872

(2 χ 80%)

Wedde tijdens deze periode voor 0,8 personen - 577.458 X 0,8 -

461.966

3. Boekhouder (50 %) Wedde tijdens deze periode aan 50 % » 1/2 X 746.671 -

373.336

237

4. werkmannen Lonen tijdens deze periode

565.152

Totaal voor EGW personeel 2 99.8 7 2+461.966+37 3.336+565.152 -

1.700.326 (F)

Totale personeelskost (E) + (F) - 1.209.753 + 1.700.326 -

2.910.079

7.1.4. Totale personeelskost voor 3 fazen. RUG

(A)

672.132

(C)

1.050.444

(E)

1.209.753

Totaal (A)+(C)+(E) : EGW

2.932.329

(B)

281.803

(D)

1.253.333

(F)

1.700.326

3.235.462 Personeelskost RUG+EGW - 2.932.329 + 3.235.462 -

7.2. Materialen. Geleverd door EGW

Fakt. 2314/3/002 :

1.625 45.103

Geleverd door derden : 240.519:1,19 -

202.117

Totaal van EGW materiaal

248.845

Aangekocht door RUG 1.

P a n e l e n 5 kW ( F A B R I C A B L E )

2.772.900:1,17

-

2. Batterijen 25 kWh (VARTA) -

2,370.000

165.168

3. Meetapparatuur : zie aparte lijst bij fakturen.

6.167.791

238

Materiaal en diensten geleverd door RUG. De hierna volgende punten 1, 2, 3 werden forfaitair bepaald zoals in het contract vastgelegd werd. 1. Fazegestuurde gelijkrichter PCR

200.000

2. Laboratorium model PWM

200.000

3. PWM netgekoppelde inverter

40.000

Voor punt 3 werd slechts 1/5 van de vooropgestelde prijs gerekend omdat we slechts over 1 module beschikken. 4. Computertijd nodig voor simulaties.

114.360

Totale CPU tijd 15 u 53' of 21.180 seconden, aan 2 BFr/sec (nachttarief) 5. Tien isolatieversterkers

85.000

6. Interface rack (boards, connectors,...)

25.000

Totaal items 1...6

664.360

7.3. Totale projektkost : Personeel

6.167.791

EGW materialen,..

248.845

Paneel

2.370.000

Batterij

165.168

Meetapparatuur

695.837

LEM, items 1..6

664.360

10.312.001 De tabel 7.1 gaven

geeft het verloop van de uitgaven overde fazen.

De

uit-

voor de RUG-EGW waren feitelijk hoger t.g.v. de BTW die niet kan

gerekupereerd kontrakt

worden.

voorgestelde

Men ziet dat de uitgaven min of meer de in volgen

het

en de totale uitgaven zijn iets kleiner

dan de 10.356.000 Bfr. voorzien in het kontrakt.

Tabel 7­1 Table 7­1 * Faze

Personeel — Personnel

ι

i Phase

1

• Engineers ' T e c h n . P e r s . I Other Ingenieurs T e c h n . P e r s . Andere ­

953.935

1.341.174

1.509.625

¡ D e l i v e r i e s by t h i r d Ρ' ; r s o n 1 L e v e r i n g e n d o o r derd e i ! .. ¡Services ! Equipment S t u d i e s L. ; Uitrusting piensten ; 150.000 (PCR) 150.000 (PWM­Labo­ type)

952.603

1.027.118

373.336 (accountant) (boekhouder)

114.360 (computer)

Contract

3.804.734

1.989.721

373.336

114.360

Andere gaven

uit­

T o t a l per Totaal faze

phase

rer

1 .'.55.935

50.000 (PWM­id.) 2.370.000 (naneis) '165.168 (VARTA)

5.035.945

30.000 (PWM module)

10.000 (PWM nod.)

85.000 (isol.ampi.)

by; ö37 (meas eq.)

440.000

i

expenses

50.000 (PCR)

25.000 (interface rack) Totaal Total

Other

VO

4.115.5S3

248.845 (EGW)

3 . 589.841

6.167.791

4.026.3:2

5.570.000

4.786.000

10.312.001

10.3 5Ó.OOO

240

8. Ekonomische haalbaarheid. De

opbrengst van deze installatie is enkel maar te bepalen door

voldoende

lang

maar binnen 10 valt. Om

nu

metingen uit te voeren. Dit wil zeggen dat er in feite of 20 jaar een komp lete staat van onderzoek op te maken

toch

redelijke resultaten te kunnen bekomen werd gebruik

gemaakt van het standaardjaar voor België, beschreven door de Nationale Weerkundige Dienst te

Ukkel

en bij middel van een komputersimulatie.

Wij kunnen

eigen

metingen

ook

onze

van voorgaande jaren 1980..1983

hierbij gebruiken. De volgende faktoren hebben hun weerslag

op de ekonomische haal-

baarheid van het project. Paneelprijs en paneelrendement. De

f.v.

cel prijzen zijn heden min

voorlopig zijn worden

bij

geen

ARCO

of meer

gestabiliseerd

en

spektakulaire resultaten te verwachten. Niettemin

SOLAR,

de grootste

Amerikaanse

zonnecelfabrikant,

prijzen vernoemd van 1,5 $ per piekwatt bij zeer grote serieproduktie. Bij de panelen is echter

een

deel van de prijs van deze van het frame 2 en het glas. Met de huidige glasprijzen (500 BFr/m - 5 BFr/Watt piek) is het dan ook waarschijnlijk nuttig meer aandacht aan het frame te be-

steden. Bijvoorbeeld hoe panelen te integreren in dakkonstruktie ? Indien de amorfe Si-cellen een behoorlijk rendement teit

en stabili-

kunnen bereiken zullen de prijzen vermoedelijk in limiet overgaan

naar deze van het glas en het frame. Wat betreft

het haalbare rendement is het weinig waarschijnlijk dat er

spektakulaire verbeteringen

bekomen

kunnen worden zonder de prijs aan

te tasten. Batterij prijs en rendement. De batterijprijs schommelt nu tussen een 5000 en Verwachtingen niet. Ook

10.000 Bfr/kWh.

omtrent lagere prijzen voor Pb-zuur batterijen

zijn er

hier kan enkel serieproduktie een verlaging geven (vergelijk

241

: autobatterijen). Andere batterij types zijn experimenteel en veel duurder. Voor een 3 aantal toepassingen is de energieinhoud (kWh/m ) belangrijker dan de prijs/kWh

en

nieuwe

batterijtypes

zijn meestal ontworpen

voor

die

nieuwe toepassingen (elektrisch vervoer). De batterijrendementen zijn redelijk

hoog

indien men de ontlaad-

oplaadstromen beperkt. Parallel met het bedrijf

van de RUG—EGW instal-

latie heeft het labo een programma lopen

dat moet dienen om meer nume-

rieke gegevens te bekomen over het batterijrendement en functioneel gedrag (geheugen ). Dit zou kunnen leiden tot een meer verantwoorde regelstrategie bij de kontrole van een zonnecelsysteem. Merken we nog op dat onze simulaties aantonen dat onder bepaalde voorwaarden een installatie zonder batterijen financieel interessanter kan zijn

dan

een

met bat-

terijen (zie verder). Inverter prijs en rendement. De prijs die hier gebruikt werd was 10.000 Bfr/kW-input Dit

is in feite een ruwe schatting vermits het gaat om

enige

vermogen. stukken

speciaal ontwikkeld voor deze toepassingen. Het lijkt zonder meer haalbaar een faktor twee hierop te winnen bij een matige seraeproduktie. De prijs van het

elektronische komponenten is inderdaad sterk afhankelijk van

aankoopaantal

en

principe maar evenveel type inverter is van

de produktie van kosten

belang.

p.c.

boards

enz...

mag

in

als deze van TV toestellen e.d. Ook het De PBM omvormer is nu nog duurder dan de

PCR maar bij serieproduktie zal

dit

niet het geval zijn wegens de mo-

dular iteit die een zeer soepele aanpassing aan de noden geeft.

Aankoop—verkoopprijs van elektriciteit. De financiële winst hangt af van de aankoop- en verkoopprijzen van de elektriciteit. Elektriciteit die in

het

net

gestuurd wordt brengt

weinig op. Onder de gunstigste omstandigheden zullen de misschien prijs).

de brandstofprijzen willen terugbetalen (+/- 1/3 totale De

kWh

verkoopsprijzen stijgen regelmatig en volgen de index. Het

gemiddelde verloop kan heeft men

maatschappijen

niet.

dus min of meer voorspeld worden maar zekerheid

Internationale

verwikkelingen zouden kunnen optreden

242

waardoor de energieprijzen plots ongebreideld stijgen. Onderhoudskosten installatie. Di· onderhoudskosten worden bepaald door a. onderhoud batterijen : water, kuisen kieranen,... De kost van dit onderhoud zal steeds klein zijn. b. réparâtiekosten. Deze kosten

zullen

sporadisch

optreden

en zijn

moeilijk te schatten. Vallen er cellen uit dan kan men genoegen nemen met een verminderde output zonder een reparatie uit

te

voeren ofwel kan men repareren.

Mechanische schade repareren kan noodzakelijk zijn bij panelen

die in

het dak geïntegreerd werden. De betrouwbaarheid van de elektronika kan groot genoeg worden om een lange levensduur te garanderen op voorwaarde dat

het vermogendeel niet te zwaar belast wordt. Bij

werd

geen

de berekeningen

rekening gehouden met al deze koeten, zij kunnen

eventueel

verrekend worden in een arbitraire vaste kost. Installatiekosten. De weinig

installatiekosten kan

voorspeld

werden

nog niet meegerekend omdat hierover

worden. Daarenboven moet bij een geïntegreerde

konstruktie de prijs vergeleken worden met deze van een dakkonstruktie. Vermits de

elektrische

connecties

maar

een fraktie uitmaken van het

geheel is het bijgevolg niet zeker dat de installatiekosten in rekening moeten gebracht worden. Bij alle komputersimulaties werd nochtans af en toe rekening gehouden

met

een

forfaitair bedrag van 50.000 Bfr. als

"vaste kost". Levensduur. De levensduur van de

onderdelen

heeft

uiteraard

kostprijs van de installatie waarvoor wij een aannemen. 1. Panelen.

weerslag op de

levensduur

van 20 jaar

243

probleem. Natuurlijk kunnen af en toe accidentele fouten

optreden

die

een gevolg zijn van fabrikagefouten maar bij goed gekonstrueerde cellen is de foutprobabiliteit zeker klein.

2. Elektronika (omvormers, meetapparatuur).

De het

levensduur van de elektronika kan zeer groot

minst

lasting

worden;

betrouwbaar is de vermogenelektronika wegens de grotere be­

van

reparaties

gemaakt

de

vermogenkomponenten. D e verwachting is dat

maar

een

aankoopprijs wegens

fraktie

het

probleem kan zijn dat

eventuele

zullen kosten van de totale elektronika

modulaire

bepaalde

karakter

komponenten

zodat reparatie onmogelijk wordt.

Om

dit

van de PBM omvormer. Een uit fabrikage kunnen zijn

te

vermijden werden zoveel

mogelijk standaard komponenten toegepast. Een totale levensduur van

20

jaar lijkt daarom zonder meer aannemelijk.

3. Batterijen.

De

batterijen vormen de zwakste schakel in de ketting. De levens­

duur van

de batterijen hangt sterk af van de ontladingsdiepte (D OD ) en

deze hangt

op

zijn beurt af van de beschikbare overkapaciteit. Het is

immers mogelijk om

minder

diep te ontladen wanneer de batterij groter

is dan nodig. Voor de VARTA accumulatoren heeft

men

volgens

de

data

(fig. 8.1) : aantal ontladingscyclussen tijdens een batterijleven 1300

bij

75 % D.O.D.

4500

bij

30 % D.O.D.

Men geeft op dat

onder

goede kondities een levensduur van meer dan 10

jaar te verwachten valt. Wel moet

men rekening houden met een geleide­

lijke kapaciteitsafname. Hoeveel cyclussen zijn er

nu

te verwachten ?

Dit aantal hangt uiteraard van de regelstrategie af. Een ruwe schatting maken we als volgt : een jaar heeft 365 dagen. Gedurende de winterperi­ ode is de opbrengst gering en worden de

batterijen sporadisch geladen,

bijvoorbeeld om de week. Dit geeft voor een slechts wordt

winterperiode

16 cyclussen. De herfst en lenteperiode

zijn

gemiddeld om de 2 à 3 dagen een volle lading

van 3 maand

beter

bereikt.

en

hier

(D us

in

totaal (1/3 à 1/2) χ 6 χ 30 ­ 90 à 180 cyclussen. Tijdens de zomermaan­

244

den

kunnen

de batterijen één of tweemaal daags volgeladen worden wat

een 90 tot 180 extra cyclussen geeft. Het jaartotaal bedraagt dus van 166

tot 286 cyclussen, gemiddeld 226 cycli. Bij een D.O.D. van 30 % is

dus

een

levensduur van ongeveer

waarschijnlijk

het

aantal

20

jaar mogelijk. Anderzijds

zomercyclussen kleiner

daar

is

er direkte

netkoppeling gebruikt wordt. Is de batterij bijvoorbeeld 100 % geladen dan wordt bij voldoende lichtinval de invertor met het net gekoppeld in MPP mode voor aleer

de batterijen terug te ontladen. Om deze redenen

schijnt een levensduur van 20 jaar

aannemelijk te zijn. Hieronder gaan

wij trachten een meer verantwoorde

berekening van het aantal cycli te

geven d.m.v. standaard jaar simulaties. Na ontlading tot een DOD blijft er nog een "state of fig. 8.1 geeft

nu

in

funktie

van

van

een batterij

charge" SOC over van l­DOD. De

de

SOC de

levensduur van VARTA

batterijen in laad­ontlaad cycli en de totale verplaatste lading SOC aantal

χ

cycli tijdens een batterij leven. Met een totaal van 226 χ 20 ­

450 cycli over 20 jaar zou de minimum toelaatbare SOC dus ongeveer 70 % zijn.

D e

cycli beschreven door VARTA stellen een regime lading­ontla­

ding met een definieerde

konstante diepte voor. Het is duidelijk dat een aldus ge­ cyclus

niet

met

de realiteit overeenstemt. In het echte

systeem kan bijvoorbeeld een 70

% geladen batterij eerst ontladen wor­

den tot SOC ­ 50 % (volgens het eigen verbruik) en daarna terug opgela­ den tot 75 % enz...

In de

volgende

tabel

8.1

cycli berekend uitgaande van

wordt

de

daarom een maat van dit aantal

totale

opgestapelde

of verplaatste

energie over een jaar. Deze energie wordt dan gedeeld door de bruikbare fraktie van de energiekapaciteit. Voorbeeld : een

20 kWh batterij mag

bij SOC . = 10 % een energievariatie van 18 kWh vertonen. Met een 5 kW min paneel, 20 kWh batterij en een 3 kW inverter komt volgens de simulatie een jaarproduktie van 2025 kWh overeen. Het aantal cycli bedraagt 2025/18

dan

­ 112. Daaruit kan men dan de leeftijd berekenen door lineaire

interpollatie. Het

blijft uiteraard de vraag in hoeverre de VARTA kur­

ven kunnen toegepast boven wordt geen

worden bij partiële lading­ en ontlading. Daaren­

rekening

gehouden met de afhankelijkheid van de bat­

ter i jkapaciteit van de grootte van laad­ en ontlaadstroom. De

tabel

8.1.

geeft

standaardjaarkondities.

de

resultaten voor een AEG verbruik onder

Table 8.1 Tabel 8.1. Number of battery cycles as a function of system dimensions and SOC . for standard year, AEG consumption pattern. mm Aantal c y c l i van b a t t e r i j i . f . v . dimensionering en van SOC . voor s t a n d a a r d j a a r , AEG type v e r b r u i k . Ρ

Β

Inv

kWp

kWh

kW

SOC . = 1 0 % mm

SOC . = 30 % min

SOC . = 50 Ί f min

1000 c y c l i max

1700 c y c l i max

3100 c y c l i max

kWh

cycli

cycli life-time l i f e - t i m e kWh leeftijd leeftijd verplaatst displaced yr/jr yr/jr

kWh verplaatst displaced

cycli

life-time leeftijd yr/jr

5

20

3

2025

112

8,9

1939

138

12,3

1790

179

17,3

5

10

3

1718

191

5,2

1502

215

7,9

1177

235

13,2

5

5

3

1085

241

4,1

888

254

6,7

682

273

11,4

5

2,5

3

627

279

3,6

511

292

5,8

384

307

10,1

2,5

5

1,5

612

136

7,3

543

155

451

180

17,2

2,5

2,5

1,5

424

188

5,3

365

208

155

310

10

11 6,1

246

8.1. Berekening van de commerciële haalbaarheid. De

systeemprestaties

werden berekend

standaardjaar voor België. De

financiële

aan de hand van het KMI

resultaten worden

gevonden

middels de theorie beschreven in het derde rapport. 8.1.1. Investering. Voor de berekening van de investering van de RUG-EGW installatie houden

we rekening met reële prijzen en met geprojekteerde prijzen. De

werkelijke investering dan

normaal

het

(meer dan 10.000 KBfr) is inderdaad veel groter

geval zou zijn omdat hierin kosten van meetsysteem,

ingenieursweddes enz... zijn

opgenomen. Wij rekenen hierbij de heden-

daagse reële prijs voor de p.v.g. en de batterijen, maar voor de inverter, montage en onderhoud kiezen we getallen waarvan we denken dat zij in de toekomst kunnen gerealiseerd

worden. Alle prijzen zijn in KBfr,

BTW inbegrepen. Fotovoltaische generator

2.773

Batterijen

165

Invertor 5 kW

50

Montage en onderhoud

50

Totaal

3.038 KBfr.

8.1.2. Produktie van elektriciteit. Jaarlijks vloeien een aantal kWh AC

energie

naar het net of naar

de verbruiker. De verhouding tussen de prijs betaald voor ingestuurde energie tot de prijs betaald door

door de producent de

verbruiker voor

afgenomen energie is de terugbetaalfraktie a. Indien batterijen aanwezig zijn kunnen

deze op verschillende

wijzen

toegepast worden : 1 . om het eigen verbruik zoveel mogelijk te dekken. 2. om elektriciteit in het net te sturen tijdens de uren lasting.

Deze

toepassing is echter maar belangrijk

triciteitsproducent indien

de

van piekbevoor de elek-

zonnecelinstallaties op grote schaal

opgesteld worden. In principe zou de producent dan een kleiner piek-

247

vermogen kunnen installeren. Als tegenprestatie zou de

terugbetaal-

fraktie

werd

α natuurlijk moeten stijgen. Deze

toepassing

in

de

huidige faze nog niet onderzocht. 3. Andere mogelijkheden die een kombinat ie

van

1

later en

2.

kunnen bepaald worden. Bijvoorbeeld Eventueel kan men ook nagaan wat het

resultaat is van een bijkomende stockage d.m.v.

nacht-elektriciteit

tijdens de winterperiode.

Tabel 8.2.

Resultaten tie.

De

met batterij berekend voor de RUG-EGW installa­ getallen

zijn

Watt gemiddeld over een jaar.

geleverde energie in kWh vindt

De

men door dit getal met 8,76

te vermenigvuldigen. Verbruikspatroon

Aangewend voor

Vermogen naar

Totaal

Met terugbe-

eigen verbruik

het net

VP2

taalfraktie



(of α-1) α - 0,33 P

l

+

aP

2

AEG

323

45,5

368,5

338

500 W kontinu

319

43,5

362,5

333

1000 W overdag

338,5

59,5

398

358

284,5

41

325,5

298

( van 6 tot 18 u) 1000 W 's nachts (van 18 tot 6 u)

De

grootheid Ρ

faktor die

+ αΡ

uit de laatste kolom is

een

soort

kwaliteits-

aangeeft hoeveel het systeem equivalent aan eigen verbruik­

te energie geproduceerd heeft.

248

Tabel 8.3. Resultaten zonder batterij. De investering is nu kleiner, namelijk 3.038 ­ 165 ­ 2.873 kBfr.

Verbruikers­

Aangewend voor

Vermogen naar

Totaal

α » 0,33

patroon

eigen verbruik

het net

VP2

PI+«P2

(of a­1)

AEG

187

239,5

426,5

266

500 Watt

165

261,5

426,5

251,3

250,5

176

426,5

308,6

410,5

426,5

151,5

kontinu 1000 W overdag 16

1000 w 's nachts

Besluit :

de

effective energie­opbrengst hangt af van de terugbetaal­

fraktie α. Kiest

men α = 0,33 dan is Ρ

+ otP

groter voor het geval met

batterij

dan zonder. Neemt men daarentegen α­I dan is P + P _ groter zonder batte­ rij

dan

met. Vermits nu Ρ +P

> Ρ +αΡ

is er bijgevolg geen

batterij

gewenst. Dus : o » 0,33 wel batterij o = 1 Dit is

geen batterij.

logisch

daar bij a»l de opbrengst even groot is voor het geval

men alles terugstuurt of alles voor eigen gebruik aanwendt.

8.1.3. Investeringskosten voor een

afschrijvingstermijn van 20 jaar.

We berekenen deze voor twee int rest voeten, nl. 5% en 10%. i = 5 % : ÏOO Bfr kapitaal veroorzaakt 60 Bfr intrest ­ 160 Bfr totaal i =10 % : 100 Bfr kapitaal veroorzaakt 135 Bfr intrest» 235 Bfr.

Per 2,35

frank investering is de investeringskost dus Bfr.

1,6

respektievelijk

Rekening houdende met deze faktoren bekomt men in tabel 8.4

de prijs per kWh voor e=0,33, a=l

en i»5%, i­10%.

249

Tabel 8.4.

a ­ O,33

α ­ 1

met batterij, AEG patroon

zonder batterij, AEG patroon

(2773+100) x 1,6 KBfr 20X365X24hx426,5 Watt

(2773+265) KBfr X 1,6 20x365x24hx338 Watt

5 %

1 %

­ (74,92 + 7,16) BFr/kWh

­ (59,38 + 2,14) BFr/kWh

(110,04 + 10,52) BFr/kWh

(87,21 + 3,14) BFr/kWh

De investeringskosten van

de

panelen

hierbij gescheiden gehouden om

het

en de overige onderdelen werden

aandeel

van beide te kunnen vast­

stellen. De vermogens in deze formules zijn de Ρ +αΡ , eerste lijn, uit de voorgaande tabellen.

De programma's tot hiertoe

ontwikkeld,

voor het geval dat men energie instuurt

naar

zijn

nog

niet bruikbaar

het net tijdens momenten

van piekverbruik (bijvoorbeeld geregeld vanuit de centrale). schaal dat

de

Op

grote

toegepast kan er voor een dergelijke situatie aangetoond worden investeringskosten voor de maatschappijen daadwerkelijk dalen.

Dit betekent

dat

in feite de terugbetaalfraktie o zou moeten vergroot

worden en dat de financiële winst zou kunnen stijgen.

8.2. Verwachtingen voor de toekomst.

8.2.1. Model.

Aan de huidige

prijzen

stallatie te klein wegens

zijn de financiële rendementen van de in­

de

hoge celprijzen. Laten we nu echter aan­

nemen dat deze kunnen dalen tot

20 Bfr/Watt of lager. In dat geval zal

de prijs van de andere onderdelen ook

relatief belangrijker worden. We

zullen met deze lagere celprijs verschillende situaties

berekenen

met

het AEG verbruikersmodel, produktie volgens het standaardjaar, terugbe­ taalfraktie 0,33.

We hernemen in het kort de betekenis van de symbolen i

: intrestvoet

f

: inflatievoet van de kWh prijs

η

: systeem levensduur in jaar

25Ü

a : aktualisatiefaktor, n De aktuaiisatiefaktor kan met ,1+fvn

a

i+f W n " 1+i

de volgende formule gevonden worden

­x

1+f _ 1+i

Met een geschatte waarde

f­0,1

krijgt men voor a

de volgende waarden

van i­O,05/0,15 bij n­20. i - 0,15

a

- 12,96 afgerond 13 n a ­ 33,75 afgerond 34 n

i » 0,05

e : aankoopprijs van kWh voor private doeleinden, hier 5 Bf/kWh. Uit bovenstaande volgen ook enkele waarden n = 20 f ­getallen Ο,Ι i ­ 0,15 ex a ­ van 65 e x a : n n = 20 f ­ 0,1 i­0,05 e x a ­ 170 n Zoals aangetoond in rapport III komt e x a voor in diverse for­ mules. De financiële winst W van

een installatie kan als volgt bepaald

worden : men berekent eerst over n­20 jaar wat de installatie opbrengt aan energie. Daarmee komt een geactualiseerd bedrag

overeen waarvan de

investeringskosten nog afgetrokken moeten worden. Daarna berekent men het

totale bedrag

dat

elektriciteitsverbruik De financiële

winst

We geven hieronder

zou

moeten

indien

betaald

worden

voor het eigen

de installatie niet zou bestaan hebben.

volgt dan uit het verschil tussen beide bedragen.

de

resultaten van komputersimulaties voor twee be­

langrijke gevallen. In het eerste geval gaan we uit van een vast paneel (5 kWatt

piek) en

we

onderzoeken wat er gebeurt voor verschillende

prijsverhoudingen genoteerd als kBfr per kWatt panee 1/kBfr per kWh bat­ teri j/kBfr per kW invertor. In het tweede geval wordt de paneelgrootte wel gewijzigd en wordt de beste investering bepaald voor verschillende beide gevallen werden twee kriteria gebruikt : a : maximum financiële winst b : minimum produktiekost van de kWh.

prijsverhoudingen.

In

251

Men heeft de berekening uitgevoerd voor e—5 Bfr/kWh, f-0,1 en n-20. Als intrestvoet werd 5% en 15% aangenomen. De resultaten worden getoond de tabellen 8.5a...d.

Tabel 8.5a. Intrestvoet 0,15 of a

- 13. n

Paneel 5 '.kW

20/8/10

20/8/10 + 50

15/8/10

15/8/10 + 50

20/4/5

20/4/5 + 50

Pan

Bat

Invert

Inv.

Winst

kW

kWh

kW

kBfr

%

Prod. Bfr/kWh

a

5

0

2.5

125

6.5

4.36

b

5

0

2.5

125

6.5

4.36

a

nooit winst

b

5

0

3

180

-11.3

6.09

a

5

0

2.5

100

15.2

3.49

b

5

0

2

15

3.45

a

nooit winst

b

5

0

2.5

150

-2.3

5.23

a

5

4

3

131

12.8

3.91

b

5

1

3

119

12.3

3.86

a

nooit winst

b

5

5

3

185

-4.7

5.39

Pan

Bat

Invert

Inv

Winst

kWp

kWh

kW

kBfr

a

5

7

3

186

37.7

2.00

b

5

0

2.5

125

33.6

1.67

a

5

7

3

236

31

2.53

b

5

0

3

180

27.7

2.33

a

5

7

3

161

41

1.73

b

5

0

2

95

35.6

1.32

a

5

7

3

211

34.3

2.26

b

5

0

2.5

150

30.2

2.00

a

5

10

3

155

44.2

1.60

b

5

1

3

119

38.1

1.48

a

5

10

3

205

37.5

2.12

b

5

5

3

185

35.4

2.06

95

Tabel 8.5b Intrestvoet 0,05 of a

Paneel 5kw 20/8/10

20/8/10 + 50

15/8/10

15/8/10 + 50

20/4/5

20/4/5 + 50

- 34

n

%

Prod Bfr/kWh

in

252 Tabel 8.5c. Intrestvoet 0,15 of a -13. n paneel variabel

Pan (kW)

20/8/10

20/8/10

15/8/10

15/8/10 + 50

20/4/5

20/4/5 + 5 0

Tabel

Β

Inv

(kWh) O

(kW)

W

Prod.prijs

(kBfr)

(%)

Bfr/kWh

1.2

52

9.9

3.24

154

-9.2

6.03

15.5

3.21

a

2

b

geen minimum

a

nooit winst

b

4

0

2.4

a

4

0

2

b

geen minimum

a

nooit winst

b

5

a

3

b

geen minimum

a

nooit winst

b

5

0

Inv

79.5

2.5

149

-2.3

5.23

1 2 . 1

76

13.3

3.33

186

-4.8

5.40

5

3

Pan

B

Inv

(kW)

(kWh)

8.5d.

Intrestvoet 0,05 of a -34. η

20/8/10

9

(kBfr) 420

W % 63.3

Prod.prijs Βfr/kWh

2.36 einde

a

15

b

geen minimum

20/8/10

a

15

4

9

470

56.6

2.64

+ 50

b

4

0

2.4

154

24.2

2.31

15/8/10

a

15

1

9

322.5

71.2

1.89

_b

4

(kW)

Inv

raster

geen minimum

15/8/10

a

15

1

9

372.5

62.5

2.18

+ 50

b

5

0

2.5

149

30

2.00

20/4/5

a

15

7

9

380

75.2

2.02

b

geen minimum

20/4/5

a

15

7

9

430

68.5

2.29

+ 50

b

5

5

3

186

35.5

2.06

253

8.2.2. Resultaten.

Voor het huidige systeem was de totale investering teerde

met

prijzen voui de invertor, eamenbouwert an onderhoud

ongeveer

3.038

geval de

optimum

kBFr (zie 8.1.1). Uit de simulatie volgt

geprojek­ geschat

dat

in

op dit

batterij kapaciteit 21 kWh is en een nominaal invet

torvermogen van 0,7 χ 5 kW of 3,5 kW.

2. Resultaten voor een vrije paneelgrootte.

Hier werd de paneelgrootte vrij gelaten om zo de beste investering te

bepalen

resultaat modo

voor verschillende staat

hetzelfde

in

eerder.

grote

duktieprijzen terug

invloed.

intrestvoeten

wordt

grosso­

D e paneelgrootte heeft een redelijke geval. Zonder vaste kost zijn de pro—

konkurrentieel;

de produktieprijs

is

. Het

Bij een intrestvoet van 15 % hebben de

waarde : 2...5 kW naargelang het

alhoewel

.../.../...

de tabellen 8.5c en 8.5d. De tendens

zoals

vaste kosten een

prijsverhoudingen

dicht

met bij

vaste 5

kost

Bfr/kWh

is

ligt.

W

negatief

Bij

kleine

het interessant relatief grote panelen te gebrui­

ken. Op te merken valt dat de 15 kw panelen van de gevallen a geen echt optimum

vertegenwoordigen

vermits

bij de berekening de rand van

het

rekenraster bereikt werd. Het is duidelijk dat panelen van 15 kW echter geen realistische oplossingen bieden : de vereiste dakoppervlakte is te groot en er zijn te weinig huizen met die oppervlakte beschikbaar. Voor i ­ 5 % is W meestal zeer groot en de produktieprijs laag. Voor

i ­ 15 % kan w zowel positief als

vaste kosten (nu

ongeveer

negatief

zijn

naargelang

de

. Daar men kan aannemen dat de huidige hoge intrestvoeten 13

% voor België) geleidelijk gaan afbrokkelen mag

men

verwachten dat in de toekomst netgekoppelde systemen elektronisch leef­ baar

zullen

worden.

D e

huidige intrestvoeten, tezamen met

de

hoge

zonnecelprijzen staan deze toepassing nu nog in de weg.

Er

valt

ook

nog

gematigde stijging van de

op

te merken dat bij de berekeningen een vrij elektriciteitsprits

aangenomen

werd. Niets

zegt echter dat er geen nieuwe energiekrieis zou kunnen optreden verge­ zeld van een plotse

spektakulaire

stijging

van

e. In zulke situatie

zouden netgekoppelde installaties misschien al rendabel

kunnen

worden

254 met celprijzen van 50 of 100 Bfr. per Watt. De vorige

figuren

piek maar het is ook afmeting vrij

werden

getekend voor een vast paneel van 5 kW

mogelijk een optimum te vinden indien de paneel-

gelaten

wordt.

Fig.

8.4

geeft de resultaten voor een

geprojecteerde paneelprijs van 20 KBFr/kWatt 20/8/10. met

de

een

prijsverhouding

Zoals gezien kan worden stijgt de paneelgrootte bijna lineair investering. Het feit dat de relatieve inve rtorafmet ing prak-

tisch konstant tingen

en

is betekent eenvoudigweg dat de absolute invertorafme-

eveneens

lineair

met

de investering veranderen. Zoals in de

voorgaande gevallen geeft stockage een wel spektakulair

om

te

zien

dat

voordeel vanaf 125 kBFr. Het is

de batterijkapaciteit steeds klein

blijft. Dit is natuurlijk een gevolg van de vooropgestelde lage paneelprijs. Naarmate de paneelprijs daalt wordt het

tevens minder en minder

belangrijk energie te stockeren. De figuren 8.5, 6, 7 illustreren wat er gebeurt met de produktiekost (P.C. ) van een kWh en de financiële winst W als een funktie van de investering voor verschillende gevallen. De produktiekost PC van de kWh is gedefinieerd door de geactualiseerde investering te delen

door de

totale energie geproduceerd in het systeem : PC

Fig.

Q a E n

8.5 toont voor een intrest van 15 %, zonder vaste kosten

en een

vrije paneel afmeting het verloop van PC en W voor verschillende prijsverhoudingen. Vermits

we een huidige prijs van 5 BFr/kWh aannamen ver-

deelt de horizontale

lijn door PC - 5 de gebieden waarin W positief of

negatief is. Als voorbeeld, kurve 5 (20/8/10) geeft W > 0 voor I < 200; voor I > 200 kBFr wordt de winst negatief omdat de produktiekost boven de 5 BFr/kWh

komt.

Bij kurve 9 gebeurt dit wanneer I > 300 kBFr. De

kurve 5 ligt onder de andere

kurven omdat de systeem komponenten duur-

der zijn dan in het geval voor 9 en 10. In fig. 8.6 zijn kurven met

dezelfde prijsverhouding 20/8/10 be-

schouwd maar voor twee intrestvoeten (5 en 10 % ) , twee vaste kosten en een vrije paneeloppervlakte. We zien nu gevallen.

twee

Het eerste, curve 6, toont een

volledige

toestand

verschillende

zonder

financiële

255 winst

ongeacht

de investering. Niettegenstaande de winst een welgede-

finieerd maximum heeft lijk een gevolg van

blijft zij toch steeds negatief. Dit is natuur-

het feit dat PC altijd boven de 5 BFr/kWh ligt. De

kurven 7 en 8 tonen een situatie waarin voor bijna alle I de W positief blijft omdat geen vaste kosten in rekening gebracht werden. In fig. 8.7 werd

de

paneeloppervlakte vastgehouden op 5 kW en de

andere parameters zijn dezelfde als in fig. 8.6. Natuurlijk geeft kurve 3 de beste

resultaten

terwijl

kurve

2 duidelijk een situatie zonder

winst voorstelt. Fig. 8.3. geeft dezelfde kurven voor een geprojekteerde paneelprijs van 20 kBFr/kW piek. De kurven hebben dezelfde vorm maar in feite is de schaal van de vestering wordt 50 kBFr

voor

investeringsas veranderd : de minimum inhet

paneel

plus

50 kBFr voor de vaste

kosten. 8.2.3. Samenvatting. Een ekonomische analyse van de f.v.

prestaties

van

een

netgekoppeld

systeem is een extrapollatie van hedendaagse kondities en

is het

daarom

slechts een redelijke verwachting gebaseerd op optimale systeem

afmetingen. Er zijn in dit geval veel ongekende faktoren : -

weerkondities

kunnen

beter of slechter dan voor het

standaardjaar

zijn. inflatie van de kWh prijs. -

evolutie van de energieprijs en de intresten. Met de

huidige

prijzen

voor zonnecellen en batterijen, maar met

geprojekteerde prijzen voor de invertor, assemblage en onderhoud vinden we een produktiekost van 61,52 tot 120,56 BFr afhankelijk van de terugbetalingsverhouding en ook naargelang worden.

Indien

de

zonnecelkost

al

daalt

dan niet batterijen gebruikt dan

verandert

drastisch. Voor een geprojekteerde prijs van 20

de

situatie

BFr/Watt piek en een 5

kW paneel zien we dat financiële winst mogelijk wordt indien geen vaste kosten optreden en met een intrest van

15

%. Voor een intrest van 5 %

wordt de financiële winst aanzienlijk : ongeveer

31

%

bij een vaste

kost van 50.000 BFr. In deze twee gevallen zien we dat de produktiekost lager of vergelijkbaar is met de huidige kWh kostprijs.

256

Indien alle systeem komponenten, dus ook het paneel, geoptimiseerd worden voor een maximum financiële winst of een minimum kWh kostprijs dan zijn de resultaten nog iets beter. Er tor

kan eveneens gezien worden dat in elk geval de optimale inver-

output

kleiner mag zijn dan de paneel output en eveneens dat in

vele gevallen er geen batterijen nodig zijn. Het is ook

duidelijk dat naarmate de paneelprijzen dalen de kost-·

prijs van de andere moeten gedaan worden

komponenten belangrijker wordt en dat inspanningen om

alle kosten te drukken, onderhoud en montage

van de installatie inbegrepen.

257

9. Perspektieven. Hieronder geven we

een

overzicht

van de perspektieven aangaande

netgekoppelde fotovoltaische installaties voor residentieel gebruik. We beperken ons tot systemen met een paneel van maximum 5 kW piek. 9.1. Op te lossen problemen, verbeteringen. De

beschreven

installatie

is

in

principe

technische vlak zijn er geen verbeteringen

meer

moeten gestreefd worden naar een vereenvoudiging grote schaal mogelijk maakt. Nochtans vereist

kompleet nodig. die

: op

het

Eerder zou nu

het

gebruik

op

vereenvoudiging dat som-

mige delen van het volledige systeem in meer detail bestudeerd worden : - Fotovoltaische generatoren. Naast

een verlaging van de produktiekost en een verhoging van het ren-

dement

is

mogelijk in

het nodig na te gaan hoe panelen zo eenvoudig een

en

goedkoop

dak kunnen geïntegreerd worden bij nieuwbouwinstalla-

ties. Bijvoorbeeld zou

de

kombinat ie met warmtekollektoren het totaal

rendement en de financiële winst

kunnen verhogen. Pogingen tot een in-

tegratie werden reeds bij netgekoppelde installaties gevoerd (referentie : J. Schmid - "Photovoltaic

in Duitsland uit-

System Design", 5th EC

p.v. energy conference, 1983, p. 410-416). Het is duidelijk dat dit probleem zal

moeten

bestudeerd worden in sa-

menwerking met bouwkundige bedrijven die ervaring hebben in bouwtechnologie . Door

deze

studie

verkrijgen van Japanese

de

moet

panelen het best

mogelijk

werkelijke

firma heeft

die gemakkelijk

het

worden

kostprijs

der

om een beter

idee

paneelkonstruktie.

dakpannen aangekondigd waarop cellen

liggen

te Een en

kunnen geïnstalleerd en verbonden worden. Het feit dat naar het zuiden gericht zijn mag geen probleem vormen

daar de moderne bouwmetoden huizen opleveren waarvan

de

die passieve zonnewarmte gebruiken meestal daken

een grote naar het zuiden gerichte

oppervlakte vertonen. Een ander probleem is

dat de vraag naar silicium

zo groot zou kunner. worden dat de wereldproduktie onvoldoende is. Een planning op langere termijn van deze produktie is dus nodig.

258

- Batterijen. De huidige lood-zuur batterijen voldoen zeker voor f .v. toepassingen maar zij hebben

het

nadeel

zwaar te zijn en een relatief kleine

energie-inhoud te bezitten

(56 kg/kWh).

types is volop aan de gang

maar

niet voor de degelijke

direkte

studie

die

de

toekomst. Wat toelaat

het

De ontwikkeling

van nieuwe

uiteindelijke resultaten zijn nog wel moet gedrag

gedaan

van

worden is een

Pb-zuur

batterijen

nauwkeurig te voorspellen zodat energiezuinige laad- en ontlaadtechnieken mogelijk worden. Het

onderhoud van de batterijen biedt geen grote problemen

meer daar

het mogelijk is ontbonden water te rekupereren met katalytische afdichtingen;

om

de 3 à 5 jaar bijvullen volstaat op deze wijze. Tenslotte

zou de levensduur nog moeten worden opgedreven. - Invertoren, regelelektronika. Hier

zijn

de

technische

gestreefd worden naar een te verlagen. Om de

problemen

opgelost; wel

rationele serieproduktie om de produktiekost

invertoren

echt goedkoop te maken is het nodig dat

deze ook kunnen toegepast worden bij

andere toepassingen, bijvoorbeeld

de UPS voedingen voor komputers, onafhankelijke

invertoren

installaties. De PCR omvormer blijkt daartoe weinig bieden

maar de PBM modules zijn bijzonder geschikt

toepassingen. Bovendien lijk.

De

voor nood-

perspektieven voor

deze

te

andere

is wegens de modulariteit serieproduktie moge-

regelelektronika,

zijn nu reeds voldoende

zou moeten

schakelaars, beveiligingsmateriaal

e.d.

beschikbaar aan relatief lage prijzen. De ver-

dere ontwikkeling moet gezocht worden in de soft-ware van de regelstrategie. Welke algoritmes brengen het meeste op ? Tenslotte mag niet vergeten

worden

elektriciteitsproducenten betreffende

tijdig afspraken te maken met

tarief strukturen

voor

aan- en

verkoop.

Ook theoretische studies zullen nodig zijn om te

of

onstabiliteiten in het net kunnen optreden bij een grote toe-

geen

passing van netgekoppelde f.v. generatoren.

achterhalen

259

9.2. Belemmeringen voor industriële ontwikkeling. Met

de

huidige

celprijzen kan er geen sprake zijn van

dustriële ontwikkeling. De produktieprijzen van

1,4

grootste $

per

in-

Amerikaanse producent spreekt van

piekwatt. studies betreffende amorfe

silicium cellen geven prijzen aan

gaande

per piekwatt. Indien dit waar

zou

is

een

van ongeveer 10 Fr tot 30 Fr

het in principe mogelijk moeten

zijn om een rendabele installatie te maken. Een

duidelijk zicht op het

probleem kan vermoedelijk maar binnen 10 jaar verwacht worden. Wat betreft het marktpotentieel is er nochtans hoop : over een huishoudelijke toepassing staat

er

in

vermits het gaat

principe

een

enorme

trage

start

markt open voor het systeem als produkt.

Een slaagt

mogelijk scenario is het volgende : na een vrij men

bijvoorbeeld erin om per jaar 2% van de daken te

met f.v.g.'s. Na

beleggen

20 jaar zijn 40 % van de daken bezet en is de produk-

tie voldoende om de

eerste f.v.g.'s te vervangen. Dit alles natuurlijk

in de veronderstelling dat de prijzen acceptabel zijn. Uiteraard moeten maatregelen getroffen scenario

te waarborgen.

energieinvoer

van

Zo

het betreffende land

talingsbalans zal verbeteren. mies uitgeloofd worden voor Dit is nu

bijvoorbeeld

trouwens

ook

worden is

zal

om

een

dergelijk

het

duidelijk

dat

de

dalen

waardoor

de

be-

Het is dus logisch dat aanmoedigingsprede eigenaar die zulke installatie plaatst.

het geval in vele landen voor de isolatie van

huizen.

Tenslotte zijn niet alle landen geschikt voor dit gaat hier om landen vertegenwoordigt strialiseerde

de

energie-invoer

een

: het

belangrijk

deel

van de totale invoer. Dus vooral kleine sterk-geïndu-

landen

voldoende lichtinval vische landen.

waarvan

scenario

komen in aanmerking. zijn

Ten

tweede

moet

er

ook

en dit elimineert bijvoorbeeld de skandina-

260

9.3. Marktpotentieel en maatregelen om penetratie op de markt te bewerkstelligen . Het marktpotentieel is enorm gezien het feit dat deze installaties toepasbaar zijn in sterk-geïndustrialiseerde landen. Maatregelen om de markt

te stimuleren kunnen enkel genomen worden indien de f.v.g. prij-

zen voldoende laag worden. Enkele maatregelen volgen hieronder : -

premies voor aankoop en bouw tax-redukties (zoals in VSA)

-

voorlichting van fabrikanten over de mogelijkheden openbaar

maken

van technische berekeningsmetodes waarmee de ener-

gieopbrengst te voorspellen valt. -

voorlichting

publiek.

Dit

laatste is zeer belangrijk

omdat het

publiek wil verzekerd zijn van een bepaalde financiële opbrengst van het systeem. De huidige

verkoopsmetoden zijn onvoldoende en mislei-

dend : de reklame geeft

nooit een beeld van de realiteit. Daarenbo-

ven heeft de installateur Daarom is het nodig dat

weinig de

verantwoordelijkheid

koper

gemiddeld kan opbrengen en dat

dit

na verkoop.

precies weet wat een installatie kontraktueel

vastgelegd wordt

zoals in een lastenboek bij huizenbouw. 9.4.

Werkgelegenheid.

Gezien de

is er

te verwachten dat de

werkgelegenheid flink gestimuleerd wordt bij een

serie produktie van

het systeem.

grote

marktmogelijkheden

Natuurlijk hangen de mogelijkheden af van de aard van het

bedrijf elektronika-industrie : een toename van werk is te verwachten op het produktieniveau. Daar het hier zal gaan om een

echte serieproduktie

zal deze toename van arbeidsplaatsen echter beperkt blijven. Op het niveau van de ontwerpers kan de werkgelegenheid eveneens aangroeien. Men moet er immers van uitgaan dat zowel de vermogen als de kontrole elektronika veel kan evolueren. Toeleveringsbedrijven van schakel-materiaal, draad, batterijen. De

zonnecelsystemen scheppen een nieuwe toepassing

voor

bestaande

produkten. De produktie zal toenemen met een relatief geringe toename van de werkgelegenheid.

261 -

cel- en paneelfabrikage. Hier

zal

ongetwijfeld de sterkste

groei

van

de

werkgelegenheid

plaatsgrijpen. 1. op het. produktie niveau van zuivere silicium 2. glasfabrikage 3. kaders van modules 4. assemblage van cellen 5. konstrukt ie frame

en assemblage modulen tot panelen. Vooral deze

laatste faze schept werkgelegenheid. Installatie van het systeem en onderhoud. Hier komen vooral de kleine ondernemingen aan hun trekken. Konklusie. De konklusie is dat de introduktie van netgekoppelde f.v. systemen zeker een bijdrage zal leveren tot de werkgelegenheid. Wij zijn evenwel onbevoegd om de absolute waarde hiervan te schatten.

263

Onderschriften bij fotos,

Foto l.i.

Uiteindelijke konstruktie van de fotovoltaische generator. De batterijen zijn achter de panelen geplaatst.

Foto 1.2.

Batterij box met batterijen. Links de verbindingsdoos

105 met

kontakten en versterkers. Foto 2.1.

105

Fazegestuurde gelijkrichter ters geven

de

(vooraanzicht ).

paneelspanning

De paneelme-

en -stroom aan evenals het

dc-vermogen aan de ingang. De konnektor is verbonden met de kontrole komputer.

106

Foto 2.2.

Zicht binnenin de PCR.

107

Foto 2.3.

PBM

module met filterspoel

circuit

(boven

rechts),

(boven

links),

poortstuurcircuit

PBM kontrole (onder)

en

vermogentransformatoren.

108

Foto 2.4.

PBM vermogenmodule en inversiebrug in behuizing.

108

Foto 2.5.

Temperatuurvoeler op een module gelijmd.

109

Foto 2.6.

Een temperatuurvoeler met glazen beschermingsbuis wordt in de batterij bevestigd.

110

264 Onderschriften figuren. Fig. 1.1.

Artistiek zicht van het originele voorstel voor de positie van

de fotovoltaische generator. Tengevolge van stedebouw-

kundige

voorschriften

werd de generator

uiteindelijk

in

twee delen gesplitst. Fig.2.1.

111

Blok diagramma van de hoofddelen van het systeem. Schakelaars, meetsysteem,

... zijn

voor de duidelijkheid

weggelaten.

112

(1) : fotovoltaische generator (2) : accumulatoren ( 3) : dc-ac invertor (4 ) : verbruiker. Fig. 2.2.a. De 76 f.v.g. modules zijn gekombineerd teneinde een paneel te vormen.

113

2.2.b. De vermogen geleiders van

beide panelen staan in parallel

in de kontrolekamer maar deze verbinding kan verbroken worden indien twee afzonderlijke panelen gewenst zijn.

113

Fig. 2.3.

Typische karakteristiek van VARTA batterijen.

114

Fig. 2.4.

Schema van

de

faze-gestuurde

gelijkrichter

met magneto-

termische onderbreker M-T, 3-fazige vermogen transformator, thyristoren D

... D

en zekeringen F1# F2,

F3. De puls-

generator PG en faze-kontrole circuit PCC genereren thyristor

stuurpulsen en de PTM module wordt gebruikt voor ver-

mogen-tracking en kontrole. Fig. 2.5.

115

De werking van de PCR is voor de eenvoud geïllustreerd voor een 3-fazige ster-PCR. Afhankelijk van de stuurhoek o is de PCR gelijkrichter of invertor.

Fig. 2.6.

De

netstroomgolfvorm

transformator primaire

hangt af van de

116 schakeling

van de

alhoewel de harmonische inhoud de-

zelfde is voor a en b.

117

Fig. 2.7.a. Positie van de thyristoren met gemeenschappelijke katode op de koelvin.

118

265

Fig. 2.7.b. Termische

weerstanden

van junktie naar omgeving, omgeving

naar koelvin. De totale weerstand is 0,4 C/W.

UH

Fig. 2.8.a. Schema van de thyristor stuur-puls generator.

119

2.8.b. Ingangsignaal van EN-poorten Fig. 2.9.

Blokschema

van

GX..G6

faze-kontrole

en oscillator output.

119

circuit PCC. De referentie-

spanning is de spanning van één faze in het net. Na begrenzing is de faze gekontroleerd

door

de PLL ingangsspanning

V. De interpollator genereert zes poort pulsen G 1 ...G 6 . Fig. 2.10.

120

Blokschema van de vermogen-zoek module met vermenigvuldiger die

het vermogen berekent en het sample-hold

geheugen. De

logika stuurt de integrator INT waarvan de uitgang de fazekontrole span n ing V is. Fig. 2.11.

Kurven (a) en (b) geven

121 het

dc-ingangsvermogen van de in-

vertor als funktie van de kontrolespanning V indien respektievelijk het paneel en de batterij de bron zijn.

122

Fig. 2.12.

Tijdsdiagram van de MPP zoek cyclus.

123

Fig. 2.13.

Stroom omzetters

124

a. Shunt met versterker b. Hall-sensor c. Hall-sensor met magnetische terugkoppeling d. Shunt met isolatieversterker Mogelijke

circuiten

voor

de

spanningsmeting

zijn

ook

gegeven (spanningsdeler en deler met isolatieversterker) Fig. 2.14.

Hall transducer SAS-231L data en circuiten

125

a. Blokschema b. Uitgangskarakteristieken c,d. Additionele komponenten. Fig.2.15.a. Spännings transducer met duale opto-koppelaar 2.15.b. Uitgang V 2 als funktie van de ingangsspanning V x .

126 126

266

Fig. 2.16.

Rendement van 5 kW PCR als funktie van de uitgangsstroom. Kurve a en b zijn voor V

- 66 en 48 V en berekend met P n -

60 Watt. Kurve c is gemeten en gekorrigeerd voor 48 V. Kurve d werd berekend voor 66 V.

127

Fig. 2.17.

Blokschema van het kontrolesysteem van de PBM omvormer.

128

Fig. 2.18.

Vermogendeel van de PBM-module.

129

Fig. 2.19.a. Circuit van het PBM-terugkoppelachema.

130

2.19.b. Mosfetsturing. Fig. 2.20.

131

Inversiebrug met basis-stuurgenerator;

de

basissturing

wordt afgeleid van het net. Fig. 2.21.

Rendement N

132

als een funktie van het uitgangsvermogen voor

de PBM convertor.

Fig. 2.22.

133

Kurve a

berekend

Kurve b

gemeten

Kurve c

met temperatuurkorrektie.

Verbruikerspatroon

van

AEG

: dagelijkse variaties als

funktie van de tijd. Fig. 2.23.

134

Eendraadsschema van het vermogendeel : P¡ en P 2 de f.v.g., Bj en B 2 de

batterijen,

invertors,

kontaktoren C 1 ...C 9 ,

zekeringen. Links staan de grootheden die door de komputer gemeten worden. Het circuit rechts toont

de

fysische op-

stelling van de kontaktoren met indikat ielampen.

135

Fig. 2.24.

Volledig bedradingsschema overeenstemmend met fig. 2.23.

136

Fig. 2.25.

Bedradingsschema van de junktiedoos op het terras (zie ook

Fig. 2.26.

foto 1.3).

137

Verbindingsdoos voor de invertor (gelijkvloers).

132

267

Fig. 2.27.

Karakteristiek van de ΚΤΥ 10 en eenvoudig meetcircuit.

Fig. 2.28.

Transmissiepad van de te

meten

tionering (1)(2), V naar

I

draad,

signalen

omzetting

I naar V omzetting (4), A naar

139

: signaalcondi­

(3), transmissieD

konvertor

(5),

databus, komputer (6).

140

Fig. 2.29.a. Isolatieversterkercircuit : het gemoduleerde signaal (IC2 ) wordt via de transformator Tj gekoppeld en daarna

gedemo-

duleerd.

141

2.29.b. Het gedemoduleerde signaal wordt in deze V/I

konvertor in

een stroom omgezet.

142

Fig. 2.30.

Schema van de I/V omzetter.

142

Fig. 2.31.

De

komputer

stuurt

de kontaktoren bij middel van solid-

state relais (SSR). Fig. 2.32.

143

Circuit voor sturing van de PCR mode. Het onderste deel is

de analoge I/V omzetter die het ver­

mogen in BPC mode bepaalt. Fig. 2.33.

144

De analoge I/V konvertor van fig. 2.32 wordt gestuurd door de komputer D/A uitgang.

144

Fig. 2.34.

Tijdsdiagramma voor de kontroller.

145

Fig. 3.1.

Organisatie van het projekt management.

147

Fig. 4.1.

Vereenvoudigd

bedradingsschema tussen

doos, batterijen

panelen,

junktie-

en kontrole kamer met de stromen gemeten

bij twee kondities 2 a. bij 995 W/m en batterijspanning 61 V 2 b. bij 1065 W/m en batterijspanning 56 V

148

268

Fig. 8.1.

Aantal ontlaadcycli als DOD (met DOD

-

1

-

funktie

van

de ontladingsdiepte

SOC; SOC : ladingstoestand) en ver-

plaatste kapaciteit gedurende een batterijleven. Fig. 8.2.

Optimale systeem afmetingen

als een

funktie

149

van de in-

vestering I voor het huidige geval : Prijzen : paneel

555 kBFr/kW piek

batterij

8 kBFr/kWh

invertor 10 kBFr/kW Kurve a geeft

het

relatieve

invertorvermogen

(nominale

output gedeeld door de piek paneel output of 5 kW). Kurve b geeft de batterijkapaciteit in kWh. Kurve c is het paneeluitgangsvermogen, hier vast 5 kW. Fig. 8.3.

Zelfde kurven als in fig. 8.2 maar voor een geprojekteerde cel prijs van 20 kBFr/kW piek.

Fig. 8.4.

Optimale

systeem

afmetingen

151 als een funktie van de in-

vestering voor een vrije paneelgrootte. Fig. 8.5.

150

Financiële

winst

152

W in % en produktie kost PC in BFr/kWh

als funktie van de investering

I. De intrestvoet is 15 %,

paneel oppervlakte variabel, geen vaste kosten. De kurven 5,9 en 10 vergelijken verschillende prijsverhoudingen. Fig. 8.6.

153

W en PC in BFr/kWh als een funktie van I. Intrestvoet 5 of 15 %, variabel paneel, vaste kosten 0 of 50 kBFr, vaste prijsverhouding 20/8/10.

Fig. 8.7.

154

W en PC in BFr/kWh als een funktie van I. Intrestvoet 5 of 15 %, paneel 5 kW, vaste kosten 0 of 50 kBfr, vaste prijsverhouding 20/8/10.

155

269

F A B R I C A B L E

N.V.

BESCHRIJVING VAN DE FOTOVOLTAISCHE STANDAARMODULES VAN BELGOSAR Afgegeven vermogen

33 Wp AM 1,5

Aantal cellen

36

Diameter

100 mm

25°C - 100 mW/cm2

Enkelvoudige siliciumlaag - 12,5 %

Spreiding van het vermogen - Voc

21 V 2,18 A

- Isc - Vmax

16,5 V

- Imax

2

) j )

j

onder de volgende omstandigheden : AM 1,5 bij 25°C

- Afmetingen van de i ngekapselde modules: 410 mm χ 1028 mm χ 50 mm t

- Bruto gewicht

:

9 kg

- Behuizi ng

: voorzijde

: gehard glas

achterzijde

: glas

filter

: FVA

frame

: geanodiseerd aluminium

De zonnemodules worden volgens de standaardprocedures voor meting van P.V.prestatie op aarde van de EEG, specificatie 5.01. getest. - Twee shuntdiodes zijn inbegrepen. - Kabelaansluiting: op elke module is een waterdichte aanoluitdoos met vier aansluitigen afdichtigen gemonteerd. - Voorbehandeld frame Waardoor dit gemakkelijk op de steunen kan worden bevestigd. - De fotovoltaische cellen worden volgens het door de ESAT-laboratoria van de KU-Leuven ontwikkelde proces vervaardigd (Katholieke Universiteit van Leuven).

CDNA101872MC