Rok / Year: 2014
Svazek / Volume: 16
Číslo / Number: 1
Možnosti ověření účinnosti fotovoltaických panelů Verification options of the effectiveness for photovoltaic panels Pavel Chrobák, Stanislav Sehnálek, Martin Zálešák {chrobak, sehnalek, zalesak}@fai.utb.cz Fakulta aplikované informatiky, UTB ve Zlíně
Abstrakt: Cílem této práce bylo ověřit skutečnou účinnost fotovoltaických panelů u malé fotovoltaické elektrárny po pětiletém provozu, oproti údajům, které udává výrobce. Tato elektrárna je v provozu řadu let a slouží k náhradě za odebranou energii použitou pro napájení vytápěcích a chladících zařízení v laboratoři.
Abstract: The aim of this paper was to verify in the long term the actual efficiency of photovoltaic panels for small photovoltaic plant. This efficiency verification was done after five years of operation and then compared to the data that indicates the manufacturer. This plant has been in operation for many years and is used to compensate consumed energy used for power the heating and cooling equipment in the laboratory.
VOL.16, NO.1, FEBRUARY 2014
Možnosti ověření účinnosti fotovoltaických panelů Pavel Chrobák, Stanislav Sehnálek, Martin Zálešák Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně Email:
[email protected],
[email protected],
[email protected]
směrem, elektrony k záporné elektrodě, díry ke kladné, jak je znázorněno na obrázku 1.
Abstrakt – Cílem této práce bylo ověřit skutečnou účinnost fotovoltaických panelů u malé fotovoltaické elektrárny po pětiletém provozu, oproti údajům, které udává výrobce. Tato elektrárna je v provozu řadu let a slouží k náhradě za odebranou energii použitou pro napájení vytápěcích a chladících zařízení v laboratoři.
Úvod Fotovoltaika je jednou z možností využití nevyčerpatelného zdroje energie (v lidském měřítku), který představuje energie slunce, pro výrobu elektrické energie, která se po použití znovu změní na teplo. Tato metoda přeměny sluneční energie v elektrickou energii je známa již několik desítek let, ale až v posledních letech došlo k širšímu využití této technologie a to zejména díky zvýšení účinnosti solárních článků a státním dotacím. Celkový instalovaný výkon fotovoltaických elektráren na světě dosáhl v roce 2012 podle Evropské fotovoltaické průmyslové asociace (EPIA) hodnoty 100 GWp.
Obrázek 1: Struktura fotovoltaického článku [2] 1.1 Dělení fotovoltaických článků Fotovoltaické panely lze rozdělit podle typu použitého fotovoltaického článku na monokrystalické, polykrystalické a amorfní. Monokrystalické články se vyrábí chemickou technologií tažením roztaveného základního materiálu ve formě tyčí, které se následně rozřežou na plátky, tzv. podložky (nejčastěji se jako základní materiál používá křemík. Články jsou pak tvořeny jedním křemíkovým krystalem a jejich praktická energetická účinnost se pohybuje v rozmezí 13 až 17 %. Výroba monokrystalických fotovoltaických článků je nákladná z důvodu velké spotřeby křemíku. Avšak monokrystalické články tvoří největší zastoupení na trhu (kolem 85% světového trhu) pro svoji vyšší účinnost oproti jiným článkům[3, 4]. Polykrystalické články také obsahují křemíkovou destičku, ale na rozdíl od monokrystalických článků jsou tvořeny krystalickou mřížkou. Jejich barva je modrá, světlejší než u monokrystalických článků, uvnitř lze vidět tzv. „ledový květ“. Na výrobu těchto článků je potřeba výrazně menší množství energie než na výrobu monokrystalických článků, což se odráží zejména na pořizovacích nákladech. Jejich energetická účinnost je v rozmezí 12 až 16 %. Tyto články využívají účinněji tzv. difúzní složku slunečního záření, čímž se energeticky vyrovnávají článkům monokrystalickým[3, 4]. Poslední skupinu tvoří amorfní články, jejichž základ tvoří tenká křemíková vrstva, která se nanáší na podložku ze skla, plastu nebo textilie. Energetická účinnost těchto článků je podstatně nižší než u výše zmíněných, a je v rozmezí 7 až 9 %. Tyto články jsou vhodné zejména pro integraci do stavebních konstrukcí, kde je omezená možnost chlazení zabudovaných článků [3, 4].
1 Fyzikální princip fotovoltaické přeměny Fotovoltaika představuje metodu přímé přeměny slunečního záření na elektrickou energii s využitím fotoelektrického jevu na velkoplošných polovodičových fotodiodách (fotovoltaické panely). Jednotlivé fotodiody se nazývají fotovoltaické články a obvykle jsou spojovány do větších celků. Nejjednodušší fotodiody jsou tvořeny dvěma polovodiči s rozdílným typem elektrických vodivostí. V jedné z vrstev materiálu typu N převažují negativně nabité elektrony, zatímco v druhé vrstvě materiálu typu P převažují „díry“, v podstatě jsou to prázdná místa, která snadno akceptují elektrony. V místě, kde se tyto 2 vrstvy setkávají P – N přechod, kde dochází ke spárování elektronů s dírami, čímž se vytvoří elektrické pole, které zabrání dalším elektronům v pohybu z N – vrstvy do P – vrstvy. Za normálních okolností jsou elektrony v polovodičovém materiálu pevně vázány k atomům krystalové mřížky, materiál je nevodivý. Přidáním velmi malého množství prvku s větším počtem valenčních elektronů dojde k vytvoření oblasti s vodivostí typu N, v níž se vyskytují volné elektrony, které mohou přenášet elektrický náboj. Naopak příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů vytvoří oblast s vodivostí typu P, v níž se krystalovou mřížkou pohybují „díry“ místa kde chybí elektron. Pokud dojde k zachycení fotonu o dostatečné energii v polovodičovém materiálu, vznikne jeden pár elektron-díra [1]. Pokud je tento obvod uzavřen, začnou se pohybovat tyto nositele náboje opačným
1.2 Popis systému Posuzovaný systém je uplatněn v laboratoři techniky prostředí na FAI UTB ve Zlíně. Systém je tvořen 9 fotovoltaickými
48
VOL.16, NO.1, FEBRUARY 2014
panely o celkové ploše 11,25 m2. V panelech jsou použity polykrystalické fotovoltaické články. Tyto panely mají výrobcem deklarovanou energetickou účinnost 15 %. Jednotlivé fotovoltaické články jsou zapouzdřené do kovového rámu ze speciálních slitin hliníku a vrchního ochranného tvrzeného skla. Panel je možné díky této konstrukcí upevnit na různá místa, v našem případě je situován na střeše třípatrové budovy, kde úhel sklonu od vodorovné roviny činí 45° s jihovýchodním azimutem normály. Tento systém je znázorněn na obrázku 2.
Obrázek 3: Střídač Sunny Boy 1700 Na obrázku č. 3 je zobrazen použití měnič Sunny Boy 1700. Evropský stupeň účinnosti, ηeuro, tohoto měniče je ηeuro = 91,8%. Tato hodnota je měřena při měnících se klimatických podmínkách a maximální účinnost, ηmax = 93,5% při měření v optimálních podmínkách zpravidla při jmenovitém DC napětí a středních hodnotách AC výkonu. Zbytek energie se ztratí ve formě tepla při konverzi na střídavý proud [6, 7]. 1.3 Popis metodiky ověřování parametrů Parametry panelů je možno ověřit dvěma způsoby. V prvním případě je snímač intenzity slunečního záření (solarimetr) orientován stejně jako jsou orientovány panely. V tomto případě se porovnává dopadající záření s výkonem fotovoltaických panelů a je tak možno se zohledněním difúzního záření stanovit účinnost přeměny dopadající energie na energii produkovanou panely. Druhou možností je orientace solarimetru vodorovně (předmětný případ). Naměřené hodnoty dopadajícího záření na horizontální povrch solarimetru je pak nutno přepočítat na záření připadající na směr normály k ploše panelů. Tento přepočet je uveden níže podle normy ČSN 73 0548 [9]. Sluneční deklinace se stanoví pro jednotlivé měsíce vždy k 21. dni podle vztahu (1) až (9):
Obrázek 2: Posuzovaný systém Při intenzitě slunečního záření dopadajícího na plochu panelů o hustotě zářivého toku 750 W/m2 je podle deklarovaných parametrů od výrobce jejich elektrický příkon přibližně P = 1265 W. Výstupní stejnosměrné napětí z panelů je konvertováno měničem na střídavé napětí o jedné fázi. Tento měnič (střídač) zároveň zobrazuje informace o množství vyrobené energie a různých provozních stavech systému (porucha, okamžitý výkon, napětí, celková vyprodukovaná energie systémem, aj.) [5].
23,5 cos (30 M ) ,
(1)
kde je sluneční deklinace [o] M číslo měsíce (1 až 12). Hodnoty sluneční deklinace jsou uvedeny v tabulce 1.
49
VOL.16, NO.1, FEBRUARY 2014
Tabulka 2:Hodnoty znečištění v jednotlivých měsících
Tabulka 1 :Sluneční deklinace pro jednotlivé měsíce Měsíc roku
III
IV
V
VI
VII VIII
IX
X
o
0
12
20
24
20
0
-12
12
Měsíc roku z -
(2)
X
3,0
4,0
4,0
5,0
5,0
4,0
4,0
3,0
IC = I D + Id ,
(9)
kde I D je uvedeno v (7),
I d je uvedeno v (8).
Pomocí těchto vztahů vypočítáme pro každý den a hodinu teoretickou intenzitu slunečního záření, jak pro vodorovnou plochu, tak i pro úhel ve kterém jsou fotovoltaické panely orientovány. Na základě tohoto teoretického výpočtu převedeme data získaná ze snímače slunečního záření na směr, ve kterém jsou orientovány fotovoltaické panely, a tak stanovíme celkovou energii slunečního záření za sledované období. Na základě této hodnoty vypočítáme účinnost fotovoltaického systému podle vztahu (10) [9]: P P (10) m m , Prad E AC
(4)
(5)
kde Pm Prad E AC
a pro vodorovnou, (6)
2
Intenzitu přímé sluneční radiace určíme podle vztahu (7) 0,8 16 H / sinh , I D 1350 exp 0,1 z 16 H
IX
(3)
kde je úhel mezi normálou osluněného povrchu a směrem paprsků [o], úhel stěny s vodorovnou rovinou, vzatý na straně odvrácené od slunce [o], azimutový úhel normály stěny, vzatý stejně jako sluneční azimut [o]. Pro svislou stěnu je,
cos sin h
VIII
Celková intenzita slunečního záření I C se pak stanoví jako součet (9),
Úhel mezi normálou osluněného povrchu a směrem paprsků Θ se stanoví podle vztahu (4)
cos Θ cos h cos (a γ)
VII
kde a je sluneční azimut [o].
cos sin cos h cos cos h sin cos ( a ) ,
VI
kde I d je intenzita difuzní sluneční radiace [W m-2], h je uvedeno v (2).
Sluneční azimut a určíme od směru sever ve směru otáčení hodinových ručiček podle vztahu (3) sin (15 ) cos , cos h
V
sin h I d 1350 I D 1080 1,4 I D sin 2 , (8) 2 3
kde h je výška slunce nad obzorem [o], sluneční čas [h].
sin a
IV
Intenzitu difuzní sluneční radiace určíme podle vztahu (8)
Výška slunce nad obzorem h, pro 50° severní šířky je dána podle vztahu (2) sin h 0,766 sin 0,643 cos cos (15 ) ,
III
výkonu z fotovoltaického panelu [W], je výkon dopadajícího záření, celková intenzita slunečního záření [W m-2] , plocha fotovoltaického článku [m2].
Provedené měření
Měření probíhalo v období od 1. července do 31. září. V denní době od 4 do 22 h v 0,5 h intervalu. Záznam výroby elektrické energie z fotovoltaických panelů byl proveden pomocí softwaru Sunny Data Control. Intenzita slunečního záření byla zaznamenávána pomocí meteostanice umístěné na protější střeše budovy v přibližně stejné výškové úrovni. Naměřená data ze sledovaného období byly shrnuty do databáze a následně byl proveden teoretický výpočet intenzity slunečního záření (i difuzní) IC podle vztahů (9), dopadajícího na vodorovnou plochu solarimetru pro každý den v 0,5 h intervalech. Z naměřených hodnot celkové intenzity slunečního záření IS bylo odečteno difuzní záření, a tím byla získána sku-
(7)
kde I D je intenzita přímé sluneční radiace [W m-2], z součinitel znečištění atmosféry, H nadmořská výška [m]. Pro jednotlivé měsíce je doporučené použít tyto hodnoty znečištění, které jsou uvedené v tabulce 2.
50
VOL.16, NO.1, FEBRUARY 2014
ID šik intenzita přímé sluneční radiace ve směru orientace panelů [W m-2], p1 procentuální rozdíl
tečná hodnota intenzity přímého záření dopadajícího na solarimetr. Teoretický výpočet: q s skut př . q s skut q s skut . dif . ,
Id Ic p ,
(11)
kde Id je intenzita difuzní radiace dopadající na solarimetr, ve W/m2, Ic naměřená data solarimetrem [W m-2], p procentuální rozdíl I D Ic Id , (18)
kde qs skut. př je přímé záření dopadající solarimetr [W m-2], qs skut údaj ze solarimetru [W m-2], qs skut.dif vypočtené difuzní záření [W m-2]. qf
př .
qs skut př .
qs skut př . sin h
,
(12)
kde ID je intenzita přímé sluneční radiace dopadající solarimetr [W m-2], Ic naměřená data solarimetrem [W m-2] Id difuzní radiace dopadající na solarimetr [W m-2],
je přímé záření dopadající na kolmou plochu kde qf př [W m-2] gs skut.př. je uvedeno v (11), sin h je uvedeno v (2). q f př . , (13) qn př cos kde qn př je přímého slunečního záření dopadajícího na fotovoltaický panel [W m-2], qf př je uvedeno v (12), cos je uvedeno v (4). qn celk qn dif . qn př . ,
Přepočet na úhel orientace fotovoltaických panelů I c I d p1 I c Ic
(14)
I D vod
p,
šik
I D šik
p1 ,
Pm P m Prad E AC
143267 100 ((378,98 11,25) 12) 30 9,34 % ,
(21)
(15) kde Prad = 143267 [W] E = 378,98 [W m-2] AC = 11,25 [m2] Čas = 12 [h] Dny = 30
kde Id vod je intenzita difuzní radiace dopadající na vodorovnou plochu [W m-2], ID vod intenzita přímé sluneční radiace na vodorovnou plochu [W m-2], p procentuální rozdíl Id
(20)
Z výsledných hodnot byla pro jednotlivé měsíce vypočítána průměrná hodnota intenzity slunečního záření za hodinu, přičemž tato hodnota byla vynásobena plochou panelu, dobou osvětlení a počtem dnů v měsíci. Doba osvětlení panelů byla v jednotlivých měsících různá, což bylo zohledněno při výpočtu a to z důvodu změny polohy slunce nad obzorem. V následujícím případě je uveden vzorový výpočet pro měsíc září (21):
Tento způsob přepočtu se však ukázal téměř nepoužitelný v období výskytu silné oblačnosti. Součinitel znečištění atmosféry z ve vztahu (9) nekoresponduje s mírou oblačnosti (hustotou vodních par v atmosféře), pravděpodobně pouze odráží znečištění atmosféry prachovými částicemi. Proto pro výše uvedený přepočet intenzity přímého slunečního záření z dat ze solarimetru byl zvolen jiný způsob a to pomocí procentuálního rozdílu. Teoretický výpočet: vod
ID , 1 p1
(19)
kde Ic je celková intenzita slunečního záření dopadajícího na panely [W m-2], Id je uvedeno v (18), p1 je uvedeno v (16).
kde qn celk je celkové sluneční záření dopadající na fotovoltaické panely [W m-2], qn dif difuzní záření ve směru orientace fotovoltaických panelů [W m-2] qn př je uvedeno v (13).
Id
(17)
Obdobně byly provedeny výpočty pro měsíce červenec a srpen, kde byly vypočítány účinnosti 9,59 % a 9,89 %. Tyto hodnoty byly po odečtení ztrát střídače zprůměrovány a výsledná účinnost fotovoltaických panelů byla pak 10,5 %.
(16)
kde Id šik je intenzita difuzní radiace dopadající ve směru orientace panelů [W m-2],
51
VOL.16, NO.1, FEBRUARY 2014
3 Naměřené hodnoty
3.1 Vliv atmosférického znečištění panelů na jejich výkon
Tabulka 3 porovnává teoretické a naměřené hodnoty dodávky elektrické energie fotovoltaickými panely v prvním dnu měsíce září. Obrázek 4 uvádí porovnání skutečného výkonu panelů s údaji od výrobce.
Nezbytnou součástí užívání fotovoltaických panelů je také jejich údržba, která spočívá zejména v odstraňování nečistot z povrchu panelů. Tyto nečistoty mají negativní vliv na účinnost fotovoltaických panelů. Dalším faktorem, který ovlivňuje efektivitu fotovoltaického panelů je stárnutí těchto panelů. Samotný proces stárnutí závisí na různých faktorech, jako je například množství nečistot a příměsí obsažených v daném materiálu, nebo chemické složení a struktura materiálu. Stárnutí materiálu je definováno jako souhrn nevratných změn vlastností materiálu za daných podmínek. K těmto změnám dochází v důsledku působení světla, tepla, povětrnostních podmínek a atmosferických plynů. Tyto změny mají zásadní vliv na účinnost solárních panelů. Výrobci proto u parametrů panelů udávají také jejich životnost, stárnutí se projevuje zejména poklesem jejich účinnosti. Po 12 letech provozu se předpokládá snížení účinnosti přeměny energie o 10 % a po 25 letech řádově o 20 % [10]. Po odstranění nečistot z fotovoltaických panelů v době mezi 11:14 – 11:16 při stejné intenzitě osvětlení jak je vidět v tabulce 4, došlo ke zvýšení účinnosti cca o 1 %, což dokazuje obrázek 7.
Celková výroba [W]
14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Dny
Teoretická výroba [W]
Skutečná výroba [W]
Obrázek 4: Srovnání teoretické a reálné účinnosti panelů Tabulka 3: Naměřené hodnoty září
Den 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
TeoreticÚčinnost ká výroFV [%] ba [W] 32449,37 46156,35 44323,51 79809,87 67769,63 87268,22 85321,43 81065,14 17379,35 87328,43 38395,81 66758,20 21977,15 20028,93 43912,27 44783,82 12686,33 57292,47 47117,83 36865,42 17558,36 54260,10 9019,09 22425,16 64556,06 31636,85 81435,17 92913,01 61476,69 86026,94
0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15
TeoreticSkutečná ká výrovýroba ba FV [W] [W] 4867,41 2298,00 6923,45 4643,00 6648,53 3141,00 11971,48 7541,00 10165,44 7451,00 13090,23 9247,00 12798,21 9171,00 12159,77 9110,00 2606,90 876,00 13099,26 8537,00 5759,37 2891,00 10013,73 7141,00 3296,57 1400,00 3004,34 1177,00 6586,84 3505,00 6717,57 4028,00 1902,95 678,00 8593,87 6203,00 7067,68 3864,00 5529,81 2723,00 2633,75 1175,00 8139,02 4872,00 1352,86 365,00 3363,77 1223,00 9683,41 6769,00 4745,53 1787,00 12215,28 7678,00 13936,95 9258,00 9221,50 5918,00 12904,04 8942,00
Tabulka 4: Intenzita slunečního záření
Čas [h] 10:42 10:57 11:07 11:13 11:28 11:43 11:58 12:00 12:15
Sluneční záření, Ic [W/m2] 331,8 331,91 354,61 354,62 354,63 354,63 354,62 334,71 334,08
1100 1000 900 800 700 600 500
Výkon [W]
400 300 200 100 0 7:12
8:24
9:36
10:48
12:00
13:12
14:24
15:36
Obrázek 7: Zobrazení nárůstu výkonu po údržbě Celková účinnost fotovoltaických panelů se zvýšila na cca 11,5 % (o 1 % ze stavu před údržbou).
52
VOL.16, NO.1, FEBRUARY 2014
Závěr
Aldebaran Bulletin. Současný stav a trendy ve vývoji fotovoltaických panelů [online]. 2010 [cit. 2013-11-13]. Dostupné z: http://www.aldebaran.cz/bulletin/2010_37_fot.php [4] Complet Energy. Fotovoltaické elektrárny [online]. 2010 [cit. 2013-12-16]. Dostupné z: http://www.completenergy.cz/modules.php?name=New s&file=article&sid=15 [5] HABROVANSKY, Tomáš. Řízení a monitorování vytápěcího a chladícího zařízení v laboratoři řídících systémů budov [online].Zlín, 2008 [cit.2013-1002].Dostupné z: http://dspace.k.utb.cz/handle/10563/ 6910. Diplomová práce. UTB Zlín. [6] Czech RE Agency. Fotovoltaický střídač [online]. [cit. 2013-11-15]. Dostupné z: http://www.czrea.org/cs/ druhy-oze/fotovoltaika/fv-stridac [7] SMA Solar Technology. FV střídače Sunny Boy 1100/1700 [online]. 2012 [cit. 2013-8-14]. Dostupné z: http://www.sma-czech.com/cs/produkty/stridace-prozapojeni-do-rozvodne-site/sunny-boy.html [8] ČSN 73 0548. Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. Praha 2: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 11.1.1985 [9] STANĚK, Kamil. Efektivní účinnost FV systému pro budovy [online]. Brno, 2011 [cit. 2013-11-02]. Dostupné: http://www.fce.vutbr.cz/veda/JUNIORSTAV2007/ pdf/Sekce_1.4/Stanek_Kamil_CL.pdf [10] Solar Liglass. Fotovoltaické solární panely [online]. 2009 [cit. 2013-12-5]. Dostupné z: http://www.solarliglass.cz/fotovoltaicke-dotazy-a-odpovedi/47-jaka-jezivotnost-fotovoltai [3]
Tato práce byla zaměřena na zjištění skutečné účinnosti fotovoltaických panelů, které slouží k napájení pokusného vytápěcího a chladícího zařízení v laboratoři techniky prostředí. Z výsledků měření vyplynulo, že účinnost fotovoltaických panelů je mnohem nižší než udává výrobce. Podle výrobce by se měl pokles účinnosti panelů vlivem stárnutí v prvních 10 letech průměrně pohybovat kolem jednoho procenta ročně. Z údajů výrobce tedy vyplývá, že po pěti letech provozu by se tedy měla účinnost pohybovat na úrovni 14,25 %. Této hodnoty se v průběhu našeho měření nepodařilo dosáhnout. Ve sledovaném období byla vypočtena účinnost kolem 10,5 %. Po provedení údržby, která spočívala zejména v odstranění nánosu prachu z jednotlivých panelů, došlo k nárůstu účinnosti cca o 1 % na celkových 11,5 %. Z naměřených hodnot vyplývá, že průměrný pokles (výkonu) fotovoltaických panelů se pohybuje kolem 4,75 % ročně.
Poděkování Tento článek vznikl za podpory Interní Grantové Agentury IGA/FAI/2013/025 a IGA/FAI/2013/039.
Literatura [1] [2]
PETERA, Jiří a Jan HEŘMAN. Fotovoltaika. [online]. 2010,[cit.2013-10-16]. Dostupné z: www.rescompass.org/IMG/pdf/Fotovoltaika.pdf KOPUNEC, Vít. Analytické metody solárních panelů a systémů [online]. Brno, 2011 [cit. 2013-11-02]. Dostuné:https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/13 44/DIPLOMOVA%20prace_V%C3%ADt_Kopunec.p df?sequence=1. Diplomová práce. VUT Brno.
53
