VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY a KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

MĚŘENÍ PROVOZNÍCH CHARAKTERISTIK FV SYSTÉMŮ

BAKALÁŘKÁ PRÁCE BATCHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE MILAN JÍLEK AUTHOR

BRNO 2012

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Silnoproudá elektrotechnika a elektroenergetika Student: Ročník:

Milan Jílek 3

ID: Akademický rok:

125236 2011/2012

NÁZEV TÉMATU:

Měření provozních charakteristik FV systémů POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: 1. Provozní vlastnosti FV systémů s využitím různých typů panelů. 2. Možnosti měření výkonnosti FV systémů. 3. Návrh měřícího systému. 4. Realizace provozního měření na různých typech panelů. 5. Vyhodnocení provedených měření a doporučení pro využití jednotlivých typů panelů. DOPORUČENÁ LITERATURA: podle pokynů vedoucího práce Termín zadání:

6.2.2012

Termín odevzdání: 25.5.2012

Vedoucí práce:

doc. Ing. Petr Mastný, Ph.D.

Konzultanti bakalářské práce: doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. Předseda oborové rady

UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření semestrální práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

Bibliografická citace práce: JÍLEK, M. Měření provozních charakteristik FV systémů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2012. 46 s. Vedoucí bakalářské práce doc. Ing. Petr Mastný, Ph.D..

Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. ……………………………

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY a KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING

MĚŘENÍ PROVOZNÍCH FV SYSTÉMŮ

CHARAKTERISTIK

MEASURING OF THE OPERATIONAL CHARACTERISTICS OF PV SYSTEMS

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE MILAN JÍLEK AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE doc. Ing. PETR MASTNÝ, Ph.D. SUPERVISOR

BRNO 2012

Abstrakt

5

ABSTRAKT Bakalářská práce pojednává o principu fotoelektrického jevu, složení fotovoltaického článku a různých typech solárních panelů. V této práci je dále zobrazen předpokládaný průběh zatěžovací charakteristiky. Jsou zde také popsány parametry ovlivňující tento průběh. V další části je popsán měřící systém, který se využívá k reálnému měření provozních charakteristik. Na konci bakalářské práce jsou uvedeny výsledky praktického měření.

KLÍČOVÁ SLOVA: Fotovoltaický článek, fotovoltaický panel, fotovoltaika, fotovoltaický jev, monokrystalické panely, polykrystalické panely, amorfní panely, provozní charakteristiky, měřící systém.

Abstract

6

ABSTRACT The bachelor's thesis deals with the principle of the photoelectric effect, the composition of the photovoltaic cell and different types of solar panels. In this project there is also displayed the expected course of the operating characteristics. There are also discussed the parameters affecting this course. In next section describes the measurement system which is used to measure real operating characteristics. At the end of bachelor's thesis are listed results of real measurement.

KEY WORDS: Photovoltaic cell, photovoltaic panel, photovoltaics, the fotovoitaic effect, monocrystalline panel, polycrystalline panel, amorphous panel, operating characteristics, measuring system.

Obsah

7

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ..................................................................................................................................9 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................10 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK.......................................................................................................11 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................12 2 FOTOVOLTAICKÝ ČLÁNEK.............................................................................................................13 2.1 FUNKCE FOTOVOLTAICKÉHO ČLÁNKU...........................................................................................13 2.2 STRUKTURA FOTOVOLTAICKÉHO ČLÁNKU ....................................................................................13 3 FOTOVOLTAICKÝ PANEL ................................................................................................................15 3.1 SLOŽENÍ FOTOVOLTAICKÉHO PANELU...........................................................................................15 3.2 TYPY PANELŮ ...................................................................................................................................16 3.2.1 MONOKRYSTALICKÝ PANEL ...................................................................................................16 3.2.2 POLYKRYSTALICKÝ PANEL .....................................................................................................16 3.2.3 AMORFNÍ PANEL .....................................................................................................................16 4 PARAMETRY FOTOVOLTAICKÝCH PANELŮ.............................................................................17 5 PROVOZNÍ CHARAKTERISTIKA FV PANELŮ.............................................................................18 6 MĚŘÍCÍ SYSTÉM ..................................................................................................................................21 6.1 FOTOVOLTAICKÉ PANELY ...............................................................................................................21 6.2 MĚŘENÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE ......................................................................................................22 6.3 MĚŘENÍ TEPLOTY ............................................................................................................................24 6.4 MĚŘENÍ SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ ........................................................................................................25 6.4.1 ČÁSTI PYRANOMETRU.............................................................................................................25 6.4.2 VLASTNOSTI PYRANOMETRU ..................................................................................................27 6.4.3 KALIBRACE .............................................................................................................................28 6.4.4 ROZMÍSTĚNÍ ČIDEL .................................................................................................................29 6.5 SBĚRAČE DAT ...................................................................................................................................30 6.5.1 HARDWAROVÁ ČÁST...............................................................................................................30 6.5.2 SOFTWAROVÁ ČÁST ................................................................................................................32 7 PRAKTICKÉ MĚŘENÍ .........................................................................................................................34 7.1 PRVNÍ MĚŘENÍ ‒ SLUNEČNÝ DEN ....................................................................................................34 7.1.1 MĚŘENÍ VÝKONU A ÚČINNOSTI ..............................................................................................35 7.1.2 MĚŘENÍ TEPLOTY ....................................................................................................................36 7.2 DRUHÉ MĚŘENÍ ‒ POLOJASNO ........................................................................................................37 7.2.1 MĚŘENÍ VÝKONU A ÚČINNOSTI ..............................................................................................38 7.2.2 MĚŘENÍ TEPLOTY ....................................................................................................................39

Obsah

8

7.3 TŘETÍ MĚŘENÍ ‒ OBLAČNO .............................................................................................................40 7.3.1 MĚŘENÍ VÝKONU A ÚČINNOSTI ..............................................................................................41 7.3.2 MĚŘENÍ TEPLOTY ....................................................................................................................42 7.4 ELEKTRICKÁ ENERGIE ....................................................................................................................43 8 ZÁVĚR.....................................................................................................................................................44 POUŽITÁ LITERATURA ........................................................................................................................45

Seznam obrázků

9

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 2-1 Struktura fotovoltaického článku.....................................................................................13 Obr. 3-1 Složení fotovoltaického panelu ........................................................................................15 Obr. 5-1 Zatěžovací charakteristika FV panelu.............................................................................18 Obr. 5-2 Závislost výstupního napětí naprázdno na intenzitě osvětlení.........................................19 Obr. 5-3 Změna provozní charakteristiky při různých hodnotách osvětlení..................................19 Obr. 5-4 Změna provozní charakteristiky při různých teplotách panelu .......................................20 Obr. 6-1 Schéma zapojení měření výkonu......................................................................................22 Obr. 6-2 Změna polohy pracovního bodu ......................................................................................23 Obr. 6-3 Výpočet pomocí průměrného výkonu...............................................................................23 Obr. 6-4 Výpočet pomocí dělení na úseky......................................................................................24 Obr. 6-5 Teplotní čidlo PT100 .......................................................................................................25 Obr. 6-6 Složení těla pyranometru .................................................................................................26 Obr. 6-7 Rozmístění snímačů u velké fotovoltaické elektrárny ......................................................29 Obr. 6-8 Rozmístění snímačů u měřícího pracoviště .....................................................................30 Obr. 6-9 Pohled na základní desku logboxu ..................................................................................31 Obr. 6-10 Schéma připojení pyranometru a teplotního čidla ........................................................31 Obr. 6-11 Prostředí programu– Config Sensor .............................................................................32 Obr. 6-12 Prostředí programu– Download data ...........................................................................33 Obr. 7-1 Dopadající sluneční záření‒ slunečno.............................................................................34 Obr. 7-2 Průběh okamžitého výkonu‒ slunečno.............................................................................35 Obr. 7-3 Průběh okamžité účinnosti ‒ slunečno ............................................................................36 Obr. 7-4 Průběh okamžité teploty ‒ slunečno ................................................................................36 Obr. 7-5 Dopadající sluneční záření‒ polojasno ...........................................................................37 Obr. 7-6 Průběh okamžitého výkonu‒ polojasno ...........................................................................38 Obr. 7-7 Průběh okamžité účinnosti‒ polojasno............................................................................39 Obr. 7-8 Průběh okamžité teploty ‒ polojasno...............................................................................39 Obr. 7-9 Dopadající sluneční záření‒ oblačno ..............................................................................40 Obr. 7-10 Průběh okamžitého výkonu‒ oblačno ............................................................................41 Obr. 7-11 Průběh okamžité účinnosti‒ oblačno.............................................................................42 Obr. 7-12 Průběh okamžité teploty‒ oblačno ................................................................................42 Obr. 7-13 Vyrobená elektrická energie..........................................................................................43

Seznam tabulek

10

SEZNAM TABULEK Tab. 4-1 Definované podmínky měření ..........................................................................................17 Tab. 6-1 Parametry polykrystalického panelu ...............................................................................21 Tab. 6-2 Parametry amorfního panelu...........................................................................................21 Tab. 6-3 Podmínky při kalibraci pyranometru...............................................................................28

Seznam symbolů a zkratek

SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK FV

-Fotovoltaický

EG

-Šířka zakázaného pásma křemíku

λ

-Vlnová délka záření

h

-Planckova konstanta (6,62606896·10-34 J·s)

c

-Rychlost světla (299 792 458 m·s-1)

Wp

-Watt-peak – jednotka výkonnosti fotovoltaického panelu

AM1.5

-Spektrum slunečního záření o energetické hodnotě 1 kW/m²

Pmax

-Maximální výkon fotovoltaického panelu

Upm

-Napětí fotovoltaického panelu, při Pmax

Ipm

-Proud fotovoltaického panelu, při Pmax

U0

-Napětí naprázdno

Ik

-Proud nakrátko

MPP

-Maximum power point – Bod maximálního výkonu

PS

-Průměrná hodnota výkonu

Δt

-Časový interval

AIN

-Analogový vstup

TČ

-Teplotní čidlo

Rp

-Průměrná hodnota osvitu (radiace)

MS

-Měřící systém

PC

-Počítač

11

1 Úvod

12

1 ÚVOD V dnešní době jsou k výrobě elektrické energie využívány z větší části neobnovitelné zdroje (uhlí, ropa, zemní plyn), které se poměrně rychle vyčerpávají a také zatěžují životní prostředí. Hlavním, ne však jediným problémem, je rostoucí množství CO2, jehož obsah v atmosféře se zvyšuje o desetiny procenta ročně. Také spotřeba elektrické energie poměrně rychle roste. Proto se začínají hojně využívat obnovitelné zdroje, do kterých patří využití biomasy (tepelné elektrárny spalující biomasu), vody (vodní elektrárny), větru (větrné elektrárny) a v neposlední řadě energie ze slunce (fotovoltaické elektrárny). Fotovoltaické elektrárny patří k nejčistším zdrojům energie a v posledních letech zaznamenaly velký rozmach. To bylo zapříčiněno především dotacemi z Evropské unie, dále také poměrně vysokými výkupními cenami energie. Práce popisuje strukturu a složení fotovoltaických panelů a jejich dělení. Dále jsou zde také rozebrány parametry a provozní charakteristiky solárních panelů i aspekty, které je ovlivňují. V druhé části bakalářské práce jsou uvedeny způsoby měření a výpočtu jednotlivých parametrů, sloužící k sestavení provozní charakteristiky solárních panelů. V poslední části je proveden rozbor hodnot naměřených v různých atmosférických podmínkách.

13

2 Fotovoltaický článek

2 FOTOVOLTAICKÝ ČLÁNEK 2.1 Funkce fotovoltaického článku Fotovoltaický článek přímo přeměňuje dopadající sluneční energii na energii elektrickou. Je to v podstatě velkoplošná fotodioda [8], která pracuje v generátorickém režimu a využívá fotoelektrický jev [1]. To znamená že PN přechod je orientován kolmo ke směru slunečního záření. Pokud má dopadající solární záření vyšší energii než je šířka zakázaného pásma, tak vzniká mezi opačnými póly článku napětí. Vznik napětí je způsobený dopadajícím zářením na polovodič typu N, který pohlcením fotonů uvolní volný elektron. Zároveň se v polovodiči typu P generuje volná díra a tak vzniká pár elektron-díra. Tyto páry se od sebe oddělují elektrickým polem, vznikajícím mezi vázanými prostorovými náboji. Šířka zakázaného pásma u fotovoltaických článků, pracujících na bázi křemíku odpovídá hodnotě EG ≈ 1,1 eV [2]. Ze vztahu (2.1) vyplývá, že fotovoltaický panel je citlivý na záření s vlnovou délkou nižší než λ ≤ 1100 nm. Tuto podmínku splňuje ultrafialové záření, viditelné záření a také část záření infračerveného.

E=

h ⋅c (J;J·s,m·s-1,m) λ

(2.1)

Kde h je Planckova konstanta, c je rychlost světla a λ je vlnová délka záření.

2.2 Struktura fotovoltaického článku

Obr. 2-1 Struktura fotovoltaického článku

Fotovoltaický článek je složen z několika základních částí [3]. Na obrázku Obr. 2-1 můžeme vidět základní uspořádání jednotlivých vrstev solárního článku. Takto byly konstruovány články na počátku jejich vzniku – na počátku padesátých let. Zde byly na povrchu umístěny kontakty

2 Fotovoltaický článek

14

odvádějící uvolněné elektrony. Ty se na povrch polovodiče nanášely pomocí využití práškové metody, nebo tam byly napařeny. Plocha těchto kontaktů byla co nejnižší z důvodu minimalizování zastínění aktivní vrstvy. Na vrchní vrstvě PN přechodu bývala nanesena antireflexní vrstva, která snižovala odrazivost povrchu a tím zvyšovala účinnost článku. Na zadní straně PN přechodu byl ještě umístěn velkoplošný kontakt. V druhé polovině osmdesátých let, byla antireflexní vrstva zdokonalena. Do textury jejího povrchu byla vyleptávána struktura miniaturních jehlanů, čímž se zvýšila pohltivost. Také při dopadu fotonu, který není v prvním průchodu skrz PN přechod pohlcen, je možnost že se odrazí od zadního velkoplošného kontaktu. Tyto fotony nemůžou vystoupit přes antireflexní vrstvu a tak jsou odrazem vráceny zpět do PN přechodu. Tím se zvyšuje pravděpodobnost pohlcení fotonů a také celková účinnost. Dalším zdokonalením byla změna technologie nanášení kontaktů. Začalo se využívat sítotiskové metody. Ta je značně levnější a také umožňuje vytvářet elektrody o nižší šířce. V dnešní době mají kontakty šířku v rozmezí mezi 150 a 200 µm, které jsou od sebe vzdáleny 3 mm.

3 Fotovoltaický panel

15

3 FOTOVOLTAICKÝ PANEL 3.1 Složení fotovoltaického panelu

Obr. 3-1 Složení fotovoltaického panelu

Vlastnosti fotovoltaických panelů, jako například účinnost a životnost, přímo závisí na kvalitě materiálu a dílenském zpracování při výrobě. Na obrázku Obr. 3-1 vidíme, že solární článek je pouze jedna z mnoha částí fotovoltaického panelu [4]. Na vrchní části panelu je použito tvrzené sklo. Jeho hlavním účelem je ochrana solárního článku před meteorologickými vlivy. Musí například odolat i silnému krupobití. Ale musí být zároveň dostatečně průzračné, aby neodráželo dopadající sluneční záření a tím nesnižovalo výkonnost celého fotovoltaického systému. Pod tímto sklem se nachází EVA folie, na kterou se umísťují sérioparalelně spojené solární články. Ty jsou znovu překryty další vrstvou folie. Je odsát přebytečný vzduch mezi foliemi a solárním článkem. Poté je celý panel zahřát nad teplotu tání EVA folie a tím se solární článek zataví mezi tvrzené sklo a zadní ochrannou laminátovou desku. Celý tento panel je poté vkládán do hliníkového rámu, na který se umísťují krabičky s vyvedenými výstupními kontakty. Do rámu je nanesen silikonový tmel, který chrání článek před pronikáním vlhkosti a různých nečistot. Zároveň je pružný a tak chrání panel před mechanickým poškozením, které může nastat při instalaci panelu. Takto sestavený panel je chráněn před všemi běžnými vlivy prostředí. Proto se životnost kvalitních krystalických fotovoltaických panelů pohybuje v rozmezí mezi 20 až 30 roky.

3 Fotovoltaický panel

16

3.2 Typy panelů V dnešní době se vyskytují na našem trhu tři základní typy fotovoltaických panelů [5]. Nejrozšířenější jsou panely založené na bázi krystalického křemíku (monokrystalické a polykrystalické). Dále se využívají panely tenkovrstvé amorfní.

3.2.1 Monokrystalický panel Nejstarší objevený solární panel je monokrystalický. Poprvé se začal sériově vyrábět v sedmdesátých letech, ale i v dnešní době je stále nejrozšířenější. Jak již jeho název napovídá, je založen na bázi monokrystalického křemíku. Ten je vyráběn v podobě ingotů, které jsou nařezány na tenké destičky (300 µm, dnes až 100 µm). Zdokonalením řezací technologie se docílilo významné úspory materiálu. Z té vyplynulo snížení ceny. Monokrystalické panely mají poměrně vysokou účinnost – až 20 % u sériové výroby. Další dobrou vlastností tohoto typu panelů je nízká plocha potřebná k vyrobení výkonu 1 kWp, která se pohybuje v rozmezí mezi 7 m2 až 9 m2. Životnost těchto panelů je 30 let. Výrobce garantuje po deseti letech 90% jmenovitého výkonu a 80% po 25 letech používání [9]. Hlavní nevýhodou je složitý výrobní proces. A z něho plynoucí vysoká pořizovací cena.

3.2.2 Polykrystalický panel Polykrystalický panel je druhý nejrozšířenější typ fotovoltaického panelu používaný na našem území. Jeho základ je polykrystalický křemík, který je stejně jako u předchozího typu, zpracováván v podobě ingotů, které jsou dále řezány na tenké destičky. Výhodou tohoto panelu je jednodušší a levnější výroba polykrystalického křemíku. S tím je spojena nižší cena výsledného panelu. Účinnost je přibližně 15%, plocha potřebná pro výrobu výkonu 1 kWp je o něco vyšší než u monokrystalického – (9 m2 až 11 m2). Životnost těchto panelů je srovnatelná s monokrystalickým typem [9].

3.2.3 Amorfní panel Amorfní panel patří do tzv. druhé generace fotovoltaických panelů. Základem je tenká vrstva amorfního křemíku nanášená na folii nebo sklo. Nanášená vrstva je 100 krát až 1000 krát slabší,než je tomu u řezaných destiček. Tím je dosaženo velké úspory použitého materiálu a tedy i nižší ceny. Účinnost těchto panelů je nižší než 10%. Plocha potřebná pro výrobu výkonu 1 kWp je cca 2,5 krát vyšší – (16 m2 až 20 m2). Proto se tento typ panelu využívá minimálně a pouze v instalacích, kde není omezena instalační plocha. Další nevýhodou je nestálost parametrů panelu. Životnost je pouze 20 let. Výrobce po deseti letech používání garantuje 90% jmenovitého výkonu a 80% po 15 letech [9]. I přes tyto nevýhody je výnos amorfního typu solárních panelů ročně o 10% vyšší než je tomu u ostatních typů. To je zapříčiněno hlavně lepší schopností využívání rozptýleného (difúzního) záření. Nerozhoduje proto umístění, nebo zastínění aktivní plochy fotovoltaického panelu.

17

4 Parametry fotovoltaických panelů

4 PARAMETRY FOTOVOLTAICKÝCH PANELŮ Ve fotovoltaice se setkáváme s parametry, které charakterizují vlastnosti jednotlivých panelů. Jsou jimi hlavně účinnost a výkonnost. Účinnost udává, jak efektivně fotovoltaický článek přeměňuje dopadající sluneční záření na elektrickou energii‒ rovnice (4.1). η=

P ⋅100 (%;W,W·m-2) R

(4.1)

Kde η je účinnost přeměny elektrické energie, P je výkon dodávaný fotovoltaickým panelem a R je hodnota dopadajícího záření. Výkonnost je charakteristická veličina, která říká, jaký skutečný výkon je možné z fotovoltaického panelu získat. Tato veličina je udávána v jednotkách Wp (watt-peak) [6]. Výkon velice závisí na podmínkách ve kterých je panel používán, zejména na teplotě a úhlu dopadu slunečního záření. Aby se jednotlivé panely mohly porovnávat, udávají výrobci výkonnost jednotlivých panelů při definovaných podmínkách. Tab. 4-1 Definované podmínky měření

Teplota

25°C

Výkonová hustota slunečního záření

1000 W·m-2

Spektrum dopadajícího záření

AM1.5

V praxi však bývá výkonnost článku nižší, protože tyto podmínky nejsou splněny.

5 Provozní charakteristika FV panelů

18

5 PROVOZNÍ CHARAKTERISTIKA FV PANELŮ Zatěžovací charakteristika je závislost hlavních provozních veličin fotovoltaického panelu. Hlavní provozní charakteristiky panelu jsou napětí a proud, dodávaný solárním panelem. Na této volt-ampérové charakteristice– Obr. 5-1 je několik důležitých veličin [10]. První z nich je napětí naprázdno U0, které udává maximální výstupní napětí tj. při nepřipojené zátěži (odpor zátěže je nekonečný, odebíraný proud je nulový). Další veličina je proud nakrátko. Ten udává maximální výstupní proud panelu při zkratu (odpor zátěže je nulový, dodávané napětí je nulové).

Obr. 5-1 Zatěžovací charakteristika FV panelu

V uvedené charakteristice je zobrazen i průběh výkonu dodávaný panelem, který má maximální hodnotu v bodě Pmax. V tomto bodě (při odpovídajícím napětí a proudu) je v ideálním případě solární panel provozován. Maximálního dodávaného výkonu však není možno vždy dosáhnout. Průběh provozní charakteristiky závisí na několika parametrech. Prvním z nich je intenzita osvětlení fotovoltaického panelu. Jak můžeme vidět na Obr. 5-2 tak napětí naprázdno logaritmicky roste se zvyšujícím se osvětlením.


19

Obr. 5-2 Závislost výstupního napětí naprázdno na intenzitě osvětlení

Změnu průběhu volt-ampérové charakteristiky můžeme vidět na Obr. 5-3. Zde je fotovoltaický panel ozařován třemi různými intenzitami světla při konstantní teplotě. Z této charakteristiky je patné, že se vzrůstající intenzitou dopadajícího záření na zatížený panel, roste výrazně proud dodávaný do zátěže a tím i celkový dodávaný výkon.

Obr. 5-3 Změna provozní charakteristiky při různých hodnotách osvětlení

Dalším důležitým parametrem, který ovlivňuje průběh zátěžové charakteristiky solárního panelu, je jeho teplota. Na Obr. 5-4 je zobrazena závislost změny volt-ampérové charakteristiky při konstantním osvětlení a různých hodnotách teploty fotovoltaického panelu. Z této závislosti vyplývá, že se vzrůstající teplotou se snižuje výstupní napětí panelu. To mění posun pracovního bodu a snížení dodávaného výkonu. Jelikož se tento jev vyskytuje při slunečném počasí (nejvyšší intenzitě slunečního záření), může být ztráta dosažené výroby až 75%.


Obr. 5-4 Změna provozní charakteristiky při různých teplotách panelu

20

21

6 Měřící systém

6 MĚŘÍCÍ SYSTÉM Při měření provozních charakteristik musí MS zaznamenávat několik základních parametrů. V první řadě to je napětí a proud dodávaný fotovoltaickým panelem a také okamžitá intenzita dopadajícího slunečního záření. Dále pak je třeba měřit teplotu panelu a vzduchu, protože jak víme, okamžitý dodávaný výkon je také závislý na těchto parametrech. Pro úplnost mohou být zaznamenávány další atmosférické vlivy, jako například rychlost větru. Všechny tyto údaje pak putují přes sběrač dat, nebo měřící kartu do počítače, kde mohou být dále zpracovány.

6.1 Fotovoltaické panely Pro měření byly vybrány dva typy fotovoltaických panelů. Oba byly umístěny ve vodorovné pozici. Prvním z nich je polykrystalický panel značky Suntech, typ STP200-18/Ud [19]. Parametry tohoto panelu udávané výrobcem jsou uvedeny v tabulce Tab. 6-1. Rozměry tohoto panelu jsou 1482 x 992 (mm). Tab. 6-1 Parametry polykrystalického panelu

Typ panelu

STP-10/Ud

Maximální výkon

Pmax= 200 W

Tolerance výkonu

±3%

Napětí při Pmax

Upm= 26,2 V

Proud při Pmax

Ipm= 7,63 A

Napětí naprázdno

U0= 33,4 V

Proud nakrátko

Ik= 8,12 A

Druhým je tenkostěnný amorfní panel od firmy RAYO, konkrétně typ RSP-1-68 [20]. Tento panel však nebyl instalován na dodávané nosné konstrukci. Tím byly zajištěny stejné podmínky měření pro oba panely, tj. umístění s 0° náklonem. Parametry amorfního panelu jsou uvedeny v tabulce Tab. 6-2. Rozměry tohoto panelu jsou 2885 x 443 (mm). Tab. 6-2 Parametry amorfního panelu

Typ panelu

RSP-1-68

Maximální výkon

Pmax= 68 W

Tolerance výkonu

±5%

Napětí při Pmax

Upm= 16,5 V

Proud při Pmax

Ipm= 4,13 A

Napětí naprázdno

U0= 21,1 V

Proud nakrátko

Ik= 5,1 A

22


6.2 Měření elektrické energie Napětí a proud dodávaný fotovoltaickým panelem je základní parametr, který nás zajímá při měření provozních charakteristik. Z rovnice (6.1) vyplývá, že hodnotu okamžitého výkonu získáme součinem okamžitých hodnot napětí a proudu.

p(t ) = u (t ) ⋅ i (t ) (W;V,A)

(6.1)

Kde p(t) je okamžitý výkon, u(t) je okamžité napětí a i(t) je okamžitý proud. Pro měření napětí a proudu, který produkuje fotovoltaický panel jsme použili multimetry od firmy Appa‒ konkrétně typ 109N [21]. Tyto přístroje byly nastaveny tak, aby ukládaly do paměti sledované veličiny každých 5 minut. Po ukončení měření naměřené hodnoty byly nahrány do PC, kde se dále zpracovaly. Zapojení těchto přístrojů je zobrazena na obrázku Obr. 6-1.

Obr. 6-1 Schéma zapojení měření výkonu

Jako zátěž byly použity rezistory od firmy Metra Blansko, o velikosti R= 9,2 Ω pro tenkostěnný amorfní panel. Pro polykrystalický panel byla použita hodnota odporu R= 5,53 Ω. Hodnota odporu použitého, jako zátěž polykrystalického panelu není optimální. Tento rezistor byl volen v podmínkách, kdy při této hodnotě rezistoru, jsme se blížili bodu maximálního výkonu. V podmínkách, které byly při vlastním měření, jsme však bod maximálního výkonu opustili a posunuli jsme se do bodu P1. To je zobrazeno na obrázku Obr. 6-2. V praxi tento problém řeší samotné střídače, které obsahují tzv. MPP tracker [18], což je zařízení sloužící ke sledování maximálního výkonu. Tento elektronický obvod v závislosti na aktuálních vnějších podmínkách mění zatížení solárního panelu.

23


Obr. 6-2 Změna polohy pracovního bodu

Z okamžitého výkonu lze několika způsoby spočítat vyrobenou elektrickou energii. Nejjednodušší způsob je provést aritmetický průměr PS jednotlivých okamžitých výkonů p(t) – rovnice (6.2), který je násoben celkovým časem tC – rovnice (6.3). Celková vyrobená elektrická energie E je vyjádřena pomocí rovnice (6.4). PS =

1 n ∑ pi(t) (W;–,W) n i =1

(6.2)

t C = n ⋅ Δt (s; –,s)

(6.3)

E = PS ⋅ t C (W·s;W,s)

(6.4)

Kde n je počet měření a Δt je doba mezi jednotlivým měřením. Tento způsob výpočtu je znázorněn na obrázku Obr. 6-3. Vyrobená elektrická energie odpovídá obsahu plochy pod křivkou. Tu nahradíme jedním obdelníkem o výšce průměrného výkonu a šířce celkové doby měření.

Obr. 6-3 Výpočet pomocí průměrného výkonu

24


Při dalším způsobu výpočtu se předpokládá, že naměřený okamžitý výkon působí po dobu Δt, která je konstantní. Po uplynutí této doby se skokově mění výkon na další naměřenou hodnotu. Součinem doby Δt a okamžitého výkonu, získáme hodnotu elektrické energie vyrobenou za časový úsek Δt –rovnice (6.5). Celková elektrická energie odpovídá součtu dílčích energií –rovnice (6.6). E n = Pn ⋅ Δt (W·s;W,s) n

E = ∑ E i (W·s;W·s)

(6.5)

(6.6)

i =1

Tento princip výpočtu je zobrazen na Obr. 6-4. V tomto způsobu výpočtu nahrazujeme křivku větším počtem obdelníků, které odpovídají vyrobené elektrické energii za časový úsek Δt. Z obrázku je patrné, že se vzrůstajícím počtem vzorků (obdelníků), je výpočet přesnější. Ideální případ nastane, když počet vzorků se bude limitně blížit nekonečnu –rovnice (6.7). n

E = lim ∑ E i (W·s;W·s) n →∞

(6.7)

i =1

Obr. 6-4 Výpočet pomocí dělení na úseky

6.3 Měření teploty Změna teploty povrchu fotovoltaického panelu přímo ovlivňuje jeho elektrické vlastnosti. Se vzrůstající teplotou klesá generované napětí. Jeho důsledkem je posun pracovního bodu. Solární panel tak nedodává maximální výkon. To se projevuje snížením výroby elektrické energie. Teplotu můžeme snímat čidlem integrovaným ve vlastním těle pyranometru, nebo použít externí snímač, který se může umístit kamkoliv. Používají se teplotní čidla měnící odpor v závislosti na teplotě (termistory) [12]. Podle toho, zda se vzrůstající teplotou roste či klesá odpor součástky, dělí se termistory na dva základní typy– negastory a pozistory.


25

Při našem měření jsme použili teplotní čidlo PT100 firmy ELKO EP [23], které je zobrazeno na Obr. 6-5. Tento termistor se řadí mezi pozistory, tzn. že jeho elektrický odpor se se vzrůstající teplotou zvyšuje [11]. Toto čidlo má při nulové teplotě odpor 100 Ω [13]. Byl použit hlavně z důvodu kompatibility se sběračem dat– logbox SD. Hodnoty získané z dataloggeru jsou už přepočítané na hodnotu ve stupních celsia.

Obr. 6-5 Teplotní čidlo PT100

Snímač jsme umístili na zadní stranu fotovoltaického panelu, abychom zabránili ohřevu přímím dopadajícím zářením. Pro měření teploty okolního vzduchu byl použit multimetr Agilent U1251A [22].

6.4 Měření slunečního záření Pro měření přímého dopadajícího slunečního záření se využívá měřící systém, složený ze snímače (pyranometru) a sběrače dat (dataloggeru). Měření rozptýleného (difúzního) záření se realizuje přidáním druhého snímače na spodní stranu fotovoltaického panelu. V našem případě jsme použili produkty nizozemské firmy Kipp & Zonen, která se přímo specializuje na výrobu přístrojů měřící solární záření a celkově měření atmosférických jevů. Pyranometry jsou snímače, které přímo měří dopadající sluneční záření. Jejich funkce je založena na zahřívání pasivního, teplotně citlivého prvku– termočlánku. Dopadající záření je pohlcováno v černém tělese, které se působením tohoto vlivu zahřívá a vniklé teplo je odváděno přes tepelný odpor do těla pyranometru. Rozdíl teplot na tepelném odporu je pak konvertován na napětí. Toto napětí je lineární závislostí dopadajícího slunečního záření. V našem měření jsme použili snímač Kipp & Zonen CMP 21 [16].

6.4.1 Části pyranometru Pyranometry se skládají z několika hlavních částí. Je to krycí kopule, snímací prvek, vysoušecí systém a krytí. Schéma uložení je zobrazeno na obrázku Obr. 6-6 [16].


26

Obr. 6-6 Složení těla pyranometru

6.4.1.1 Kopule Působení větru, deště a jiných atmosférických vlivů může snadno ovlivnit teplotu snímacího prvku a tím i celého měření. Aby se zamezilo teplotnímu úniku, používají se takzvané krycí kopule. Jsou vyrobeny ze speciálního materiálu, který má propustit maximální množství dopadajícího záření. Výrobce uvádí, že 97 až 98% [16] spektra slunečního záření, je propuštěno skrz kopule a pohlceno snímačem. Sluneční záření může dopadat na pyranometr z různých směrů. Proto jsou kopule navrhovány tak, aby minimalizovaly chybu měření ve všech úhlech dopadajícího záření.

6.4.1.2 Detektor Detektor je založen na principu termoelektrického jevu, kde jsou vodivě spojeny dva různorodé kovy. Toto spojení je nazýváno aktivní část termočlánku. Při zahřívání této části snímače, vůči referenční teplotě, vzniká elektrický potenciál [14]. Ten je měřitelný na opačných koncích kovů. Vzniklé napětí se pohybuje řádově v desítkách mikrovoltů‒ je závislé na použitých materiálech a teplotě spojení. Jelikož je výstupní napětí z jednoho spojení velice malé, je detektor složen z velkého počtu termočlánků, které jsou vzájemně sériově spojeny. Povrch snímače má velmi drsný povrch. Je navržen tak, aby co nejvíce pohlcoval dopadající sluneční záření. Obsahuje velký počet miniaturních dutin, které pohlcují více než 97% záření. Povrch je také natřen speciální černou barvou, která musí odolat všem meteorologickým podmínkám po velmi dlouhou dobu. V důsledku dopadání slunečního záření se zahřívá aktivní část termočlánku. Jako referenční „studenou“ část termočlánku je zde bráno vlastní tělo pyranometru, které je proti nežádoucímu zahřívání chráněno krytím. Citlivost každého termočlánku se liší. Proto každý pyranometr má specifickou kalibrační konstantu.


27

6.4.1.3 Krytí Ochranný kryt je důležitou součástí pyranometru, protože chrání všechny důležité části snímacího systému před mechanickým poškozením. Také chrání „studenou“ část snímače před dalším ohříváním, které by přinášelo chybu v měření rozdílu teploty a tím i celého měření. Kryt je vytvořen z anodizovaného hliníku, který je velmi lehký a má velkou mechanickou a tepelnou stabilitu.

6.4.1.4 Vysoušecí kazeta Abychom zaručili správnou funkci měřícího systému, musíme zamezit vzniku vlhkosti do vnitřní části pyranometru. Případná vlhkost může způsobit ochlazování snímacího prvku, nebo ovlivňovat propustnost krycích kopulí. Proto je v těle pyranometru umístěna výměnná vysoušecí kazeta. Ta obsahuje silica-gel kuličky. Ty v sobě vážou přebytečnou vlhkost. Kuličky v nové kazetě mají oranžové zabarvení, ale po určité době používání se stanou průhlednými. To signalizuje, že je potřeba kazetu vyměnit za novou.

6.4.2 Vlastnosti pyranometru Každý měřící systém má soubor vlastností, které ovlivňují jeho funkci, přesnost, nebo rychlost měření.

6.4.2.1 Spektrální rozsah Spektrální rozsah slunečního záření, který dopadá na povrch Země je v rozmezí mezi 280 nm a 4000 nm. Tento rozsah zahrnuje ultrafialové (méně než 400 nm), viditelné (400 až 750 nm) i infračervené záření (více než 750 nm) [15]. Pyranometr CMP 21 je schopen snímat záření vlnové délky od 285 nm do 2800 nm. Může se zdát, že tento snímač nepokryje dostatečně celý rozsah dopadajícího záření. Se vzrůstající vlnovou délkou ale klesá energie paprsku. Proto i přes tento „poměrně malý“ spektrální rozsah pyranometru, je 97-98% dopadajícího výkonu záření pohlceno aktivní částí snímače.

6.4.2.2 Citlivost Citlivost systému je obecně velikost odezvy snímače na jednotkovou změnu snímané veličiny, v našem případě dopadajícího výkonu. Ta je hlavně stanovena fyzikálními vlastnostmi snímače. Uplatňuje se tepelná vodivost spojení materiálu termočlánku, nebo celková velikost snímače. u našeho snímače se citlivost pohybuje v rozmezí od 7 µV·W-1·m-2 do 14 µV·W-1·m-2.

6.4.2.3 Doba odezvy Pyranometry potřebují určitý čas, aby byly schopny zaznamenat změnu měřené veličiny. Tento čas je nazýván doba odezvy. Je charakterizován jako doba, za kterou výstup snímače ukáže určitou část nominální hodnoty. Zpoždění je způsobeno vlastním principem funkce snímače, kde se musí čekat, až se aktivní část detektoru zahřeje, popřípadě vychladne. Snímač CMP 21 má tuto dobu 5 sekund a je určena při náběhu do 95% výsledné hodnoty ozáření.


28

6.4.2.4 Chyba určení nuly Tato chyba je způsobena tepelnou výměnou mezi vzduchem a krycí kopulí. Za určitých podmínek může krycí kopule odevzdávat část tepelné energie do atmosféry, která je chladnější. To zapříčiní její ochlazování a stává se chladnější než je zbytek těla pyranometru. Rozdíl teplot mezi snímačem a krytím může generovat chybové záporné napětí. Tato vlastnost se minimalizuje použitím druhé krycí kopule. Chyba měření způsobená chybným určením nuly je v našem případě nižší než 7 W·m-2.

6.4.2.5 Další parametry snímače Ostatní parametry, které je potřeba zmínit, přímo závisí s fyzikálními vlastnostmi jednotlivých částí pyranometru. V první řadě to je operační teplota, která je -40 °C až + 80 °C. V tomto rozmezí teploty je měření přesné a hlavně bezpečné. Příliš vysoké, nebo naopak nízké teploty by mohly způsobit poškození určitých částí přístroje. Parametr, který podstatně ovlivňuje výsledné měření je chyba způsobená úhlem dopadu slunečního záření. Ta je přímo závislá na konstrukci a velikosti krycích kopulí. Tato chyba je nižší než 10W·m-2. Stejně tak úhel snímané plochy, kterou je schopen pyranometr pokrýt. Ten je v našem případě 180°. Maximální ozáření 4000 W·m-2 je maximální intenzita výkonu, kterou je pyranometr schopen měřit. Při vyšší intenzitě dopadajícího slunečního záření by zvýšení teploty mohlo způsobit mechanické poškození pyranometru. Této intenzity však není možno ve standardních podmínkách dosáhnout.

6.4.3 Kalibrace Snímač v každém pyranometru je unikátní a vytváří různé výstupní napětí. Proto se u každého vyrobeného kusu musí stanovit kalibrační konstanta, která je nazývána citlivost. Kalibrace probíhá ve specializované laboratoři porovnáváním s referenčním pyranometrem. Měření pyranometrů firmy Kipp & Zonen, který jsme použili, se provádí za přesně stanovených konstantních podmínek. Tab. 6-3 Podmínky při kalibraci pyranometru

Okolní teplota +20 °C Intenzita dopadajícího záření 500 W·m-2 Měření ve vodorovné a odkloněné pozici. Aby se minimalizovaly chyby měření způsobené ztrátami odrazem světla od okolních zdí a operátora, je světlo zaměřeno pouze na měřený a referenční přístroj. Pyranometry byly umístěny vedle sebe na otočném stole aby se mohla měnit jejich pozice. Ta se mění z důvodu možné nerovnoměrné intenzity osvětlení, které je způsobeno asymetrií optiky lampy. Zdroj světla je umístěn v centru osy otáčení stolu.

29


Z naměřených hodnot se výsledná citlivost zkoušeného pyranometru spočte ze vztahu: Sa =

A + A' ⋅ S b (μV·W-1·m-2; Wp, Wp, Wp, Wp, μV·W-1·m-2) B + B'

(6.8)

Kde: Sa je citlivost zkoušeného pyranometru při teplotě 20 °C. A je naměřená hodnota zkoušeného pyranometru v pozici 1 A’ je naměřená hodnota zkoušeného pyranometru v pozici 2 B je naměřená hodnota referenčního pyranometru v pozici 1 B’ je naměřená hodnota referenčního pyranometru v pozici 2 Sb je citlivost referenčního pyranometru při teplotě 20 °C Výsledná hodnota citlivosti je uvedena na těle každého přístroje.

6.4.4 Rozmístění čidel Při měření rozlehlejší fotovoltaické elektrárny musíme počítat s určitými vlivy, které mohou ovlivňovat měření. Nejproblematičtější vliv je zastínění pouze určité části plochy elektrárny, způsobený pohybem oblačnosti v průběhu dne. Pouze jeden snímač by mohl být buď úplně zastíněn, nebo plně osvětlen. To by ale neodpovídalo aktuálnímu osvitu celé plochy fotovoltaické elektrárny. Proto se pro měření dopadajícího slunečního záření používá měřící systém, skládající se ze tří pyranometrů, které jsou rozmístěny podle Obr. 6-7.

Obr. 6-7 Rozmístění snímačů u velké fotovoltaické elektrárny Toto rozmístění nám umožňuje kompenzovat výše uvedené nepřesnosti. Z naměřených hodnot jednotlivých snímačů, podle rovnice (6.9), spočteme aritmetický průměr dopadajícího záření Rp, který odpovídá průměrné hodnotě osvitu plochy fotovoltaické výrobny. Dva z těchto snímačů (P1, P2) jsou instalovány pouze pro měření provozních charakteristik. Zbývající pyranometr (Pref), tzv. referenční, je instalován permanentně a slouží provozovateli fotovoltaické elektrárny k orientačnímu měření dopadajícího záření při běžném provozu.

30


Rp =

R 1 + R 2 + R ref (W·m-2; W·m-2, W·m-2, W·m-2) 3

(6.9)

Kde Rp je průměrná hodnota osvitu, R1, R2, Rref jsou hodnoty dopadajícího záření naměřené jednotlivými snímači. Jelikož je naše pracoviště umístěno na malé ploše, zvolili jsme pouze dva pyranometry. Z těchto snímačů jsme provedli výpočet aritmetického průměru podle rovnice (6.10), abychom zachovali způsob měření. Rp =

R1 + R 2 (W·m-2; W·m-2, W·m-2) 2

(6.10)

Umístění měřících snímačů, které bylo použito ve vlastním měření je zobrazeno na Obr. 6-8.

Obr. 6-8 Rozmístění snímačů u měřícího pracoviště

6.5 Sběrače dat Naměřená data z pyranometru popř. ze snímače teploty je potřeba ukládat. K tomu slouží úložiště dat – takzvané dataloggery. V našem případě jsme použili produkt firmy Kipp&Zonen, konkrétně model LOGBOX SD [17]. Zaznamenávací systém je složen ze dvou základních částí– hardwarové a softwarové.

6.5.1 Hardwarová část Do těla dataloggeru jsou kabelem přiváděny informace z pyranometru popř. teplotního čidla. Ty jsou ukládány do integrované paměti, nebo na externí SD kartu. Hardwarová část je tedy složena z několika částí, které jsou zobrazeny na Obr. 6-9. Pomocí několika jumperů a spínačů je možno měnit základní nastavení dataloggeru. Jumper TČ se zapojuje, pokud měříme teplotu pomocí externího teplotního čidla PT100. Uspávací spínač přepíná datalogger do režimu spánku. Tento režim se používá při přenosu dat, nebo pro úsporu baterie, když není datalogger v provozu. Zapojením resetovacího jumperu vyvoláme reset zařízení. Indikační jumper aktivuje LED diodu, která upozorňuje na přenos dat. Spínačem sériové linky se mění používaný typ komunikace se sériovou linkou mezi RS232 a RS485.


31

Obr. 6-9 Pohled na základní desku logboxu Na základní desce je ještě několik konektorů, které přestavují analogové a digitální vstupy pro připojení zařízení, nebo pro komunikaci s počítačem. Je zde také lithiová 3V baterie, která slouží jako napájení vnitřních hodin logboxu. Poslední významnou částí je slot na paměťovou SD kartu, na kterou jsou ukládána data. Samotný pyranometr se připojuje přímo mezi jednotlivé analogové vstupy (např. mezi AIN5 a AIN6). Připojení pyranometru a teplotního čidla je složitější a je zobrazeno na obrázku Obr. 6-10. Z tohoto obrázku je patrné, že mimo snímacích prvků (pyranometru a teplotního čidla) je potřeba zapojit i rezistor o hodnotě 100 Ω. Abychom toto zapojení mohli použít, tak jumper TČ musí být připojen.

Obr. 6-10 Schéma připojení pyranometru a teplotního čidla

32


6.5.2 Softwarová část Aby LOGBOX SD správně zaznamenával naměřená data, musí se nakonfigurovat některé vnitřní proměnné dataloggeru. K tomuto nastavení se používá program dodávaný výrobcem. Tento program dále slouží k přenosu naměřených dat mezi dataloggerem a počítačem.

Obr. 6-11 Prostředí programu– Config Sensor Na obrázku Obr. 6-11 je zobrazeno prostředí programu, kde se nastavují analogové a digitální vstupy. Výběrem čidla program automaticky nastaví jeho parametry. Vzhledem k tomu, že každý snímač obsahuje čidlo, které má jedinečné vlastnosti, musí se nastavit koeficient, který se spočte pomocí vzorce : A1 =

1000 (–;–,μV·W-1·m-2) s

(6.11)

Kde A1 je výsledný koeficient, s je citlivost uvedená na těle pyranometru. V tomto okně se nastavují i další parametry, jako například intervaly a způsob zápisu, rychlost komunikace sérové linky a další parametry. Dále jsou zde dvě velká tlačítka, která slouží k nahrávání nastavení do paměti dataloggeru, nebo získání již uložených hodnot nastavení. Na obrázku Obr. 6-12 je zobrazeno další okno, které se zobrazí po kliknutí na ikonu. Ta je vyznačena červeným čtvercem. Pro přechod na tuto obrazovku můžeme také použít menu‒ View/Download. Tato obrazovka slouží k nastavení vnitřních hodin dataloggeru a také stahování naměřených hodnot do počítače, které se provádí stisknutím tlačítka Get Value a následným stiskem tlačítka Download. Naměřené hodnoty jsou ukládány ve formátu Microsoft Excel (.xls).


Obr. 6-12 Prostředí programu– Download data

33

34

7 Praktické měření

7 PRAKTICKÉ MĚŘENÍ Měření probíhalo na střeše průchodu mezi budovami Technická 2 - A3 a Technická 8. Měření byla uskutečněna tři ‒ každé za jiných atmosférických podmínek. Cílem tohoto měření bylo porovnat chování jednotlivých typů fotovoltaických panelů při různých atmosférických podmínkách.

7.1 První měření ‒ Slunečný den Toto měření bylo prováděno ve středu 18.4.2012. Bylo slunečné počasí, bez oblačnosti. Naměřený časový průběh dopadajícího slunečního záření je vykreslen na obrázku Obr. 7-1. Zde jsou zobrazena data z obou měřících pyranometrů (R1 a R2) a také jejich aritmetický průměr (Rp). Je patrné, že křivky jsou bez žádného vyššího výkyvu, způsobený zastíněním. 1000 900 800

-2

R [W•m ]

700 600 500 400 300 200 100 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

t [min] R1

R2

Rp

Obr. 7-1 Dopadající sluneční záření‒ slunečno V dalších charakteristikách je pak vždy použita průměrná hodnota dopadajícího sluněného záření Rp.

35


7.1.1 Měření výkonu a účinnosti Na obrázku Obr. 7-2 je vykreslena závislost dopadajícího slunečního záření a dodávaného výkonu fotovoltaického polykrystalického a amorfního panelu. 100

900

90

800

80

700

70

600

60

500

50

400

40

300

30

200

20

100

10

0

P [W]

-2

R [W•m ]

1000

0

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

t [min] Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Obr. 7-2 Průběh okamžitého výkonu‒ slunečno Výkon polykrystalického panelu roste se vzrůstajícím dopadajícím zářením. Způsobuje to průběh účinnosti, která má téměř shodný průběh jako dopadající sluneční záření. Ten je zobrazen na obrázku Obr. 7-3. Maximální účinnost tohoto panelu se pohybuje kolem 8 %, což je výrazně nižší hodnota, než je předpokládaná. To je zapříčiněno nastavením zátěže, jak je uvedeno v kapitole 6.2. Okamžitý výkon amorfního panelu není téměř závislý na okamžité intenzitě dopadajícího slunečního záření. To je způsobeno závislostí účinnosti přeměny elektrické energie, na osvitu amorfního panelu. Je patrné, že efektivita přeměny elektrické energie je nepřímo úměrná dopadajícímu záření.

36

1000

10

900

9

800

8

700

7

600

6

500

5

400

4

300

3

200

2

100

1

0 0

50

100

150

200

250

300

350

µ [%]

-2

R [W•m ]


0 450

400

t [min] Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Obr. 7-3 Průběh okamžité účinnosti ‒ slunečno

7.1.2 Měření teploty Závislost teploty povrchu polykrystalického fotovoltaického panelu a okamžité hodnoty osvitu je zobrazen na obrázku Obr. 7-4. Je zde přidán také průběh okolní teploty vzduchu, který je však téměř lineární. Průběh teploty panelu odpovídá průběhu osvitu, pouze pomaleji klesá. Průběh teploty povrchu amorfního fotovoltaického panelu opět kopíruje průběh aktuálního osvitu. Na rozdíl od polykrystalického panelu teplota rychleji klesá. Je to zapříčiněno umístěním tohoto panelu. Ten se přímo dotýká celou svou plochou povrchu střechy, což umožňuje rychlejší přestup tepla do okolí. Polykrystalický panelu má mezi vlastní plochou panelu a povrchem střechy cca 2 cm mezeru‒ teplo je tak odváděno pouze do okolního vzduchu. 60

1000 900

50

800

40

600 500

30

400

20

300 200

10

100 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 450

t [min]

Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Teplota vzduchu

Obr. 7-4 Průběh okamžité teploty ‒ slunečno

ϑ [°C]

R [W•m -2]

700

37


7.2 Druhé měření ‒ Polojasno Měření bylo provedeno ve středu 9.5.2012. Jednalo se o doplňkové měření, které probíhalo pouze půl dne (od 13:00). Bylo polojasné počasí. To se projevilo na charakteristice dopadajícího slunečního záření‒ Obr. 7-5. Ta má klesající tvar (jak tomu bylo i za slunečného počasí v těchto hodinách), ale je však více zvlněna. Zapříčinilo to zastínění snímačů, způsobené procházející oblačností. Jsou zde opět zobrazeny průběhy intenzity slunečního záření zaznamenané jednotlivými snímači (R1 a R2) a také aritmetický průběh těchto hodnot (Rp). 1000 900 800

-2

R [W•m ]

700 600 500 400 300 200 100 0 0

50

100

150

200

250

t [min] R1

R2

Rp

Obr. 7-5 Dopadající sluneční záření‒ polojasno V následujících charakteristikách je vždy použita průměrná hodnota intenzity dopadajícího slunečního záření Rp.

38


7.2.1 Měření výkonu a účinnosti Na obrázku Obr. 7-6 je zobrazena závislost dopadajícího slunečního záření a dodávaného výkonu fotovoltaického amorfního panelu na čase. 120

1000,00 900,00

100

800,00

80

600,00 60

500,00

P [W]

-2

R [W•m ]

700,00

400,00 40

300,00 200,00

20

100,00 0,00 0

50

100

150

200

0 250

t [min] Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Obr. 7-6 Průběh okamžitého výkonu‒ polojasno Průběh výkonu polykrystalického panelu při těchto podmínkách už nekopíruje tak přesně křivku intenzity dopadajícího slunečního záření. Jelikož vykreslená intenzita dopadajícího slunečního záření je průměrná hodnota, nemusí přesně odpovídat opravdovému osvitu povrchu solárního panelu. Proto také průběh účinnosti tohoto panelu‒ Obr. 7-7 odpovídá pouze přibližně průběhu průměrného dopadajícího záření. Výkon, který dodává amorfní panel je téměř konstantní. Až při vysokých změnách osvětlení se výkon mění. Účinnost tohoto panelu je opět nepřímo závislá na intenzitě záření, stejně jako tomu bylo u prvního měření (ve slunečný den).

39


1000,00 14

900,00 800,00

12 10

600,00 8

500,00 400,00

µ [%]

-2

R [W•m ]

700,00

6

300,00

4

200,00 2

100,00 0,00 0

50

100

150

0 250

200

t [min] Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Obr. 7-7 Průběh okamžité účinnosti‒ polojasno

7.2.2 Měření teploty Průběh teploty povrchu panelů v závislosti na hodnotě dopadajícího slunečního záření je zobrazen na obrázku Obr. 7-8. Tvar křivek jednotlivých typů panelů je velice podobný, pouze teplota polykrystalického panelu je cca o dva stupně celsia vyšší. Teplota okolního vzduchu je konstantní na hodnotě 20 °C. 1000

60

900 50

800

40

600 500

30

400 20

300 200

10

100 0 0

50

100

150

200

0 250

t [min] Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Obr. 7-8 Průběh okamžité teploty ‒ polojasno

Teplota vzduchu

ϑ [°C]

-2

R [W•m ]

700

40


7.3 Třetí měření ‒ Oblačno Třetí měření probíhalo dne 16.5. 2012, při oblačném počasí. Charakteristika Obr. 7-9 zobrazuje průběh dopadajícího slunečního záření měřeného jednotlivými pyranometry (průběhy R1, R2). Červeně je zde vykreslen aritmetický průměr těchto hodnot (Rp). Hodnoty naměřené jednotlivými snímači se téměř neliší, měří pouze rozptýlené (difúzní) záření. Tvar naměřené křivky je náhodný, závislý pouze na parametrech oblačnosti (její hustotě, tloušťce apod.), které ovlivňují propustnost slunečního záření. 450 400 350

-2

R [W•m ]

300 250 200 150 100 50 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

t [min] R1

R2

Rp

Obr. 7-9 Dopadající sluneční záření‒ oblačno V dalších charakteristikách je opět použita průměrná hodnota intenzity slunečního záření.

41


7.3.1 Měření výkonu a účinnosti Na obrázku Obr. 7-10 je vykreslena závislost dopadajícího slunečního záření a dodávaného výkonu fotovoltaického polykrystalického a amorfního panelu. 60

500 450

50

400

40

300 250

30

P [W]

-2

R [W•m ]

350

200 20

150 100

10

50 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 450

t [min] Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Obr. 7-10 Průběh okamžitého výkonu‒ oblačno Výkon polykrystalického panelu opět téměř přesně kopíruje tvar průběhu dopadajícího záření. Už se zde nevyskytují nepřesnosti způsobené různou intenzitou záření dopadající na jednotlivé snímače. Účinnost tohoto panelu (Obr. 7-11) je při takovýchto podmínkách velmi nízká (do 4,5 %) a má také stejný tvar průběhu jako osvit. Také průběh dodávaného výkonu amorfního panelu značně závisí na intenzitě slunečního záření. Při takto nízké intenzitě osvětlení dodává panel přibližně stejný výkon‒ i když je jeho instalovaný výkon přibližně třikrát nižší. To potvrzuje předpoklad, že amorfní panel je schopný lépe využívat difúzní záření. Křivka účinnosti tohoto panelu má přibližně stejný tvar, jako charakteristika osvitu, je však v průměru o 1,5 % vyšší, než u polykrystalického panelu.

R [W•m-2]

500

10

450

9

400

8

350

7

300

6

250

5

200

4

150

3

100

2

50

1

0 0

50

100

150

200

250

300

350

µ [%]

42


0 450

400

t [min] Osvit

Amorfní

Polykrystalický

Obr. 7-11 Průběh okamžité účinnosti‒ oblačno

7.3.2 Měření teploty Závislost teplot jednotlivých fotovoltaických panelů je zobrazena na obrázku Obr. 7-12. Z těchto charakteristik je patrné, že při nízké intenzitě slunečního záření je teplota panelů téměř nezávislá na osvitu. Jejich tvar odpovídá průběhu křivky teploty vzduchu. Dopadající sluneční záření pouze mírně zvlní tento průběh. 60

500 450

50

400

40

300 30

250 200

20

150 100

10

50 0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 450

t [min] Osvit

Polykrystalický

Amorfní

Obr. 7-12 Průběh okamžité teploty‒ oblačno

Teplota vzduchu

ϑ [°C]

-2

R [W•m ]

350

43


7.4 Elektrická energie Z naměřených hodnot jsme vypočetli množství elektrické energie (viz. kapitola 6.2), které vyprodukují jednotlivé typy panelů při různých podmínkách. Tyto vypočtené hodnoty jsou zobrazeny v grafu‒ Obr. 7-13. 0,6

0,5

E [kWh]

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Slunečno

Polojasno Amorfní panel

Oblačno

Polykrystalický panel

Obr. 7-13 Vyrobená elektrická energie Doba měření při polojasném počasí byla kratší, proto i celková energie vyrobená v tento den má nižší hodnotu. Do tohoto grafu byly však hodnoty měřené za těchto podmínek vloženy hlavně z důvodu ilustrace. Není důležitá hodnota celkově vyrobené elektrické energie, ale porovnání vyrobené energie jednotlivých typů panelů. Pro porovnání jsou tyto hodnoty dostačují. Z grafu je patrné, že při vysoké intenzitě slunečního záření (ve slunečný den) polykrystalický panel vyprodukuje nejvíce elektrické energie. Rozdíl mezi produkcí polykrystalického a amorfního panelu je nejvyšší. Čím je intenzita osvětlení nižší, tím se rozdíl v produkci elektrické energie mezi oběma druhy panelů zmenšuje, až se úplně vyrovná. Při oblačném počasí dokonce amorfní panel vyprodukuje více elektrické energie i přes fakt, že má mnohem menší instalovaný výkon. Tímto praktickým měřením jsme si ověřili teoretické poznatky, které jsou uvedeny v kapitole 3.2.

8 Závěr

44

8 ZÁVĚR Bakalářská práce je souhrn základních teoretických poznatků autora, doplněná o praktické měření v oblasti sestavování provozních charakteristik fotovoltaických panelů. Pojednává o základní struktuře a složení fotovoltaických článků. Je zde stručně popsán způsob přeměny energie dopadajícího slunečního záření na energii elektrickou. Také je zde popsána struktura a složení fotovoltaických panelů i základní parametry jednotlivých typů. U každého z nich jsou uvedeny jejich vlastnosti a také hlavní výhody a nevýhody. Práce také popisuje předpokládaný průběh provozní charakteristiky a zmiňuje vnější aspekty, které ji ovlivňují. Další část pojednává o měřícím systému, který se používá při měření provozních charakteristik. Jsou zde popsány způsoby měření, výpočet jednotlivých parametrů i možnosti ukládání naměřených dat. V závěru práce jsou uvedeny výsledky praktického měření prováděné za různých atmosférických podmínek. Porovnávány jsou dva typy panelů‒ polykrystalické a amorfní. Prováděna byla tři měření‒ první za slunečného počasí, druhé za počasí polojasného a poslední při zatažené obloze. Z naměřených hodnot je patrné, že každý typ panelu má jiné vlastnosti. Polykrystalický fotovoltaický panel má lepší vlastnosti a je schopen vyrobit více elektrické energie při vysoké intenzitě dopadajícího slunečního záření. Tenkovrstvý amorfní panel lépe využívá rozptýlené (difúzní) záření. Při nízkých intenzitách osvitu má lepší parametry než polykrystalický panel a je chopen vyrobit více elektrické energie. Při praktických instalacích je tedy důležité zjistit průměrnou hodnotu dopadajícího slunečního záření během roku a podle toho volit, jaký typ panelu bude použit.

Použitá literatura

45

POUŽITÁ LITERATURA [1]

LIBRA, Martin; POULEK, Vladislav. Fotovoltaika : Teorie i praxe využití solární energie. Vyd. 1. Příbram : ILSA, 2009. 190 s. ISBN 978-80-904311-0-2.

[2]

LIBRA, Martin; POULEK, Vladislav. Elektro: Odborný časopis pro elektrotechniku [online]. 2010 [cit. 2012-03-16]. Konstrukce a výroba fotovoltaických článků a panelů. Dostupné z WWW:< http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=40646 >.

[3]

BENDA, Vítězslav . Tzbinfo [online]. Praha : 25.9.2006 [cit. 2012-03-16]. Solární články z krystalického křemíku - základní technologie současné fotovoltaiky. Dostupné z WWW: .

[4]

ROAD Energy : Fotovoltaické panely [online]. 2010 [cit. 2012-03-23]. Technologie výroby panelů. Dostupné z WWW: .

[5]

Czech RE Agency [online]. 2007 [cit. 2012-03-23]. Fotovoltaika pro každého. Dostupné z WWW: .

[6]

EKO - EKO TOP [online]. 2010 [cit. 2012-03-23]. Fotovoltaika na střeše, solární panely. Dostupné z WWW: .

[7]

SOLAREN s.r.o. [online]. 2009 [cit. 2012-03-23]. Rozdělení modulů - monokrystalické / polykrystalické / amorfní moduly. Dostupné z WWW: .

[8]

ČERVINKA, P. Porovnání výkonnosti fotovoltaických panelů v podmínkách ČR. Brno: Vysoke učeni technicke v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačnich technologii, 2011. 66 s. Vedouci diplomove prace Ing. David Pleha.

[9]

ENERG SERVIS, a.s. [online]. 2009 [cit. 2012-04-13]. Fotovoltaika-princip. Dostupné z WWW: .

[10] Ústav elektroenergetiky [online]. 2007 [cit. 2012-04-13]. Online měření. Dostupné z WWW: . [11] ŠPRINGL, Vít . HW.cz : Vše o elektronice a programování [online]. 2004 [cit. 2012-0420]. Měření teploty - polovodičové odporové senzory teploty. Dostupné z WWW: . [12]

ATERM [online]. 2009 [cit. 2012-04-20]. Měření a regulace teploty. Dostupné z WWW: .

[13] Pico Technology : For all your oscilloscope and data acquisition needs [online]. 2007 [cit. 2012-04-20]. PT100 sensors. Dostupné z WWW: . [14] WILLIAMS, Jim . Linear technology : Thermocouple measurement. In Linear Technology Application Note. [s.l.] : [s.n.], 1988. s. 20. Dostupné z WWW: .

Použitá literatura

46

[15] LIEW, Soo Chin. CRISP : Centre for Remote Imaging, Sensing and Processing [online]. 2006 [cit. 2012-04-20]. Principles of Remote Sensing. Dostupné z WWW: . [16] Kipp & Zonen [online]. 2008 [cit. 2012-05-04]. CMP 21 secondary standard pyranometer. Dostupné z WWW: . [17] Kipp & Zonen [online]. 2008 [cit. 2012-05-04]. Logbox SD. Dostupné z WWW: . [18] JIANG, Joe Air; HUANG, Song Liang; HSIAO; Ying Tsung; CHEN, Chia Hong . Maximum Power Tracking for Photovoltaic Power Systems. 2005. s. 7. Dostupné z WWW: . [19] Enbra [online]. 2007 [cit. 2012-05-12]. SUNTECH STP200 – 18/Ud. Dostupné z WWW: . [20] Rayo [online]. 2012 [cit. 2012-05-12]. Fotovoltaický modul RSP – 1 – 68. Dostupné z WWW: . [21] APPA [online]. 2007 [cit. 2012-05-12]. APPA 107N/109N. Dostupné z WWW: . [22] Agilent Technoligies [online]. 2011 [cit. 2012-05-12]. U1251A Handheld Digital Multimeter. Dostupné z WWW: . [23] ELKO EP, s.r.o [online]. 2012 [cit. 2012-05-19]. PT100:Teplotní senzor. Dostupné z WWW: < http://www.elkoep.cz/produkty/pt100.html>.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents