12 Jan SMOTER Politechnika Gdańska NOWOCZESNE

Instalacje elektryczne
Jan SMOTER
Politechnika Gdańska
NOWOCZESNE SYSTEMY FOTOWOLTAICZNE
Streszczenie: Celem artykułu jest przedstawienie zagadnienia współpracy nowoczesnych
ogniw fotowoltaicznych z siecią elektroenergetyczną średniego lub niskiego napięcia. Ciągły
rozwój technologiczny oraz nowe, sprzyjające regulacje prawne sprawią, że ilość mikroźródeł
przyłączanych do systemu elektroenergetycznego może gwałtownie wzrosnąć. Towarzyszyć temu
zjawisku będzie wiele pozytywnych cech, ale także problemów. W artykule pokazano jak dużą
zmiennością generacji cechują się takie źródła. Poruszono także zagadnienie możliwości regulacyjnych źródeł fotowoltaicznych, w szczególności współpracujących z zasobnikami energii.
1. Wstęp
System elektroenergetyczny stoi w przededniu jednej z największych w historii
zmian technologicznych i organizacyjnych. Idea Smart Grid, czyli inteligentnej sieci elektroenergetycznej łączącej w swych działaniach wszystkie podmioty na rynku
energii od wytwórców, poprzez system przesyłowy i dystrybucyjny, aż po odbiorców końcowych, już teraz wprowadzana jest w postaci programów pilotażowych na
obszarze naszego kraju. Jednym z elementów nowoczesnej energetyki jest generacja
rozproszona w mikroźródłach, która w ciągu kilku najbliższych lat może rozwijać
się bardzo gwałtownie. Na taki stan rzeczy będzie miało wpływ przyjęcie nowej
ustawy o OZE. W założeniach do dużego „trójpaku” większość obecnych barier formalnoprawnych zostanie usunięta – produkcja energii elektrycznej i jej sprzedaż do
sieci z mikroźródeł nie będzie traktowana jako działalność gospodarcza, nie trzeba będzie uzyskiwać koncesji, a spółka zajmująca się obrotem na danym terenie będzie zobowiązana do zakupu wytworzonej energii po cenie wyższej niż cena energii
sprzedawanej. Obecnie nakłady inwestycyjne na mikroźródła wciąż są bardzo duże,
ale w kolejnych latach na pewno będą znacznie spadać, a system chociażby unijnych
dopłat do energetyki obywatelskiej będzie skutkował wzrostem znaczenia OZE, co
zaobserwowano np. w Niemczech, gdzie moc zainstalowanych samych ogniw fotowoltaicznych w 2012 roku wynosiła około 7,5 GW! Implikuje to wiele zarówno pozytywnych, jak i negatywnych zjawisk.
Oczywistym jest, że produkcji energii z mikroOZE nie towarzyszy emisja CO 2 ,
wytwarzanie zlokalizowane jest bliżej odbiorcy końcowego, który może wiele zaoszczędzić wytwarzając energię na własny użytek. Eliminuje się także zagadnienie
przesyłu energii na duże odległości oraz związane z nimi straty mocy czy spadek
napięcia. Niektórzy eksperci uważają, że jest to także odpowiedź na kończące się
zasoby surowców naturalnych oraz na stale wzrastające zapotrzebowanie na energię
elektryczną, szacowane przez Agencję Rynku Energii z 119,4 TWh w 2010 roku do
139,4 TWh w roku 2020 [3].
12
Instalacje elektryczne
Jednakże z drugiej strony mikrogeneracja w odnawialnych źródłach energii posiada wiele wad, które trzeba wyeliminować. Z prowadzonych analiz wynika, że przyłączenie kilku mikroźródeł do jednego obwodu niskiego napięcia bez odpowiednich
rozwiązań technicznych może negatywnie wpłynąć na jakość energii i prowadzić do
uszkodzeń urządzeń odbiorców. Co więcej, źródła takie charakteryzują się olbrzymią zmiennością wytwarzania, zależną od warunków atmosferycznych, co uniemożliwia racjonalne prognozowanie ich generacji. Możliwa jest sytuacja, w której nastąpi
nadmierna produkcja energii elektrycznej, dojdzie do odwrotnego przepływu mocy
z sieci nn do SN i dalej do WN. Tym samym sieć ze scentralizowanej stanie się zdecentralizowana, a w chwili obecnej nie jest do tego przystosowana [1, 2].
W niniejszym artykule, omówiono jedno z odnawialnych źródeł energii w skali
mikro, mianowicie ogniwa fotowoltaiczne. Szczególny nacisk położono na zmienność generacji, możliwości regulacyjne i współpracę fotowoltaiki z siecią.
2. Zmienność generacji
2.1. Budowa paneli PV
Krzem, obecnie najpowszechniej stosowany do produkcji fotoogniw, jest kruchy
i łatwo pęka, dlatego też pojedyncze fotoogniwo nie może mieć dużych rozmiarów.
Naprężenia wewnętrzne sieci krystalicznej uniemożliwiają produkcję jednego ogniwa o odpowiednim napięciu wyjściowym. Typowe ogniwo ma powierzchnię czynną
ok. 100 cm 2 , co przy wartości mocy promieniowania słonecznego 1000 W/m 2 daje
napięcie przy otwartym obwodzie 0,6 V. W celu zwiększenia sumarycznego napięcia
łączy się pojedyncze ogniwa szeregowo, tworząc tzw. łańcuchy, te natomiast – połączone równolegle – umożliwiają zwiększenie prądu wyjściowego całego modułu.
Moc znamionowa, generowana w normalnych warunkach pracy, np. przy promieniowaniu 1000 W/m 2 , w temperaturze 25 °C, jest iloczynem wartości prądu i napięcia
(zakładając stałą wartość prądu).
Rys. 1. Generowany prąd w elektrowni fotowoltaicznej (niebieski) i elektrowni wiatrowej (czarny) [3]
Nr 186
13
Instalacje elektryczne
Jednakże fotoogniwa, obok siłowni wiatrowych, są źródłami o bardzo dużej
zmienności generacji, rzadko pracującymi z mocą znamionową. Rysunek 1 obrazuje
dobową zmienność generacji tych dwóch źródeł, zaś rysunek 2 wielkość generacji
w zależności od pory roku.
2.2. Wpływ warunków atmosferycznych
Podstawowym czynnikiem wpływającym na zmienność generacji ogniw fotowoltaicznych są zmienne warunki atmosferyczne, które są funkcją dnia roku, godziny
doby, panujących warunków atmosferycznych (zachmurzenie, przejrzystość powietrza itd.). Z fizyki zjawiska fotoelektrycznego wynika, że niezbędnym czynnikiem
do generacji ładunków ze złącza półprzewodnikowego jest padające promieniowanie o odpowiedniej mocy. Niestety nie wszystkie fotony posiadają właściwą energię
do „wybijania” elektronów z pasma walencyjnego na poziom przewodnictwa. Około 23% fotonów ma energię za małą, natomiast 32% za dużą dla sieci krystalicznej
krzemu, dla którego energia ta wynosi E = 1,1 eV. Co więcej, nie cała praca wyjścia
elektronów, które docierają do anody, może być wykorzystana. Część ich energii jest
zamieniana na ciepło i wypromieniowana do otoczenia.
Rys. 2. Generacja elektrowni PV w Niemczech w 10. dniu stycznia, marca, maja, lipca, września i listopada 2012 r. [5]
Kolejnym problemem, wpływającym także na sprawność konwersji energii promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną, jest odbicie promieniowania, kształtujące się na poziomie ok. 36%. Po zastosowaniu powierzchni odpowiednio fakturowanej i pokrytej antyrefleksyjną powłoką odbicie spada do 5% [4].
Do budowy fotoogniw można stosować krzem monokrystaliczny, polikrystaliczny lub amorficzny, a także inne pierwiastki, o odmiennych poziomach pasma zabronionego w strukturze atomowej, co wpływa na inny rozkład procentowy właściwego
promieniowania wybijającego elektrony i zwiększa sprawność. Warto wspomnieć
o arsenku galu, dla którego energia wyjścia wynosi E = 1,4 eV, a sprawność teoretyczna η = 36%. Jednakże, niezależnie od stosowanych materiałów i technik, moc elektrowni fotowoltaicznej nie jest stała w czasie i silnie zależy od wahań pogodowych
[6]. Zależność prądu oraz mocy w funkcji napięcia dla różnych poziomów promieniowania przedstawia rysunek 3.
14
Instalacje elektryczne
Rys. 3. Charakterystyka I(U) oraz P(U) typowego panelu PV, przy stałej temp. powietrza [7]
Wynika z niego, że napięcie w niewielkim stopniu zależy od promieniowania
słonecznego, natomiast prąd zwarciowy zmienia się proporcjonalnie w szerszym zakresie. Ogółem, im wyższa wartość natężenia promieniowania tym większa maksymalna generowana moc.
2.3. Wpływ temperatury
Kolejnym czynnikiem powodującym zmienność generacji jest zmiana temperatury fotoogniwa w trakcie pracy, na którą wpływ mają zjawiska wewnętrzne oraz
temp. zewnętrzna. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury wzrasta amplituda drgań sieci krystalicznej. Utrudnia to przepływ nośników ładunków
wskutek zmniejszenia ich ruchliwości. Ponadto, wyższa temp. utrudnia rozdzielanie fotogenerowanych ładunków przez złącze [4]. Wpływ temperatury ogniwa na
wartości elektryczne przedstawia rysunek 4. Wynika z niego, że wraz ze wzrostem
temperatury ogniwa maleje napięcie układu, maleje moc oraz rośnie prąd zwarciowy.
Rys. 4. Wpływ temperatury ogniwa na zmiany prądu i mocy, przy stałej intensywności naświetlenia. T1 < T2 < T3 [8]
Nr 186
15
Instalacje elektryczne
3. Możliwości regulacyjne
Generacja fotowoltaiczna cechuje się bardzo dużą zmiennością. Jak pokazano na
rysunku 1, przebieg prądu w funkcji czasu jest całkowicie stochastyczny i zależy od
warunków atmosferycznych. W porównaniu do konwencjonalnych źródeł, ogniwa
nie mają części wirujących, tym samym nie mają bezwładności, a każda zmiana promieniowania wpływa bezpośrednio na moc wyjściową.
Aby zobrazować wagę powyższego problemu, można wyobrazić sobie dwie sytuacje. W najgorszym do przewidzenia przypadku duże skupisko chmur zasłania
Słońce na sporym obszarze, ze znaczącą penetracją paneli fotowoltaicznych. Spowoduje to gwałtowny i duży spadek generowanej mocy oraz wahania napięcia. Warunki
ulegną pogorszeniu, jeśli w tym samym czasie gwałtownie wzrośnie zapotrzebowanie
na moc odbiorców. Inny możliwy scenariusz to nadwyżka generowanej przez fotoogniwa mocy. Około południa, przy największym nasłonecznieniu, panele PV generują najwięcej mocy, co niestety nie pokrywa się z maksymalnym zapotrzebowaniem
odbiorców, które przypada na poranek i wieczór.
Rozwiązaniem jest zastosowanie układów pozwalających na regulację mocy
i magazynowanie energii pochodzącej z paneli fotowoltaicznych.
3.1. Śledzenie punktu mocy maksymalnej
Wykorzystując fotoogniwo jako źródło energii dąży się do maksymalizacji mocy
uzyskanej z każdego ogniwa, poprzez optymalizację rezystancji obciążenia w zależności od mocy promieniowania. Jak pokazano na rysunku 3 dla każdej wartości natężenia promieniowania istnieje pewien punkt, dla którego iloczyn prądu i napięcia
jest maksymalny. Punkt ten nazywa się punktem mocy maksymalnej – MPP (Maximum Power Point). Przekształtnik energoelektroniczny łączący ogniwo słoneczne
z odbiornikami lub siecią elektroenergetyczną realizuje algorytm śledzenia maksymalnego punktu mocy ogniw – MPPT (Maximum Power Point Tracking). Zarówno
napięcie, jak i prąd mogą reprezentować MPP, jednakże zaleca się wybór napięcia
jako zmienną kontrolną, gdyż – jak wcześniej wspomniano – zmienność nasłonecznienia w mniejszym stopniu niż na prąd wpływa na wartość napięcia wyjściowego.
Zmienność temperatury i jej wpływ na napięcie cechuje się mniejszą dynamiką i nie
jest decydującym czynnikiem. W przeciwieństwie do natężenia prądu odpowiadającego MPP, zmiana napięcia mieści się w granicach 70% – 82% napięcia obwodu
rozwartego, zatem zakres śledzenia napięcia jest stosunkowo niewielki, a regulacja
szybka [9]. Rysunek 5 przedstawia przykładowy schemat blokowy regulatora MPPT.
3.2. Fotoogniwa współpracujące z magazynami energii
Jednakże samo śledzenie punktu mocy maksymalnej gwarantuje jedynie uzyskanie możliwie największej mocy przy danym nasłonecznieniu. Zatem moc wyjściowa
nadal w sposób znaczący będzie się zmieniać w czasie. Jedyną możliwością regulacji
fotoogniw jest ich współpraca z zasobnikami energii, takimi jak koła zamachowe, superkondensatory, nadprzewodniki, czy też akumulatory elektrochemiczne. Obecnie
16
Instalacje elektryczne
najbardziej efektywne są te ostatnie, a wśród nich akumulatory kwasowo-ołowiowe,
niklowo-kadmowe i litowo-jonowe. MikroOZE wyposażone w zasobniki energii
oraz przekształtniki energoelektroniczne jest w stanie pracować samodzielnie (wyspowo), zasilając tylko fragment sieci (np. budynek mieszkalny) lub być połączone
z siecią. Zatem taki system fotowoltaiczny potrafi pracować w następujących trybach:
• dostarczanie energii do systemu elektroenergetycznego (SEE) z paneli fotowoltaicznych i/lub akumulatorów,
• dostarczenie energii do odbiorów własnych z paneli PV i/lub akumulatorów
i/lub SEE,
• ładowanie akumulatorów w czasie nadwyżek mocy z paneli PV lub z SEE.
Na rysunku 6 przedstawiono przykładowy schemat układu ogniwa fotowoltaicznego współpracującego z zasobnikiem energii oraz układami energoelektronicznymi. Przetwornica DC/DC ma za zadanie śledzić punkt maksymalnej mocy.
W przypadku zbyt dużej generacji przez PV, kiedy moc ta nie może być odebrana ani
przez odbiory ani przez sieć ani przez baterię akumulatorów, przetwornica DC/DC
ogranicza moc generowaną przez PV poprzez przesunięcie punktu pracy poza MPP.
Układy energoelektroniczne połączone z zasobnikiem energii, utrzymują określony
poziom naładowania baterii. W przypadku gdy fotoogniwa nie generują dostatecznej
mocy, baterie powinny dostarczyć tę moc odbiorom tak długo, aż poziom ich rozładowania nie przekroczy zalecanego poziomu. W przypadku gdy moc generowana
przez panele PV jest zbyt duża i przekracza zapotrzebowanie odbiorców, w pierwszej
kolejności naładowane powinny być akumulatory, dopiero potem moc ma być oddawana do sieci. Zatem zasobniki energii stanowią swego rodzaju bufor, pozwalający
w pewnym stopniu ograniczyć zmienność generacji przez fotoogniwa.
Bardzo ważnymi elementami w schemacie z rysunku 6 są przetwornice DC/AC,
mające na celu zamianę prądu stałego na przemienny o odpowiednich parametrach,
spełniając wymogi napięciowe, częstotliwościowe oraz zawartość harmonicznych
THD. W systemach fotowoltaicznych takimi urządzeniami najczęściej są falowniki
napięcia, umożliwiające dwukierunkowy przepływ mocy, a co za tym idzie kompensację mocy biernej. Regulując moc bierną można wpływać na wartość napięcia u odbiorców, co ma szczególne znaczenie w sieciach nn.
Rys. 5. Schemat blokowy regulatora MPPT [9]
Nr 186
17
Instalacje elektryczne
Rys. 6. Schemat instalacji PV z zasobnikami energii [10]
Ponadto wyżej wymienione przetwornice są poprzedzone przez wysokoczęstotliwościowe transformatory. Charakteryzują się one niewielkimi gabarytami, wysoką sprawnością oraz dużą gęstością przetwarzania energii, ale przede wszystkim
spełniają funkcję podwyższenia napięcia i separacji galwanicznej dostępnych dla
człowieka fotoogniw od sieci elektroenergetycznej. Dodatkowo włączając szeregowo
do uzwojenia strony pierwotnej kondensatory, możliwe jest wykorzystanie zjawiska
rezonansu elektromagnetycznego, w celu zmniejszenia strat przetwarzania energii.
Przykład szeregowego przekształtnika rezonansowego, zaznaczonego na rysunku 6
linią kreskowaną, przedstawia rysunek 7.
Rys. 7. Trójfazowy szeregowy przekształtnik rezonansowy [10]
Smart switch powinien umożliwiać bezprzerwowe przełączanie pomiędzy połączeniem z siecią a pracą wyspową, np. w przypadku dużych zakłóceń w sieci (wahań
napięcia czy zmian częstotliwości), tak aby ważne odbiory były zasilane w sposób
ciągły, energią o odpowiednich parametrach [10, 11].
4. Podsumowanie
Gwałtowny wzrost penetracji sieci nn i SN przez mikroźródła, wykorzystujące
odnawialną energię, jest tylko kwestią czasu. Ta nowa koncepcja energetyki prosumenckiej przynosi wiele nadziei, jak i obaw. Ludzkość potrzebuje coraz więcej energii
18
Instalacje elektryczne
elektrycznej, także w trudno dostępnych zakątkach świata, a mikroźródła zlokalizowane przy odbiorcy wydają się być rozwiązaniem tego problemu. Oznacza to także obniżenie obciążenia linii przesyłowych, dystrybucyjnych czy transformatorów,
zwiększając ich żywotność. Oczywistym jest także pozytywny aspekt ekologiczny.
Jednakże nie należy odbierać mikroOZE jako panaceum na wszystkie problemy
polskiej i światowej energetyki. Konwencjonalne, klasyczne elektrownie nie znikną,
bo zniknąć nie mogą. Jak pokazano w punkcie drugim generacja z ogniw fotowoltaicznych cechuje się, obok elektrowni wiatrowych, największą zmiennością i zależnością od warunków pogodowych. Duże doświadczenie w tym zakresie mają Niemcy,
u których w wyniku błędnego prognozowania doszło do nadprodukcji, niemożności
zbilansowania systemu bez interwencyjnego zakupu możliwości sprzedaży nadmiaru energii za granicę, czy zjawiska ujemnych cen za energię. Oparcie energetyki na
tego typu źródłach, bez uprzedniej odpowiedniej modernizacji sieci, może godzić
w bezpieczeństwo energetyczne kraju.
Niestety nie ma możliwości regulacji generacji energii elektrycznej z fotoogniw,
bez korzystania z kosztownej wciąż technologii układów energoelektronicznych oraz
magazynów energii. Dzięki odpowiednim układom można ograniczyć praktycznie
do minimum wpływ tego źródła na parametry jakościowe energii, a zasobniki energii
w pewnym zakresie uśredniają moc wyjściową źródła. Problemem jest wciąż koszt instalacji oraz mała żywotność i wydajność akumulatorów, najpopularniejszych z obecnie stosowanych magazynów energii.
Reasumując, z całą pewnością przyszłość należy do mikroodnawialnych źródeł
energii. W szczególności ze względu na łatwość instalacji oraz eksploatacji dużą
rolę odegrają przedstawione ogniwa fotowoltaiczne. Ze zmienności generacji w tych
źródłach oraz ograniczonych możliwości regulacyjnych wynika, że będą one miały
zasadniczy wpływ na pracę systemu elektroenergetycznego, a kluczowym zadaniem
stanie się przygotowanie sieci na stawiane jej nowe wyzwania.
5. Bibliografia
1. http://cse.ibngr.pl/oze-czy-system-jest-gotowy.
2. http://www.e-elektryczna.pl/doc/biuletyn_IV_2013.pdf.
3. Biczel P., Optymalne wykorzystanie pierwotnych nośników energii na przykładzie hybrydowej elektrowni słonecznej z ogniwami paliwowymi, Rozprawa
doktorska, Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny, Warszawa 2003.
4. Lewandowski W., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa
Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007, ISBN 978-83-204-3491-0.
5. www.eex.com.
6. Szumanowska M., Szumanowski A., Fotoogniwa i turbiny wiatrowe w systemach elektroenergetycznych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,
Warszawa 1997, ISBN 83-87012-18-1.
7.http://solaris18.blogspot.com/2012/01/panel-fotowoltaiczny-punkt-mocy.
html.
Nr 186
19
Instalacje elektryczne
8. http://www.citiesonpower.eu/upload/File/fotowoltaika.pdf.
9. Weidong Xiao, Dunford W.G., Regulation of Photovoltaic Voltage, IEEE vol.
54, no. 3, June 2007.
10. Dmowski A., Kompa K., Rosłaniec Ł., Szymański B., Nowoczesne elektrownie
fotowoltaiczne z zasobnikami energii połączone z systemem elektroenergetycznym, Acta Energetica 01/2010.
11. Arnedo L., Dwari S., Blasko V., 80 kW Hybrid Solar Inverter for Standalone
and Grid Connected Applications, Applied Power Electronics Conference and
Exposition (APEC), 2012 Twenty-Seventh Annual IEEE.
Tekst artykułu prezentowano w postaci referatu
na Gdańskich Dniach Elektryki,
które odbyły się w dniach 17–18 października 2013 roku
20