Badanie elektrowni słonecznej w układzie wydzielonym

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
Wydział Elektryczny
Instytut Elektroenergetyki
Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej
INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA
„Badanie elektrowni słonecznej
w układzie wydzielonym”
I. Wstęp
Ćwiczenie polega na obserwacji pracy elektrowni słonecznej w układzie
wydzielonym. Elektrownia ta znajduje się w budynku starej kotłowni (SK) i składa się z
ogniwa fotowoltaicznego, regulatora, baterii chemicznej, obciąŜenia oraz systemu pomiarowo
nadzorczego wraz z komputerem. Odpowiada on za zbieranie danych, archiwizacje i prostą
wizualizację pracy elektrowni.
II. Opis teoretyczny
Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują efekt fotoelektryczny wewnętrzny do generacji energii
elektrycznej prądu stałego. Efekt ten polega na podwyŜszeniu poziomu energetycznego
elektronu po przechwyceniu kwantu światła. Baterie słoneczne uznawane są za najbardziej
przyjazne środowisku źródło energii. Wynika to z: braku emisji zanieczyszczeń, braku hałasu,
a takŜe praktycznie braku ujemnego wypływu na zwierzęta. Ponadto panele wytwarzane są z
powszechnie dostępnych surowców, a ich pozyskanie nie wymaga ingerowania w sposób
istotny w środowisko naturalne. Utylizacja takiego źródła takŜe nie jest znaczącym
problemem. Z punktu widzenia ekologii nie mają one praktycznie wad. Jedyną wadą jest to,
Ŝe wyprodukowanie źródła tego typu wiąŜe się ze znacznym nakładem energii, a przy niskiej
sprawności i krótkim czasie eksploatacji źródła, powoduje to relatywnie niewielki zysk na
energii produkowanej w odniesieniu do energii włoŜonej w wytworzenie paneli. Wynikiem
tego jest wysoka cena ogniw i problemy ze zwrotem kosztów poniesionych w elektrownię
wykorzystującą baterie słoneczne.
WaŜnym parametrem ogniw słonecznych jest ich sprawność która opisuje stosunek
ilości energii elektrycznej jaka zostanie wyprodukowana z ilości energii dostarczonej do
panelu przez promieniowanie elektromagnetyczne.
Sprawności róŜnych typów ogniw:
• Krzem monokrystaliczny – sprawności 14 -17,5%
• Krzem polikrystaliczny – sprawności 11 -13%
• Krzem amorficzny – sprawności 7 -10%
• Przewodzące prąd polimery połączone z fullerenem – sprawność ok. 3%
Z punktu widzenia konstruktora urządzeń odbierających energię z ogniw
fotowoltaicznych i przekazujących ją do odbiorników lub systemu elektroenergetycznego jest
charakterystyka ogniw fotowoltaicznych. Jest ona w podobna dla róŜnych typów ogniw.
Rys. 1. Przykładowe charakterystyki ogniwa
fotowoltaicznego dla róŜnych temperatur
Rys. 2. Przykładowe charakterystyki
ogniwa fotowoltaicznego dla róŜnych
wartości nasłonecznienia
Z przedstawionych na rys. 1 i 2 wykresów moŜna odczytać, Ŝe w części
charakterystyki ogniwo zachowuje się jak ustępliwe źródło napięciowe w części zaś jak
źródło prądowe. UniemoŜliwia to bezpośrednie zasilanie urządzeń stałoprądowych, gdyŜ
wymagają one w większości stałej wartości napięcia zasilania. Ponadto zauwaŜyć warto, Ŝe
wraz ze wzrostem natęŜenia światła padającego na ogniwo następuje niewielki wzrost
napięcia rozwarcia tego źródła, a znacznie wzrasta wartość prądu zwarcia. Natomiast
temperatura ma wpływ na wartość napięcia rozwarcia. Co ciekawe dla niŜszej temperatury
napięcie rozwartego źródła jest wyŜsze.
Z charakterystyki U-I ogniwa wynika, Ŝe ma ono tzw. maksymalny punkt mocy
(MPP), czyli punkt na charakterystyce U-I w którym ogniwo produkuje najwięcej mocy przy
zadanych warunkach nasłonecznienia i temperatury. Aby zwiększyć wydajność ogniwa
naleŜy obciąŜać je taką wartością rezystancji dla której występuje MPP. Rezystancja ta
wynosi:
U
R = mpp .
I mpp
PołoŜenie maksymalnego punktu mocy ogniwa na charakterystyce U-I związane jest ściśle z
temperaturą źródła oraz natęŜeniem światła, które na nie pada. NaleŜy przy tym zauwaŜyć, Ŝe
temperatura ma większy wpływ na wartość napięcia przy jakim MPP wystąpi, natomiast nie
ma praktycznie wpływu na wartość prądu charakteryzującego optimum mocy. Zmiany
natęŜenia światła powodują zmiany wartości prądu odbieranego, ale nie mają natomiast
większego wpływu na napięcie przy którym występuje maksimum mocy. Zostało to ukazane
2
na rys. 3, który jest zbiorem charakterystyk elektrycznych ogniwa fotowoltaicznego dla
róŜnych wartości natęŜenia światła.
Rys. 3. Charakterystyka mocy produkowanej w zaleŜności od nasłonecznienia
Ciągła zmiana parametrów elektrycznych ogniwa związana ze zmianą parametrów
pogodowych, a takŜe konieczność zmiany rezystancji widzianej z zacisków paneli
słonecznych w celu śledzenia maksymalnego punktu mocy wymusza konieczność stosowania
przetwornic energoelektronicznych dopasowujących parametry źródła do parametrów
odbiornika. Aby umoŜliwić zasilanie odbiorników w systemie wydzielonym konieczne jest
wyposaŜenie układu wytwórczego w zasobnik energii, który w przypadku nadwyŜek energii
ze źródła będzie energię tą magazynował i odda ją do odbiorników w momencie deficytu
energii ze źródła. Pozwoli to na ciągłe (bezprzerwowe) zasilanie odbiorników. JednakŜe
niestabilność mocy produkowanej przez ogniwa fotowoltaiczne sprawia, Ŝe zasobnik energii
jest silnie eksploatowany. Najpopularniejszym zasobnikiem energii stosowanym w układach
wytwórczych z ogniwami fotowoltaicznymi jest bateria chemiczna kwasowo-ołowiowa. W
celu przedłuŜenia czasu eksploatacji tej baterii konieczne jest odpowiednie jej ładowanie
(charakterystyka ładowania przedstawiona jest na rysunku 4). Z charakterystyki tej wynika, Ŝe
poprawne ładowanie baterii kwasowo ołowiowej zakłada ładowanie stałym prądem, a
następnie stałym napięciem.
Rys. 4. Przebiegi ładowania i rozładowania baterii kwasowo-ołowiowej
3
W układach z ogniwami fotowoltaicznymi często nie jest moŜliwe zapewnienie takiej
charakterystyki ładowania ze względu na to, Ŝe bateria ładowana jest takim prądem na jaki
pozwala ogniwo fotowoltaiczne.
III. Przebieg ćwiczenia
Ćwiczenie polega na zapoznaniu się z budową i pracą elektrowni, której uproszczony schemat
przedstawia rysunek 5.
Rys. 5. Schemat badanego układu
IV. Sprawozdanie
Do wykonania sprawozdania potrzebny będzie plik z pomiarami zebranymi przez system
nadzorczy w ciągu jednej doby. Plik taki moŜna znaleźć na stronie internetowej
http://www.ee.pw.edu.pl/~biczelp/
1. Na podstawie danych z pliku naleŜy wyznaczyć:
• sprawność układu,
• moc: ogniwa fotowoltaicznego,
2. Narysować charakterystyki
• IPV,IOBC,IBAT = f(t)
• UPV,Ureg,UBAT = f(t)
• PPV,POBC,PBAT = f(t)
3. Zaznaczyć charakterystyczne obszary pracy
4. Podsumowanie ćwiczenia i wnioski, w szczególności na temat zastosowania układu,
jego sprawności, wad i zalet sposobu pracy
4