3 - Instytut Elektroenergetyki PW
Transkrypt
3 - Instytut Elektroenergetyki PW
POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Elektryczny Instytut Elektroenergetyki Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA „Badanie elektrowni słonecznej” I. Wstęp Ćwiczenie polega na badaniu układu wytwórczego składającego się ogniwa fotowoltaicznego i baterii chemicznej. Systemy takie nie odgrywają znaczącej roli w systemie elektroenergetycznym, jednak są powszechnie uŜywane do zasilania systemów wydzielonych stało- lub przemienno-prądowych. Tego typu zespoły wytwórcze są równieŜ uŜywane jako układy zwane battery backup – czyli układy zasilania rezerwowego wykorzystujące źródło odnawialne. 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 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 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 przebadaniu układu przedstawionego na rysunku 5. A V A DC V A V V DC Rys. 5. Schemat badanego układu Lp. UPV [V] IPV [A] UwyjDC/DC IwyjDC/DC [V] [A] IB [A] UB = UOdb [V] IOdb [A] ηDC/DC [%] 1. 2. 3. 4. … … IV. Sprawozdanie 1. Na podstawie otrzymanych wyników obliczyć: • sprawność przetwornicy, • moc: ogniwa fotowoltaicznego, przetwornicy DC/DC, baterii chemicznej, • wyznaczyć punkt MPP ogniwa fotowoltaicznego 2. Narysować charakterystyki IPV=f(UPV); IPV, IwyjDC/DC, IB=f(POdb); ηDC/DC=f(IwyjDC/DC) 3. Podsumowanie ćwiczenia i wnioski