Možnosti ověření účinnosti fotovoltaických panelů

Transkript

1 Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: Možnosti ověření účinnosti fotovoltaických panelů Verification options of the effectiveness for photovoltaic panels Pavel Chrobák, Stanislav Sehnálek, Martin Zálešák {chrobak, sehnalek, zalesak}@fai.utb.cz Fakulta aplikované informatiky, UTB ve Zlíně Abstrakt: Cílem této práce bylo ověřit skutečnou účinnost fotovoltaických panelů u malé fotovoltaické elektrárny po pětiletém provozu, oproti úajům, které uává výrobce. Tato elektrárna je v provozu řau let a slouží k náhraě za oebranou energii použitou pro napájení vytápěcích a chlaících zařízení v laboratoři. Abstract: The aim of this paper was to verify in the long term the actual efficiency of photovoltaic panels for small photovoltaic plant. This efficiency verification was one after five years of operation an then compare to the ata that inicates the manufacturer. This plant has been in operation for many years an is use to compensate consume energy use for power the heating an cooling equipment in the laboratory.

2 Možnosti ověření účinnosti fotovoltaických panelů Pavel Chrobák, Stanislav Sehnálek, Martin Zálešák Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně Abstrakt Cílem této práce bylo ověřit skutečnou účinnost fotovoltaických panelů u malé fotovoltaické elektrárny po pětiletém provozu, oproti úajům, které uává výrobce. Tato elektrárna je v provozu řau let a slouží k náhraě za oebranou energii použitou pro napájení vytápěcích a chlaících zařízení v laboratoři. směrem, elektrony k záporné elektroě, íry ke klané, jak je znázorněno na obrázku 1. Úvo Fotovoltaika je jenou z možností využití nevyčerpatelného zroje energie (v liském měřítku), který přestavuje energie slunce, pro výrobu elektrické energie, která se po použití znovu změní na teplo. Tato metoa přeměny sluneční energie v elektrickou energii je známa již několik esítek let, ale až v posleních letech ošlo k širšímu využití této technologie a to zejména íky zvýšení účinnosti solárních článků a státním otacím. Celkový instalovaný výkon fotovoltaických elektráren na světě osáhl v roce 2012 pole Evropské fotovoltaické průmyslové asociace (EPA) honoty 100 GWp. 1 Fyzikální princip fotovoltaické přeměny Fotovoltaika přestavuje metou přímé přeměny slunečního záření na elektrickou energii s využitím fotoelektrického jevu na velkoplošných polovoičových fotoioách (fotovoltaické panely). Jenotlivé fotoioy se nazývají fotovoltaické články a obvykle jsou spojovány o větších celků. Nejjenoušší fotoioy jsou tvořeny věma polovoiči s rozílným typem elektrických voivostí. V jené z vrstev materiálu typu N převažují negativně nabité elektrony, zatímco v ruhé vrstvě materiálu typu P převažují íry, v postatě jsou to prázná místa, která snano akceptují elektrony. V místě, ke se tyto 2 vrstvy setkávají P N přecho, ke ochází ke spárování elektronů s írami, čímž se vytvoří elektrické pole, které zabrání alším elektronům v pohybu z N vrstvy o P vrstvy. Za normálních okolností jsou elektrony v polovoičovém materiálu pevně vázány k atomům krystalové mřížky, materiál je nevoivý. Přiáním velmi malého množství prvku s větším počtem valenčních elektronů oje k vytvoření oblasti s voivostí typu N, v níž se vyskytují volné elektrony, které mohou přenášet elektrický náboj. Naopak příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů vytvoří oblast s voivostí typu P, v níž se krystalovou mřížkou pohybují íry místa ke chybí elektron. Poku oje k zachycení fotonu o ostatečné energii v polovoičovém materiálu, vznikne jeen pár elektron-íra [1]. Poku je tento obvo uzavřen, začnou se pohybovat tyto nositele náboje opačným Obrázek 1: Struktura fotovoltaického článku [2] 1.1 ělení fotovoltaických článků Fotovoltaické panely lze rozělit pole typu použitého fotovoltaického článku na monokrystalické, polykrystalické a amorfní. Monokrystalické články se vyrábí chemickou technologií tažením roztaveného záklaního materiálu ve formě tyčí, které se násleně rozřežou na plátky, tzv. položky (nejčastěji se jako záklaní materiál používá křemík. Články jsou pak tvořeny jením křemíkovým krystalem a jejich praktická energetická účinnost se pohybuje v rozmezí 13 až 17 %. Výroba monokrystalických fotovoltaických článků je náklaná z ůvou velké spotřeby křemíku. Avšak monokrystalické články tvoří největší zastoupení na trhu (kolem 85% světového trhu) pro svoji vyšší účinnost oproti jiným článkům[3, 4]. Polykrystalické články také obsahují křemíkovou estičku, ale na rozíl o monokrystalických článků jsou tvořeny krystalickou mřížkou. Jejich barva je morá, světlejší než u monokrystalických článků, uvnitř lze viět tzv. leový květ. Na výrobu těchto článků je potřeba výrazně menší množství energie než na výrobu monokrystalických článků, což se oráží zejména na pořizovacích náklaech. Jejich energetická účinnost je v rozmezí 12 až 16 %. Tyto články využívají účinněji tzv. ifúzní složku slunečního záření, čímž se energeticky vyrovnávají článkům monokrystalickým[3, 4]. Poslení skupinu tvoří amorfní články, jejichž zákla tvoří tenká křemíková vrstva, která se nanáší na položku ze skla, plastu nebo textilie. Energetická účinnost těchto článků je postatně nižší než u výše zmíněných, a je v rozmezí 7 až 9 %. Tyto články jsou vhoné zejména pro integraci o stavebních konstrukcí, ke je omezená možnost chlazení zabuovaných článků [3, 4]. 1.2 Popis systému Posuzovaný systém je uplatněn v laboratoři techniky prostřeí na FA UTB ve Zlíně. Systém je tvořen 9 fotovoltaickými 48

3 panely o celkové ploše 11,25 m 2. V panelech jsou použity polykrystalické fotovoltaické články. Tyto panely mají výrobcem eklarovanou energetickou účinnost 15 %. Jenotlivé fotovoltaické články jsou zapouzřené o kovového rámu ze speciálních slitin hliníku a vrchního ochranného tvrzeného skla. Panel je možné íky této konstrukcí upevnit na různá místa, v našem přípaě je situován na střeše třípatrové buovy, ke úhel sklonu o voorovné roviny činí 45 s jihovýchoním azimutem normály. Tento systém je znázorněn na obrázku 2. Obrázek 3: Stříač Sunny Boy 1700 Na obrázku č. 3 je zobrazen použití měnič Sunny Boy Evropský stupeň účinnosti, η euro, tohoto měniče je η euro = 91,8%. Tato honota je měřena při měnících se klimatických pomínkách a maximální účinnost, η max = 93,5% při měření v optimálních pomínkách zpravila při jmenovitém C napětí a střeních honotách AC výkonu. Zbytek energie se ztratí ve formě tepla při konverzi na stříavý prou [6, 7]. 1.3 Popis metoiky ověřování parametrů Obrázek 2: Posuzovaný systém Při intenzitě slunečního záření opaajícího na plochu panelů o hustotě zářivého toku 750 W/m 2 je pole eklarovaných parametrů o výrobce jejich elektrický příkon přibližně P = 1265 W. Výstupní stejnosměrné napětí z panelů je konvertováno měničem na stříavé napětí o jené fázi. Tento měnič (stříač) zároveň zobrazuje informace o množství vyrobené energie a různých provozních stavech systému (porucha, okamžitý výkon, napětí, celková vyproukovaná energie systémem, aj.) [5]. Parametry panelů je možno ověřit věma způsoby. V prvním přípaě je snímač intenzity slunečního záření (solarimetr) orientován stejně jako jsou orientovány panely. V tomto přípaě se porovnává opaající záření s výkonem fotovoltaických panelů a je tak možno se zohleněním ifúzního záření stanovit účinnost přeměny opaající energie na energii proukovanou panely. ruhou možností je orientace solarimetru voorovně (přemětný přípa). Naměřené honoty opaajícího záření na horizontální povrch solarimetru je pak nutno přepočítat na záření připaající na směr normály k ploše panelů. Tento přepočet je uveen níže pole normy ČSN [9]. Sluneční eklinace se stanoví pro jenotlivé měsíce vžy k 21. ni pole vztahu (1) až (9): 23,5cos(30M ), (1) ke je sluneční eklinace [ o ] M číslo měsíce (1 až 12). Honoty sluneční eklinace jsou uveeny v tabulce 1. 49

4 Tabulka 1 :Sluneční eklinace pro jenotlivé měsíce Měsíc roku V V V V V X X o Výška slunce na obzorem h, pro 50 severní šířky je ána pole vztahu (2) sin h 0,766sin 0,643cos cos(15 ), (2) ke h je výška slunce na obzorem [ o ], sluneční čas [h]. Sluneční azimut a určíme o směru sever ve směru otáčení hoinových ručiček pole vztahu (3) ke a je sluneční azimut [ o ]. sin (15 ) cos sin a, (3) cos h Úhel mezi normálou osluněného povrchu a směrem paprsků Θ se stanoví pole vztahu (4) cos sin cos h cos cos hsin cos ( a ), (4) ke je úhel mezi normálou osluněného povrchu a směrem paprsků [ o ], úhel stěny s voorovnou rovinou, vzatý na straně ovrácené o slunce [ o ], azimutový úhel normály stěny, vzatý stejně jako sluneční azimut [ o ]. Pro svislou stěnu je, a pro voorovnou, cosθ cos hcos(a γ) (5) cos sin h (6) ntenzitu přímé sluneční raiace určíme pole vztahu (7) ke 0,8 16 H 1350 exp 0,1 z / sinh, (7) 16 H je intenzita přímé sluneční raiace [W m -2 ], z součinitel znečištění atmosféry, H namořská výška [m]. Pro jenotlivé měsíce je oporučené použít tyto honoty znečištění, které jsou uveené v tabulce 2. Tabulka 2:Honoty znečištění v jenotlivých měsících Měsíc roku V V V V V X X z - 3,0 4,0 4,0 5,0 5,0 4,0 4,0 3,0 ntenzitu ifuzní sluneční raiace určíme pole vztahu (8) ,4 sin sin h, (8) ke je intenzita ifuzní sluneční raiace [W m -2 ], h je uveeno v (2). Celková intenzita slunečního záření C se pak stanoví jako součet (9), ke C = je uveeno v (7), je uveeno v (8). +, (9) Pomocí těchto vztahů vypočítáme pro kažý en a hoinu teoretickou intenzitu slunečního záření, jak pro voorovnou plochu, tak i pro úhel ve kterém jsou fotovoltaické panely orientovány. Na záklaě tohoto teoretického výpočtu převeeme ata získaná ze snímače slunečního záření na směr, ve kterém jsou orientovány fotovoltaické panely, a tak stanovíme celkovou energii slunečního záření za sleované obobí. Na záklaě této honoty vypočítáme účinnost fotovoltaického systému pole vztahu (10) [9]: Pm Pm, (10) P E A ke ra P m výkonu z fotovoltaického panelu [W], P ra je výkon opaajícího záření, E celková intenzita slunečního záření [W m -2 ], A plocha fotovoltaického článku [m 2 ]. C 2 Proveené měření Měření probíhalo v obobí o 1. července o 31. září. V enní obě o 4 o 22 h v 0,5 h intervalu. Záznam výroby elektrické energie z fotovoltaických panelů byl proveen pomocí softwaru Sunny ata Control. ntenzita slunečního záření byla zaznamenávána pomocí meteostanice umístěné na protější střeše buovy v přibližně stejné výškové úrovni. Naměřená ata ze sleovaného obobí byly shrnuty o atabáze a násleně byl proveen teoretický výpočet intenzity slunečního záření (i ifuzní) C pole vztahů (9), opaajícího na voorovnou plochu solarimetru pro kažý en v 0,5 h intervalech. Z naměřených honot celkové intenzity slunečního záření S bylo oečteno ifuzní záření, a tím byla získána sku- C 50

5 tečná honota intenzity přímého záření opaajícího na solarimetr. Teoretický výpočet: šik p 1 intenzita přímé sluneční raiace ve směru orientace panelů [W m -2 ], procentuální rozíl q q q, (11) s skut př. s skut s skut. if. p, (17) c ke q s skut. př je přímé záření opaající solarimetr [W m -2 ], q s skut úaj ze solarimetru [W m -2 ], q s skut.if vypočtené ifuzní záření [W m -2 ]. q f př qs skut př.. qs skut př. sin h, (12) ke q f př je přímé záření opaající na kolmou plochu [W m -2 ] g s skut.př. je uveeno v (11), sin h je uveeno v (2). q f př. qn př, (13) cos ke q n př je přímého slunečního záření opaajícího na fotovoltaický panel [W m -2 ], q f př je uveeno v (12), cos je uveeno v (4). q n celk q q, (14) n if. n př. ke q n celk je celkové sluneční záření opaající na fotovoltaické panely [W m -2 ], q n if ifuzní záření ve směru orientace fotovoltaických panelů [W m -2 ] q n př je uveeno v (13). Tento způsob přepočtu se však ukázal téměř nepoužitelný v obobí výskytu silné oblačnosti. Součinitel znečištění atmosféry z ve vztahu (9) nekoresponuje s mírou oblačnosti (hustotou voních par v atmosféře), pravěpoobně pouze oráží znečištění atmosféry prachovými částicemi. Proto pro výše uveený přepočet intenzity přímého slunečního záření z at ze solarimetru byl zvolen jiný způsob a to pomocí procentuálního rozílu. Teoretický výpočet: vo vo p, (15) ke vo je intenzita ifuzní raiace opaající na voorovnou plochu [W m -2 ], vo intenzita přímé sluneční raiace na voorovnou plochu [W m -2 ], p procentuální rozíl šik šik, (16) p 1 ke je intenzita ifuzní raiace opaající na solarimetr, ve W/m 2, c naměřená ata solarimetrem [W m -2 ], p procentuální rozíl, (18) c ke je intenzita přímé sluneční raiace opaající solarimetr [W m -2 ], c naměřená ata solarimetrem [W m -2 ] ifuzní raiace opaající na solarimetr [W m -2 ], Přepočet na úhel orientace fotovoltaických panelů c p1 c (19) c, 1 p 1 (20) ke c je celková intenzita slunečního záření opaajícího na panely [W m -2 ], je uveeno v (18), p 1 je uveeno v (16). Z výslených honot byla pro jenotlivé měsíce vypočítána průměrná honota intenzity slunečního záření za hoinu, přičemž tato honota byla vynásobena plochou panelu, obou osvětlení a počtem nů v měsíci. oba osvětlení panelů byla v jenotlivých měsících různá, což bylo zohleněno při výpočtu a to z ůvou změny polohy slunce na obzorem. V násleujícím přípaě je uveen vzorový výpočet pro měsíc září (21): P P m ra Pm E A C ((378,98 11,25) 12) 30 9,34 %, ke P ra = [W] E = 378,98 [W m -2 ] A C = 11,25 [m 2 ] Čas = 12 [h] ny = 30 (21) Obobně byly proveeny výpočty pro měsíce červenec a srpen, ke byly vypočítány účinnosti 9,59 % a 9,89 %. Tyto honoty byly po oečtení ztrát stříače zprůměrovány a výslená účinnost fotovoltaických panelů byla pak 10,5 %. ke šik je intenzita ifuzní raiace opaající ve směru orientace panelů [W m -2 ], 51

6 3 Naměřené honoty Tabulka 3 porovnává teoretické a naměřené honoty oávky elektrické energie fotovoltaickými panely v prvním nu měsíce září. Obrázek 4 uváí porovnání skutečného výkonu panelů s úaji o výrobce. Celková výroba [W] ny Teoretická výroba [W] Skutečná výroba [W] Obrázek 4: Srovnání teoretické a reálné účinnosti panelů en Tabulka 3: Naměřené honoty září Teoretická výroba [W] Účinnost FV [%] Teoretická výroba FV [W] Skutečná výroba [W] ,37 0, , , ,35 0, , , ,51 0, , , ,87 0, , , ,63 0, , , ,22 0, , , ,43 0, , , ,14 0, , , ,35 0, ,90 876, ,43 0, , , ,81 0, , , ,20 0, , , ,15 0, , , ,93 0, , , ,27 0, , , ,82 0, , , ,33 0, ,95 678, ,47 0, , , ,83 0, , , ,42 0, , , ,36 0, , , ,10 0, , , ,09 0, ,86 365, ,16 0, , , ,06 0, , , ,85 0, , , ,17 0, , , ,01 0, , , ,69 0, , , ,94 0, , , Vliv atmosférického znečištění panelů na jejich výkon Nezbytnou součástí užívání fotovoltaických panelů je také jejich úržba, která spočívá zejména v ostraňování nečistot z povrchu panelů. Tyto nečistoty mají negativní vliv na účinnost fotovoltaických panelů. alším faktorem, který ovlivňuje efektivitu fotovoltaického panelů je stárnutí těchto panelů. Samotný proces stárnutí závisí na různých faktorech, jako je napříkla množství nečistot a příměsí obsažených v aném materiálu, nebo chemické složení a struktura materiálu. Stárnutí materiálu je efinováno jako souhrn nevratných změn vlastností materiálu za aných pomínek. K těmto změnám ochází v ůsleku působení světla, tepla, povětrnostních pomínek a atmosferických plynů. Tyto změny mají zásaní vliv na účinnost solárních panelů. Výrobci proto u parametrů panelů uávají také jejich životnost, stárnutí se projevuje zejména poklesem jejich účinnosti. Po 12 letech provozu se přepokláá snížení účinnosti přeměny energie o 10 % a po 25 letech řáově o 20 % [10]. Po ostranění nečistot z fotovoltaických panelů v obě mezi 11:14 11:16 při stejné intenzitě osvětlení jak je viět v tabulce 4, ošlo ke zvýšení účinnosti cca o 1 %, což okazuje obrázek 7. Tabulka 4: ntenzita slunečního záření Sluneční Čas [h] záření, c [W/m 2 ] 10:42 331,8 10:57 331,91 11:07 354,61 11:13 354,62 11:28 354,63 11:43 354,63 11:58 354,62 12:00 334,71 12:15 334, :12 8:24 9:36 10:48 12:00 13:12 14:24 15:36 Výkon [W] Obrázek 7: Zobrazení nárůstu výkonu po úržbě Celková účinnost fotovoltaických panelů se zvýšila na cca 11,5 % (o 1 % ze stavu pře úržbou). 52

7 Závěr Tato práce byla zaměřena na zjištění skutečné účinnosti fotovoltaických panelů, které slouží k napájení pokusného vytápěcího a chlaícího zařízení v laboratoři techniky prostřeí. Z výsleků měření vyplynulo, že účinnost fotovoltaických panelů je mnohem nižší než uává výrobce. Pole výrobce by se měl pokles účinnosti panelů vlivem stárnutí v prvních 10 letech průměrně pohybovat kolem jenoho procenta ročně. Z úajů výrobce tey vyplývá, že po pěti letech provozu by se tey měla účinnost pohybovat na úrovni 14,25 %. Této honoty se v průběhu našeho měření nepoařilo osáhnout. Ve sleovaném obobí byla vypočtena účinnost kolem 10,5 %. Po proveení úržby, která spočívala zejména v ostranění nánosu prachu z jenotlivých panelů, ošlo k nárůstu účinnosti cca o 1 % na celkových 11,5 %. Z naměřených honot vyplývá, že průměrný pokles (výkonu) fotovoltaických panelů se pohybuje kolem 4,75 % ročně. Poěkování Tento článek vznikl za popory nterní Grantové Agentury GA/FA/2013/025 a GA/FA/2013/039. Literatura [1] PETERA, Jiří a Jan HEŘMAN. Fotovoltaika. [online]. 2010,[cit ]. ostupné z: [2] KOPUNEC, Vít. Analytické metoy solárních panelů a systémů [online]. Brno, 2011 [cit ]. ostuné: 44/PLOMOVA%20prace_V%C3%At_Kopunec.p f?sequence=1. iplomová práce. VUT Brno. [3] Alebaran Bulletin. Současný stav a treny ve vývoji fotovoltaických panelů [online] [cit ]. ostupné z: [4] Complet Energy. Fotovoltaické elektrárny [online] [cit ]. ostupné z: s&file=article&si=15 [5] HABROVANSKY, Tomáš. Řízení a monitorování vytápěcího a chlaícího zařízení v laboratoři říících systémů buov [online].zlín, 2008 [cit ].ostupné z: iplomová práce. UTB Zlín. [6] Czech RE Agency. Fotovoltaický stříač [online]. [cit ]. ostupné z: ruhy-oze/fotovoltaika/fv-striac [7] SMA Solar Technology. FV stříače Sunny Boy 1100/1700 [online] [cit ]. ostupné z: [8] ČSN Výpočet tepelné zátěže klimatizovaných prostorů. Praha 2: Úřa pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, [9] STANĚK, Kamil. Efektivní účinnost FV systému pro buovy [online]. Brno, 2011 [cit ]. ostupné: pf/sekce_1.4/stanek_kamil_cl.pf [10] Solar Liglass. Fotovoltaické solární panely [online] [cit ]. ostupné z: 53