Rok / Year: Svazek / Volume: Číslo / Number: 21 12 6 Posouzení účinnosti hybridních napájecích systémů Hybrid Power System Efficiency Analysis Stanislav Mišák, Lukáš Prokop stanislav.misak@vsb.cz, lukas.prokop@vsb.cz Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Abstrakt: Kombinace využití provozu větrné a fotovoltaické elektrárny se ukázalo jako velmi výhodné při napájení samostatných izolovaných odběrných soustav. Na celkovou účinnost hybridního systému má vliv optimální volba jednotlivých komponentů systému. Výsledky z analýzy řetězce účinnosti hybridního systému jsou představeny v rámci tohoto článku. Abstract: We analyzed partial efficiency of hybrid power system with photovoltaic and wind power plant.
Posouzení účinnosti hybridních napájecích systémů Stanislav Mišák 1, Lukáš Prokop 1 1 Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB TU Ostrava Email: {stanislav.misak, lukas.prokop}@vsb.cz Abstrakt Kombinace využití provozu větrné a fotovoltaické elektrárny se ukázalo jako velmi výhodné při napájení samostatných izolovaných odběrných soustav. Na celkovou účinnost hybridního systému má vliv optimální volba jednotlivých komponentů systému. Výsledky z analýzy řetězce účinnosti hybridního systému jsou představeny v rámci tohoto článku. 1 Úvod V současné době jsou stále více populární tzv. hybridní obnovitelné zdroje elektrické energie.[1, 2, 3] Ve většině případů se jedná o paralelní spolupráci větrné a fotovoltaické elektrárny, přičemž výkon z jednotlivých zdrojů je využit pro nabíjení akumulačního zařízení, ze kterého je následně hrazena spotřeba elektrické energie v samostatné izolované napěťové soustavě. [4, 5] V případě hybridních zdrojů elektrické energie je využita časově odlišná závislost provozu jednotlivých zdrojů. V praxi to znamená, že v zimních měsících, kdy je převažující pro provoz hybridního zdroje energie z větrného proudění, je akumulační zařízení nabíjeno energií z větrné elektrárny. [6, 7, 8] Naopak, v letních měsících, kdy počet dnů s optimálním větrným prouděním je minimální, je akumulačního zařízení nabíjeno energií z fotovoltaických panelů. [9, 1, 11] Spojením dvou obnovitelných zdrojů s odlišným principem konverze elektrické energie vzniká jednotný hybridní zdroj s možností napájení izolovaných napěťových soustav, přičemž uvedenou kombinací provozu jednotlivých zdrojů je významně zvýšen a stabilizován interval dodávky elektrické energie. Takto vytvořených hybridních systémů je možné využít pro napájení odlehlých chatových osad, rodinných domů, systém je taktéž využitelný při napájení veřejného osvětlení, tunelů, počítačových serverů, prostě všude tam, kde by vybudování přípojky na veřejnou síť bylo problematické a taktéž všude tam, kde jsou zvýšeny nároky na stabilitu dodávky elektrické energie. využit pro napájení svítidla veřejného osvětlení s LED světelným zdrojem 4 W. Tabulka 1: Parametry fotovoltaického panelu [12] Typ panelu Jmenovitý výkon (Wp) napětí (V) proud (A) Polykrystalický 13 17,6 7,4 Tabulka 2: Parametry synchronního generátoru [13] Typ 3f synchronní generátor s permanentními magnety Jmenovitý výkon (W) napětí (V) otáčky (1/min) 2 31 35 2 Hybridní systém napájení VŠB TU Ostrava Na VŠB-TU Ostrava byl vytvořen hybridní systém sestávající se z fotovoltaické (13 Wp) a větrné elektrárny (2 W), které společně nabíjejí akumulátorovou baterii (34 A h) viz. obrázek 1 a obrázek 2. Základní parametry zmíněných obnovitelných zdrojů elektrické energie jsou uvedeny v tabulce 1 a 2. Hybridní zdroj je Obrázek 1: Hybridní systém na VŠB TU Ostrava Jako zdroj elektrické energie větrné elektrárny je využit 3fázový synchronní generátor buzený permanentními magnety. Výkon ze synchronního generátoru je usměrněn pomocí AC/DC konvertoru a pomocí DC/DC [14] konvertoru je tak- 122 1
též snížena hodnota výstupního napětí na stabilizovanou hodnotu 14 V DC. Jedná se o 3 fázový můstkový usměrňovač. Fotovoltaická elektrárna sestává z polykrystalického panelu orientovaného na jižní stranu se sklonem panelu 35. Pomocí regulátoru je výkonem z fotovoltaické elektrárny nabíjena akumulátorová baterie 12 V, 34 A h s NiCd články. Svítidlo veřejného osvětlení je následně napájeno z akumulátorové baterie přes DC/AC Konvertor. Kapacita akumulátorové baterie byla dimenzována na 14 denní odběr bez nabíjecího příkonu z jednotlivých elektráren. 3 je zřejmá startovací rychlost cca 4 m s -1, maximální hodnota výstupního výkonu je dosažena při hodnotě 1 m s -1. Při vyšších rychlostech je větrný motor brzděn odporem vzduchu, který je vytvářen víry v okolí lopatek větrného motoru při vyšších obvodových rychlostech. Výkon z fotovoltaického panelu je závislý na množství energie slunečního záření definovaného na jednotkovou plochu m 2 viz. obrázrk 4. 25, 2, WPP PVP 15, U (V) 1, AC/DC DC/DC REG DC 12 V 5,, 1 2 3 4 5 6 7 W m -2 Obrázek 4: Výkonová křivka fotovoltaické elektrárny AKU DC/AC LOAD Obrázek 2: Výkonová křivka fotovoltaické elektrárny Při výběru jednotlivých zdrojů elektrické energie hybridního systému byla rozhodující tzv. výkonová křivka. Jedná se o závislost výstupního elektrického výkonu na veličině charakterizující příkon jednotlivých zdrojů elektrické energie. V případě větrné elektrárny se jedná o závislost výstupního elektrického výkonu na rychlosti větru, v případě fotovoltaické elektrárny pak o závislost výstupního elektrického výkonu na intenzitě slunečního záření. Na obrázku 3 je zobrazena výkonová křivka pro větrnou elektrárnu 2 W hybridního systému VŠB-TU Ostrava. 3 25 2 P 15 (W) 1 5 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 v (m/s) Obrázek 3: Výkonová křivka větrné elektrárny 3 Analýza účinnosti hybridního systému VŠB TU Ostrava Účinnost přeměny elektrické energie větrné elektrárny je možné zvýšit optimalizací větrného motoru, optimalizací systému řízení či výběrem vhodné lokality a stanovením optimální výšky umístění větrného motoru. Pokud se jedná o fotovoltaickou elektrárnu, je účinnost přeměny závislá především na použité technologii, orientaci fotovoltaického panelu a v neposlední řadě samozřejmě taktéž na volbě vhodné lokality. V případě fotovoltaických a větrných elektráren není výstupní úroveň a tvar napětí využitelná pro přímé využití napájení spotřeby, proto je nutné použít řadu dodatečných konverzních zařízení pro úpravu výstupního napětí podle požadavků zátěže. V případě hybridního zdroje elektrické energie, který sdružuje dva technologicky odlišné obnovitelné zdroje je volba vhodných konverzních zařízení velmi problematická. Problematické je především nastavení součinnosti provozu jednotlivých zdrojů s ohledem na specifické podmínky provozu akumulátorových baterií, které vyžadují pomalé nabíjecí a vybíjecí procesy. Volbu vhodných konverzních komponentů je nutné prvně přizpůsobit V-A charakteristice samostatně pracujícího zdroje elektrické energie. U fotovoltaického panelu se jedná charakteristické průběhy výstupního napětí panelu při různém zatížení, které se budou měnit taktéž v závislosti na energii slunečního záření. Na obrázku 5 je zobrazena ukázka V-A charakteristiky fotovoltaického panelu, který je součástí hybridního zdroje, pro různé denní intervaly. Podle uvedené charakteristiky a dál taktéž podle požadavků na limity nabíjecího a vyvíjecího procesu akumulátorové baterie, je pak nutné zvolit regulátor, pomocí něhož je akumulátorová baterie nabíjena. Jako větrný motor je použit motor s vertikální osou otáčení, který byl vybrán pro nízkou startovací rychlost. U obrázku 122 2
25 2 deformace napěťového i proudového signálu vlivem spínací frekvence DC/DC konvertoru. 15 U (V) 1 5 1 2 3 4 5 6 7 4 (V) 3 2 1-1 5, (A) 3,75 2,5 1,25, -1,25 Obrázek 5: V-A charakteristika fotovoltaické elektrárny V případě optimalizace jednotlivých konverzních prvků pro úpravu napěťového signálu z generátoru větrné elektrárny je situace mnohem složitější. Výstupní napětí ze synchronního generátoru s permanentními magnety je nutné usměrnit a stabilizovat na hodnotu napětí potřebnou pro nabíjecí proces akumulátorové baterie. Pro usměrnění výstupního napěťového signálu je možné využít neřízený můstkový usměrňovač. Takto získaný napěťový DC signál je však nutné dále upravit na požadovanou úroveň a především stabilizovat s ohledem na zatěžovací charakteristiku generátoru s permanentními magnety. Na obrázku 6 je zobrazena zmiňovaná charakteristika pro generátor použitý v hybridním systému VŠB-TU Ostrava. 35 3 25 2 P (W) 15 1 5 Výkon generátoru,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, 6,5 12 otáček 2 otáček 35 otáček 4 otáček Obrázek 6: Zatěžovací charakteristika synchronního generátoru s permanentními magnety Synchronní generátor s permanentními magnety nemá možnost regulace úrovně napětí, toto je přímo úměrné otáčkám generátoru a je vyjádřeno napěťovou konstantou. Velikost výstupního výkonu na svorkách synchronního generátoru s permanentními magnety pak bude úměrná otáčkám generátoru, přičemž pracovní bod stroje se bude pohybovat v závislosti na daném zatížení stroje viz. obrázek 6. Úměrně velikosti napětí na výstupu ze synchronního generátoru se bude měnit i velikost stejnosměrného signálu na výstupu z usměrňovače, s ohledem na podmínky nabíjecího procesu akumulátorové baterie je tedy vhodné použít DC/DC, na jehož výstupu je možné nastavit požadovanou stabilizovanou úroveň napětí. Při použití polovodičové techniky je však nutné počítat s deformací napěťových i proudových signálů, která je způsobena zpětným vlivem uvedené polovodičové techniky. Příklad okamžitých průběhů sdruženého napětí na výstupu synchronního generátoru, napětí na výstupu z DC/DC konvertoru a proudu do zátěže je ukázán na obrázku 7. Z obrázku je zřejmá -2-3 -4-5, 15 2 25 3 35 4 (ms) 45 Obrázek 7: Okamžitý průběh napětí na výstupu synchronního generátoru s permanentními magnety (V), průběh napětí na výstupu DC/DC konvertoru (V), průběh proudu na výstupu generátoru (A) 8 75 7 65 6 η 55 (%) 5 45 4 35 3 1 2 3 4 5 6 7 Obrázek 8: Analýza účinnosti hybridního systému, samostatný chod generátoru, chod generátoru + AC/DC + DC/DC, chod generátoru + AC/DC + DC/DC + DC/AC Deformace sledovaných veličin při použití polovodičové techniky není však jediným negativním ovlivněním provozu hybridního systému. Každé konverzní zařízení pracuje s určitou účinností, která se promítne do vyhodnocení celkové účinnosti hybridního systému. Celková účinnost systému je pak vypočtena jako součin jednotlivých účinností komponentů systému. V laboratoři VŠB-TU Ostrava byla sledována účinnost hybridního systému pro případ použití různých konverzních zařízení. Analýza byla provedena pro řetězec: synchronní generátor s permanentními magnety-ac/dc konvertor-dc/dc konvertor-dc/ac konvertor-odporová zátěž. Analýza byla provedena pro jmenovité otáčky stroje, tedy 35 min -1. Pokud pracuje synchronní generátor přímo do zátěže, jedná se o ideální variantu provozu s ohledem na účinnost zařízení, která se pohybuje v rozmezí (67-78)%, přičemž maximální účinnosti je dosaženo v oblasti jmenovitého zatížení stroje. Pokud bychom na úpravu napěťového signálu dále použili AC/DC konvertor a DC/DC konvertor pro stabilizaci napětí, účinnost systému je snížena na hodnotu 64%. K dalšímu snížení účinnosti na hodnotu 57% pro jmenovitou zátěž dojde v případě zařazení střídače. Výsledky zmíněné analýzy účinnosti hybridního systému jsou graficky prezentovány na obrázku 8. -2,5-3,75 122 3
4 Závěr V době, kdy se klade stále větší důraz na energetickou nezávislost, dostává se do popředí využití tzv. hybridních systémů, které kombinují spolupráci dvou na sobě vzájemně nezávislých příkladně obnovitelných zdrojů elektrické energie. S využitím hybridních systémů je možné napájet odlehlé oblasti, pro které by bylo vybudování veřejné přípojky na distribuční soustavu nákladné, nebo napájet odběrná místa, kde je nutné zajistit nezávislost na distribuční soustavě. Při volbě jednotlivých komponent hybridního systému je nutné zvážit řadu kritérií, tak aby celková účinnost systému byla co nejvyšší. V rámci příspěvku je ukázána analýza účinnosti hybridního systému, který byl vybudován na VŠB-TU Ostrava. Hybridní systém využívá spolupráci dvou nejrozšířenějších obnovitelných zdrojů elektrické energie, a to spolupráci větrné a fotovoltaické elektrárny. S výsledků uvedených v příspěvku vyplývá náročnost výběru jednotlivých komponent systému, jelikož se jedná o složitý komplexní systém, kdy do výběru komponent je nutné zahrnout požadavky a nároky akumulačního zařízení, dále charakteristiku výstupního výkonu větrné a fotovoltaické elektrárny a v neposlední řadě investiční náklady. Při přípravě realizace hybridního systému je tedy nutné vycházet nejprve z dimenzování kapacity akumulačního zařízení na daný odběr, pokračovat ve volbě vhodného zdroje elektrické energie s ohledem na klimatické podmínky dané lokality a zvážit výběr vhodných konverzních zařízení ve výkonovém řetězci hybridního systému. 5 Poděkování [7] H. Li and Z. Chen, "Optimal direct-drive permanent magnet wind generator systems for different rated wind speeds," Aalborg, 27. [8] Y. Nam, et al., "Dynamic characteristic analysis of a wind turbine depending on varying operational conditions," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers, A, vol. 33, pp. 42-48, 29. [9] O. A. Soysal and H. S. Soysal, "From wind-solar energy educational demo system (WISE) to Sustainable Energy Research Facility (SERF)," 29 IEEE Power and Energy Society General Meeting, PES '9, 29. [1] H. Tokuyama, et al., "Experimental determination of optimum design configuration for micro wind turbines at low wind speeds," Wind Engineering, vol. 26, pp. 39-49, 22. [11] H. Wang, et al., "Design and optimization of proportional resonant controller for rotor current of a wind turbine driven DFIG," Wuhan, 28, pp. 252-256. [12] http://www.kyocerasolar.com/products/ksimodule.html [13] http://www.sawt.com.cn/ [14] http://www.blumczech.com/detail.php?id=57178&nazev=sd-35b-12 Tento článek byl zpracován v rámci výzkumu na projektu MSM 6198917 6 Literatura [1] B. Y. Ekren and O. Ekren, "Simulation based size optimization of a PV/wind hybrid energy conversion system with battery storage under various load and auxiliary energy conditions," Applied Energy, vol. 86, pp. 1387-1394, 29. [3] G. Feng, et al., "Experimental research on vertical axis wind turbine," Wuhan, 29. [4] E. S. Hrayshat, "Off-grid hybrid wind-diesel power plant for application in remote Jordanian settlements," Clean Technologies and Environmental Policy, vol. 11, pp. 425-436, 29. [5] J. Johansen, et al., "Increased aerodynamic efficiency on wind turbine rotors using winglets," Honolulu, HI, 28. [6] R. Lanzafame and M. Messina, "Optimal wind turbine design to maximize energy production," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, vol. 223, pp. 93-11, 29. 122 4