T.E.I ΠΑΤΡΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΚΑΛΥΨΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ (AC, DC)

Transcript

1 T.E.I ΠΑΤΡΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΠΙΩΝ ΜΟΡΦΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΗΣ ΔΙΑΤΑΞΗΣ ΓΙΑ ΚΑΛΥΨΗ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ (AC, DC) ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Dr.ΚΑΠΛΑΝΗΣ ΣΩΚΡΑΤΗΣ ΜΕΪΔΑΝΗΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΣΑΜΨΩΝ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ ΦΡΑΓΚΟΣ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗΣ 1

2 ΣΚΟΠΟΣ Σκοπός της εργασίας αυτής είναι : να σχεδιασθεί μια PV γεννήτρια που θα τροφοδοτεί φορτία φωτισμού AC και DC υπό μορφή αυτόνομης διάταξης ( standalone ) και να μελετηθεί η συμπεριφορά της. Ακόμη, να μελετηθούν και να διερευνηθούν οι λειτουργίες των επιμέρους στοιχείων της PV διάταξης. Ειδικότερα, θα διερευνηθούν παράμετροι όπως : Η κατανάλωση ενέργειας και ειδικότερα η χρονική κατανομή της καταναλισκόμενης ισχύος από μέρους διαφόρων φορτίων. Η αποθήκευση ενέργειας σε συσσωρευτές, με στόχο την αυτοδυναμία του φωτοβολταϊκού συστήματος για μια προκαθορισμένη χρονική περίοδο. Η διαστασιολόγηση της αυτόνομης PV γεννήτριας και των λοιπών στοιχείων που θα κριθούν αναγκαία για την κάλυψη των απαιτήσεων των ηλεκτρικών φορτίων. [1] Ο ρόλος του αντιστροφέα DC/AC και η ηλεκτρική του συμπεριφορά, καθώς και η απόδοσή του. [2] Α. ΦΩΤΙΣΜΟΣ ΧΩΡΩΝ Βασικά στοιχεία φωτισμού και φορτίων Α1. Ο φωτισμός ενός χώρου διακρίνεται : στο φυσικό φωτισμό, που προέρχεται από την άμεση ή διάχυτη, ηλιακή ακτινοβολία. [3] Κατά τη διάρκεια της ημέρας οι ανάγκες σε τεχνητό φωτισμό είναι ενεργειακά μικρότερες. Προσπαθούμε να επιτύχουμε: α) όσο το δυνατόν περισσότερο φυσικό φωτισμό μέσω ανοιγμάτων, (θερμικά μονωμένων παραθύρων) και β) μεγαλύτερη χρονικά διάρκεια φωτισμού. 2

3 στον τεχνητό φωτισμό ( φωτισμός μέσω της ηλεκτρικής ενέργειας, με χρήση λαμπτήρων ). 2 ) Η πηγή φωτισμού σε ένα χώρο πρέπει να είναι διαθέσιμη γενικά, καθ όλη τη διάρκεια του 24ώρου, εκτός εάν υπάρχουν διαφορετικές προδιαγραφές ή ανάγκες. Τα ηλεκτρικά φορτία είναι δυνατόν να διαφέρουν όχι μόνο σε επίπεδο ισχύος ( Watts ), αλλά και χρονικά ( profile ) κατά τη διάρκεια της ημέρας, σχήμα 1. Επίσης, τα φορτία αυτά μπορεί να είναι και DC, ενώ συνήθως είναι AC. Σχήμα 1 Δύο είδη χρονικών κατανομών φορτίων κατά τη διάρκεια της ημέρας. Παρατηρούμε ότι το φορτίο σε Wh/day είναι το ίδιο και για τις δύο περιπτώσεις, ενώ διαφέρει, όπως βλέπουμε, η απαιτούμενη ισχύς αιχμής κατά τη διάρκεια της ημέρας Αυτό έχει επίπτωση: α) στην ονομαστική τιμή ισχύος καθώς και στην απόδοση του αντιστροφέα AC/DC. βλ. βιβλιογραφία [4] 3

4 β) στην απόδοση και τη χωρητικότητα των συσσωρευτών. Ο συντελεστής διόρθωσης λόγω ταχύτητας φόρτισης - εκφόρτισης των συσσωρευτών, εξαρτάται από την ισχύ (ύψος) κατανάλωσης, δηλαδή από την τιμή του ρεύματος εκφόρτισης [5]. Α2. Τεχνητός φωτισμός Λαμπτήρες Μονάδες φωτεινής ροής φωτεινότητας Υπάρχουν διαφόρων τύπων λαμπτήρες που διακρίνονται ανάλογα κυρίως με την αρχή λειτουργίας τους σε : πυρακτώσεως αλογόνου - βολφραμίου φθορισμού συμπαγείς φθορισμού εκκενώσεως Μία σε βάθος ανάλυση των διαφόρων τύπων λαμπτήρων, με οικονομοτεχνικά στοιχεία δίνεται στο Παράρτημα Ι και στη βιβλιογραφία [6]. Στον ακόλουθο Πίνακα Ι παρατίθενται τα είδη των λαμπτήρων που συνδέονται στον ηλεκτρικό πίνακα που θα συνδεθεί με την PV γεννήτρια. 4

5 Πίνακας Ι: Είδη λαμπτήρων φωτισμού. Ονομασία Ισχύς Τάση Φωτεινότητα Τύπος Ενεργειακή κατάταξη DURA lamp 40 W 230 V 415 lumen Λαμπτήρας πυρακτώσεως E Radium 60 W 230 V Leuci 25 W 230 V Radium UV-EX Philips Masterline ES Paulmann quadro electronic NEONLITE GIAKO 35 W 12 V 45 W 12 V 15 W 230 V 7 W V Philips 75 W 230 V βιδωτός clear 710 lumen Λαμπτήρας πυρακτώσεως βιδωτός clear Λαμπτήρας πυρακτώσεως βιδωτός σφαιρικός 900 lumen Λαμπτήρας πυρακτώσεως αλογόνου (spot) 1300 cd Λαμπτήρας πυρακτώσεως αλογόνου (spot) 850 lumen Λαμπτήρας οικονομίας ( electronic energy saving ) 286 lumen Λαμπτήρας ηλεκτρονικής ενέργειας Λαμπτήρας πυρακτώσεως βιδωτός clear E Ε D C A Α E Ορισμοί: 5

6 Lumen : μονάδα μέτρησης της φωτεινής ισχύος, δηλαδή του ποσού της φωτεινής ενέργειας που ακτινοβολείται στη μονάδα του χρόνου. Φ = Q/t (Lm h/h) Cd (Candella): ορίζεται ως μονάδα φωτεινής εντάσεως, όταν μέσα σε στερεά γωνία 1(st) ακτινοβολείται φωτεινή ισχύς 1 Lm. Ενεργειακή κατάταξη: είναι η κατάταξη της IAEEL ( Ιnternational Αssociation for Εnergy-Εfficient Lighting ) για διάφορους τύπους λαμπτήρων (fluorescent, incandescent, low-voltage halogen lamps, compact fluorescent lamps). Η ενεργειακή κατάταξη των λαμπτήρων, βασίζεται σε μία σταθερά ενεργειακής απόδοσης Ε i. Αυτή η σταθερά ισούται με το πηλίκο της ισχύος εισόδου του λαμπτήρα προς μία ισχύ αναφοράς, που εξαρτάται από την απόδοση του λαμπτήρα σε lumen και τις θερμικές απώλειες. Η κατάταξη των λαμπτήρων εμπορίου δίδεταί στο σχήμα 2 και είναι η ακόλουθη: Σχήμα 2 : Ενεργειακή κατάταξη λαμπτήρων από Α-G A: φωσφορούχοι λαμπτήρες φθορισμού είτε κλασικού τύπου εκκίνησης, είτε συμπαγούς κατασκευής με ηλεκτρονικό εκκινητή. Compact fluorescent lamps. 6

7 B: αλογόνου και φωσφορούχου άλατος λαμπτήρες φωτισμού είτε κλασικού τύπου εκκίνησης, είτε συμπαγούς κατασκευής με μαγνητικό εκκινητή. Compact fluorescent lamps. C: Αποδοτικοί λαμπτήρες αλογόνου με επικάλυψη για το υπέρυθρο. D: Λοιποί λαμπτήρες αλογόνου. E-F: Πρότυποι λαμπτήρες τύπου GLS. G: Λαμπτήρες πυρακτώσεως χαμηλής απόδοσης. Ας αναλύσουμε περισσότερο ένα σύγχρονο τύπο λαμπτήρων όπως είναι οι: Λαμπτήρες Οικονομίας Σε κάθε ηλεκτρολογική και γενικά σε κάθε ενεργειακή μελέτη βασικό ζητούμενο είναι η εξοικονόμιση ενέργειας, χρημάτων καθώς και η βελτίωση της ποιότητας του περιβάλλοντος. Στον Πίνακα χρησιμοποιούνται λαμπτήρες οικονομίας των οποίων η ζήτηση έχει αυξηθεί τον τελευταίο καιρό λόγω των πλεονεκτημάτων λειτουργίας τους που είναι: χαμηλότερη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας εγγυημένη μακροζωία του λαμπτήρα, δηλαδή, περισσότερες ώρες λειτουργίας μεγαλύτερη ευκολία χρήσης καλαισθησία στο σχεδιασμό τους Δύο τέτοιοι τύποι λαμπτήρων που είναι συνδεδεμένοι στον ηλεκτρικό πίνακα είναι: Ο λαμπτήρας τύπου NEONLITE GIAKO E 14 7

8 Σχήμα 3: NEONLITE GIAKO V 7W Ο λαμπτήρας αυτός με ισχύ κατανάλωσης 7W αντιστοιχεί σε φωτεινότητα με μία λάμπα πυρακτώσεως 35W και έχει δεκαπλάσια διάρκεια ζωής (10000 ώρες ). Ο λαμπτήρας Paulmann quadro electronic E 27 Σχήμα 4: Paulmann Quadro Electronic 230V 15W Ο λαμπτήρας αυτός ισχύος 15W αντιστοιχεί σε φωτεινότητα με μία λάμπα πυρακτώσεως 75W και έχει οκταπλάσια διάρκεια ζωής ( 8000 ώρες ). Ενεργειακή oικονομία προσφέρει και ο τύπος λαμπτήρα (halogen spot) Masterline ES λόγω της κατασκευής του. Είναι ένα προϊόν μακράς χρονικής διαρκείας λειτουργίας, σε χαμηλή τάση12v/35w σχήμα 5. Η κατασκευή του λαμπτήρα αυτού, είναι τέτοια ώστε να επιτυγχάνεται συγκράτηση της θερμότητας που εκλύεται από το νήμα κατά την πυράκτωσή του, με συνέπεια να απαιτείται ως και 40% λιγότερη ενέργεια για τη λειτουργία του λαμπτήρα. Λόγω της κατασκευής του έχουμε μέχρι 40 % λιγότερη παραγόμενη θερμότητα από τον λαμπτήρα και μέχρι 66% μεγαλύτερη διάρκεια ζωής σε σύγκριση με τα κοινά spots αλογόνου (5000 hours) 8

9 Σχήμα 5α: φωτογραφία του spot αλογόνου masterline ES της Philips με δύο τύπους ανακλαστήρα. Σχήμα 5β: Σχηματική παράσταση Spot αλογόνου τύπου masterline ES. Παρατηρούμε τα ποσοστά έκλυσης θερμότητας από τον λαμπτήρα. Το 65% της εκλυόμενης θερμότητας πηγαίνει προς την πίσω πλευρά του λαμπτήρα, ενώ το 35% προς την κατεύθυνση της εκπομπής του φωτός. ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Κατά τη διαδικασία της εκτέλεσης των πειραμάτων, ο φοιτητής καλείται να διαπιστώσει ότι οι λαμπτήρες αυτών των τύπων δεν εκλύουν μεγάλα ποσά θερμότητας, και επομένως αποδίδουν περισσότερη φωτεινή ενέργεια, άρα έχουν υψηλότερη απόδοση. βλ. βιβλιογραφία [7]. Εν κατακλείδι, στο πείραμα αυτό Θα μελετήσουμε τη λειτουργία μίας PV γεννήτριας που τροφοδοτεί συγκεκριμένα ηλεκτρικά φορτία (λαμπτήρες), που λειτουργούν υπό AC ή και DC τάση. Η PV διάταξη θα είναι αυτοδύναμη, δηλαδή, δε θα απαιτεί παροχή ισχύος από άλλη ανεξάρτητη πηγή ενέργειας (Diesel, ανεμογεννήτρια ή δίκτυο κ.λ.π.). Στη διάταξη αυτή της PV γεννήτριας, τα επιμέρους στοιχεία της και τα μεγέθη τους σχετίζονται με το είδος των φορτίων, την ισχύ τους και τη χρονική τους κατανομή (profile). 9

10 Είναι επομένως ανάγκη να μελετήσουμε σε βάθος την PV διάταξη και να τη διαστασιολογήσουμε. Β. PV ΔΙΑΤΑΞΗ ΓΙΑ ΚΑΛΥΨΗ ΑΝΑΓΚΩΝ ΦΩΤΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΛΟΙΠΩΝ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΩΝ Β1.Εισαγωγή Η PV διάταξη, που δίδεται σχηματικά από το σχήμα 6, παρέχει ισχύ, σε καταναλωτές AC και DC. Συγκεκριμένα, η PV διάταξη που θα χρησιμοποιηθεί στα πειράματα αποτελείται από 2 PV πλαίσια με ισχύ 55 W p,(ισχύς αιχμής), το καθένα υπό συνθήκες S.T.C. Ειδικότερα για τον ορισμό των S.T.C. βλ. Β2. Βασικά στοιχεία της διάταξης είναι : α) Ένα σύστημα συσσωρευτών που χρησιμοποιείται για να αποθηκεύεται η ηλεκτρική ενέργεια υπό μορφή χημικής. Επομένως, όταν η PV γεννήτρια δε θα λειτουργεί, είτε επειδή δεν προσπίπτει ικανό ποσό ηλιακής ακτινοβολίας είτε επειδή είναι νύκτα, η κάλυψη των ηλεκτρικών φορτίων θα επιτυγχάνεται μέσω των συσσωρευτών. Είναι επακόλουθο λοιπόν να μελετηθεί και η διάταξη του συστήματος αποθήκευσης. β) Ένας αντιστροφέας DC/AC, oνομαστικής ισχύος 550 W, για κάλυψη των ηλεκτρικών φορτίων που λειτουργούν υπό τάση AC. Προσοχή πρέπει να δοθεί, ώστε η ονομαστική ισχύς του αντιστροφέα DC/AC να καλύπτει το άθροισμα των ισχύων των λαμπτήρων, P inv ΣP Li (1) στην περίπτωση όταν και εφόσον όλοι οι λαμπτήρες θα ευρίσκονται σε πλήρη λειτουργία. Έν κατακλείδι, η ονομαστική ισχύς εξόδου του αντιστροφέα, δεν πρέπει να είναι μικρότερη από τη μέγιστη ισχύ που καταναλώνουν οι καταναλωτές, με βάση το profile τους (την χρονική κατανομή των φορτίων), βλ. σχήμα 1, ή ορθότερα το ονομαστικό φορτίο (W) τους. Eιδικότερα, το κύκλωμα της PV διάταξης που θα χρησιμοποιηθεί στη μελέτη, είναι αυτό του σχήματος 4γ: 10

11 6α) 6β) 6γ) Σχήμα 6 : γεννήτριας Τα σχήματα α,β,γ, δίνουν τη γενική διάταξη μίας PV Περιγραφή των στοιχείων της PV διάταξης και των φορτίων που θα καλύψει. Για την πραγματοποίηση αυτής της μελέτης χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες συσκευές : 1) 2 PV πλαίσια Siemens SM55 2) Ένας αντιστροφέας 12V DC/230V AC 50-60Hz 3) Δύο dimmers (ένα για DC και ένα για AC) 4) Ένας διακόπτης τριών θέσεων 11

12 5) Διάφοροι τύποι λαμπτήρων, που συνδέονται σε ένα ηλεκτρικό πίνακα, βλ. σχήμα 16 6) Δύο αμπερόμετρα (ένα DC και ένα AC) 7) Δύο βολτόμετρα (ένα DC και ένα AC) 8) Καλώδια βραχυκύκλωσης 9) Συσσωρευτές Pb-οξέος με χωρητικότητα έκαστος 600 Ah και πολική τάση V b =2 Volts Σχετικά με τους dimmer Παλαιότερα οι dimmers, χρησιμοποιούσαν αντιστάσεις ισχύος για τη λειτουργία τους και σκοπό είχαν να επιτύχουν αυξομείωση της τάσης που εφαρμοζόταν στους λαμπτήρες. Με την πρόοδο των ηλεκτρονικών ισχύος, η κατασκευή των dimmer στηρίζεται στα thyristors και τα triacs. Συγκεκριμένα, επιτυγχάνεται εφαρμογή τάσης στους λαμπτήρες για χρόνο μικρότερο από τον χρόνο της περιόδου της AC τασης. Συνεπώς μεταβάλλεται ο λόγος t on /t off (duty cycle). Παράδειγμα Αν η τάση στα άκρα του λαμπτήρα εφαρμοστεί για μισή περίοδο, τότε ο λαμπτήρας δε θα είναι τόσο φωτεινός, όσο όταν η τάση εφαρμοζόταν για ολόκληρη την περίοδο, επειδή παρέχεται λιγότερη ενέργεια για τη θέρμανση του νήματος του λαμπτήρα. To σχήμα (i) δείχνει την κυματομορφή της τάσης σε ένα λαμπτήρα και συνεπώς την ισχύ AC που παρέχεται σ αυτόν (i) Εδώ βλέπουμε την τάση όταν το θυρίστορ έρχεται σε έναυση για γωνία έναυσης π/2 : (ii)

13 Σχήμα 7: κυματομορφές της τάσης ενός λαμπτήρα. Στην πρώτη περίπτωση έχουμε πλήρες ημίτονο και στη δεύτερη η διαφοροποίηση της κυματομορφής από την ημιτονοειδή μορφή οφείλεται στη λειτουργία του dimmer. Γίνεται αντιληπτό ότι, αλλάζοντας το σημείο έναυσης του θυρίστορ, το ποσό ενέργειας που παρέχεται στο λαμπτήρα μπορεί να μεταβάλλεται και συνεπώς και η φωτεινότητα του λαμπτήρα. Χαρακτηριστικά των φωτοβολταϊκών πλαισίων, τύπου SM55 Μεγίστη ισχύς ή Ισχύς αιχμής : 55 Watts ή 55 Wp (Watts peak): ισχύς στο MPP, σε συνθήκες STC. Ένταση ρεύματος : α) ρεύμα βραχυκύκλωσης i sc : 3.45 A β) ρεύμα στο MPP σε συνθήκες STC i mpp ή i m : 3.15 A Τάση : a) Τάση ανοικτού κυκλώματος, V oc : 21.7 V b) τάση στο MPP σε συνθήκες STC V mpp ή V m : 17.4 V Επομένως: P MPP =i m v m = = W B2. ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕ ΤΗ PV- ΔΙΑΤΑΞΗ Τα PV πλαίσια της διάταξης έχουν εγκατασταθεί έτσι ώστε να έχουν νότιο προσανατολισμό και να έχουν δυνατότητα μεταβολής της κλίσης, β, ως προς το οριζόντιο. Τούτο είναι αναγκαίο για τη μελέτη της αποδιδόμενης ισχύος ανάλογα με την κλίση των PV πλαισίων, ως προς το οριζόντιο. Το σχήμα 8 δείχνει τη διάταξη αυτή. 13

14 Σχήμα 8: Το σχήμα 8 δείχνει τα 2 ΡV πλαίσια της γεννήτριας που είναι σε κλίση ως προς το κατακόρυφο ενώ ένα τρίτο, το οποίο είναι δυνατό να συνδεθεί με τα δύο προηγούμενα, είναι σε κατακόρυφη θέση για μελέτη της απόδοσης του PV πλαισίου σε σχέση με την κλίση του. Κατά το θέρος, όταν το ύψος, α, του ήλιου, είναι μεγάλο, τα PV πλαίσια πρέπει να έχουν μικρή κλίση ως προς το οριζόντιο ώστε η ηλιακές ακτίνες να πέφτουν κάθετα σ αυτά. Για τη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας Ι Τ (W/m 2 ), που προσπίπτει στην επιφάνεια του PV πλαισίου, χρησιμοποιούμε ένα πυρανόμετρο το οποίο είναι στερεωμένο σε ένα βραχίονα, ο οποίος είναι προέκταση της επιφάνειας του φωτοβολταϊκού πλαισίου. Περισσότερα για το πυρανόμετρο δίδεται στη βιβλιογραφική αναφορά [8]. Ισχύς του PV πλαισίου SM55 Η ονομαστική ισχύς του PV πλαισίου, είναι 55 Watts ή Wp. Eίναι η ισχύς που αποδίδει το PV πλαίσιο, κάτω από τυπικές συνθήκες, οριζόμενες ως «Standard Test Conditions». Standard Test Conditions. Για τη σύγκριση των PV πλαισίων ως προς την αποδιδόμενη ισχύ, και ειδικότερα για να εκτιμηθεί η εγκατεστημένη ισχύς ή «ισχύς αιχμής» 14

15 , Wp, πρέπει να υπάρχει ένα σύστημα αναφοράς, με το οποίο θα εκτιμάται η παραγόμενη ισχύς από το PV πλαίσιο. Αυτός είναι και ο λόγος χρήσης των Standard Test Conditions. Με τον όρο ( S.T.C.) αναγνωρίζουμε τις ακόλουθες περιβαλλοντικές συνθήκες : Ένταση ηλιακής ακτινοβολίας επί του PV πλαισίου 10 3 W /m 2 ή 100 mw/cm 2. Ηλιακό φάσμα ΑΜ 1,5 ( Air Mass ). Περισσότερα στη βιβλιογραφία Θερμοκρασία του PV στοιχείου (κυψελίδας) : T c = 25 o C [8] Ωστόσο 1. Οι πραγματικές συνθήκες δεν προσεγγίζουν αυτές των S.T.C.. Σε πραγματικές συνθήκες η T c > 40 o C και παρατηρούνται, σημαντικές αποκλίσεις απ την ονομαστική ισχύ P m ή Wp. Γενικά ισχύει ότι: η P m ελαττώνεται κατά 0,4% για κάθε 1 ο C αύξησης της θερμοκρασίας του PV πλαισίου, άνω των 25 ο C. Παράδειγμα Ι Εάν η θερμοκρασία του PV πλαισίου είναι 55 ο C, τότε έχουμε θερμοκρασία 30 ο C άνω των 25 ο C, όπως ορίζεται στις S.T.C. Επομένως, θα υπάρξει 30 ο C 0.4 %/ ο C =12% μείωση της ισχύος. Η μείωση αυτή είναι 6.6 Watts και συνεπώς, η αποδιδόμενη ισχύς είναι P = 55W-6.6 W = 48.4 Watts. 2. Επειδή η φωτοβολταϊκή μετατροπή έχει απόδοση γύρω στο 12 % - 15 %, ανάλογα με τον τύπο της φωτοβολταϊκής κυψελίδας (c-si, pc-si, a-si), είναι φανερό ότι ένα μεγάλο ποσοστό της ακτινοβολίας που προσπίπτει και αλληλεπιδρά στα ημιαγωγά στοιχεία του PV μετατρέπεται σε θερμότητα. Στόχος είναι η εκμετάλλευση της θερμότητας του πλαισίου. Για τούτο πρέπει να σχεδιαστεί ένα σύστημα όπου απ την PV γεννήτρια θα λαμβάνεται τόσο η ηλεκτρική ισχύς, όσο και θερμική ενέργεια, δηλαδή, ένα συνδυαστικό, (PV θερμικό) σύστημα. [9] Τούτo επιτυγχάνεται με τη δημιουργία βεβιασμένης ή αυθόρμητης αγωγής ρευστού, που απάγει θερμότητα από την οπίσθια επιφάνεια των PV πλαισίων. Το ρευστό μπορεί να είναι είτε αέρας που κινείται εφαπτόμενος της οπίσθιας επιφάνειας και τοιουτοτρόπως θα θερμαίνεται, είτε ρευστό 15

16 (νερό ή Freon), το οποίο ρέει, μέσω αγωγών / σωλήνων, που έρχονται σε καλή θερμική επαφή με την οπίσθια επιφάνεια του PV πλαισίου, ή άλλος καινοτομικός σχεδιασμός / εφαρμογή. Το ίδιο το θερμανθέν ρευστό οδηγείται σε αποθηκευτικό χώρο, είτε στο χώρο θέρμανσης, ανάλογα με τη σχεδίαση της εφαρμογής. Ένα τέτοιο σύστημα, PV+θερμικό, παρουσιάζεται στην εργασία για την ενεργειακά ολοκληρωμένης ηλιακής παθητικής κυψελίδας (test cell). Αποτέλεσμα : Με τη διάταξη των σωλήνων σε θερμική επαφή με την οπίσθια πλευρά του PV πλαισίου λαμβάνουμε θερμότητα από το PV πλαίσιο. Η θερμότητα που λαμβάνουμε μειώνει τη θερμοκρασία του PV πλαισίου οπότε μετριάζεται η πτώση της απόδοσης του PV συστήματος προσεγγίζοντας κατά κάποιο τρόπο την ονομαστική τιμή. Παράδειγμα ΙΙ Φέρουμε σε θερμική επαφή σωλήνες εντός των οποίων ρέει νερό ή Freon, με την οπίσθια πλευρά του PV πλαισίου. Η θερμοκρασία του PV πλαισίου ας υποθέσουμε ότι πέφτει από 55 ο C που είχαμε στο Παράδειγμα Ι στους 40 ο C. Συνεπώς η αύξηση της Τc (άνω των 25 ο C) είναι τώρα 15 ο C. Επομένως η μείωση της ισχύος από PV πλαίσια είναι 15 ο C 0,4 %/ ο C = 6 %. Τελικά οι απώλειες ισχύος στα PV πλαίσια των 55 Watts είναι 6% 55 W = 3.3 Watts. Εν κατακλείδι με τη χρήση ενός μεικτού PV + θερμικού συστήματος: 1. Επιτυγχάνεται μικρότερη απώλεια ισχύος σε σχέση με την προηγούμενη περίπτωση Watts. 2. Διασφαλίζουμε μια μικρότερη μείωση της απόδοσης. 3. Εξασφαλίζουμε και σα θερμικό κέρδος από την PV γεννήτρια για το οποίο μέχρι τώρα χρησιμοποιούμε τους ηλιακούς συλλέκτες. Περισσότερα στο παράρτημα ΙΙΙ και στο φυλλάδιο της μελέτης της ενεργειακά ολοκληρωμένης ηλιακής κυψελίδας (test cell). 16

17 Β3. ΧΡΗΣΗ ΔΙΟΔΩΝ by-pass Είναι σύνηθες και πρέπει να αποφεύγεται, ότι τα PV πλαίσια γενικά σκιάζονται, μερικώς ή ολικώς όταν τοποθετούνται σε κτίρια. Τότε παρατηρείται το φαινόμενο της αντίστροφης πόλωσης σχήμα 6. Κατά το φαινόμενο αυτό δεν αποδίδεται ισχύς από το PV στοιχείο και η ηλιακή ενέργεια εγκλωβίζεται στο PV στοιχείο υπό μορφή θερμότητας η οποία αναπτύσσεται σε αυτό. Αν η Τ c υπερβεί τους ο C, τότε τα PV-στοιχεία αυτοκαταστρέφονται. Για να αποφύγουμε μια τέτοια ανεπιθύμητη κατάσταση η οποία μπορεί να καταστρέψει την PV γεννήτριά μας, παρεμβάλλουμε εν παραλλήλω προς τα PV στοιχεία διόδους by pass. Για λόγους οικονομίας η δίοδος by-pass συνδέεται με 6 ή 12 PV στοιχεία, αντί να συνδέεται παράλληλα προς κάθε PV στοιχείο, βλ. σχήμα

18 Σχήμα 10: Συνδεσμολογία εν παραλλήλω των διόδων by-pass σε PV πλαίσια. Σχήμα11: Σύνδεση PV στοιχείων που περιλαμβάνει διόδους by-pass (παράκαμψης) και αντεπιστροφής (εν παραλλήλω και εν σειρά). 18

19 Β4. ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑΣ SOLARIX 550 RI Ο αντιστροφέας DC/AC είναι ένα απαραίτητο στοιχείο για μία PV διάταξη, για κάλυψη και φορτίων AC, σχήμα 12. Με τη χρήση του έχουμε πολλά πλεονεκτήματα. Μετατρέπει την DC τάση που παίρνουμε από τα PV, σε AC, και συγκεκριμένα έχουμε μια AC έξοδο 230 V, 50 Hz. βλ. Παράρτημα ΙΙ με όλα τα λειτουργικά στοιχεία του αντιστροφέα DC/AC Μπορούμε να τροφοδοτήσουμε και DC φορτία απ την έξοδο των 12V DC, του αντισροφέα DC/AC. Τροφοδοτούμε AC φορτία απ την AC έξοδο. Ταυτόχρονα μπορούμε να φορτίσουμε και μπαταρίες 12 V, όπως δείχνει το σχήμα 14 και το σχήμα

20 Σχήμα 12: Φωτογραφία του ηλεκτρονικού κυκλώματος του αντιστροφέα DC/AC Σχήμα 13: Έμπρόσθια επιφάνεια του αντιστροφέα DC/AC με επεξηγήσεις των διάφορων εξόδων και ενδεικτικών LEDS εισόδου. Σχήμα 14: Σχηματική απεικόνιση συνδεσμολογίας αντιστροφέα με PV γεννήτρια, μπαταρία, φορτία DC και AC. 20

21 Σχήμα 15: α) Συνδεσμολογία αντιστροφέα DC/AC απ ευθείας παραγωγής AC από μπαταρία και β) έξοδος AC και DC όταν η PV γεννήτρια είναι συνδεδεμένη με τον αντιστροφέα μαζί με την μπαταρία καθώς και τροφοδοσία DC και AC φορτίων. Ο αντιστροφέας αυτός ευρίσκει πολλές εφαρμογές αφού μπορεί να τροφοδοτήσει φορτία ως και 550 W. Κάποια τυπικά φορτία είναι τα ακόλουθα : εργαλεία και οικιακές συσκευές TV, hi fi διάφοροι λαμπτήρες, (πυρακτώσεως, spots, ηλεκτρονικοί, οικονομίας) Μπορεί να λειτουργήσει ακόμα και μονοφασικές μηχανές και ψυγεία, αλλά με προσοχή κατά την εκκίνηση λόγω του μεγάλου ρεύματος εκκίνησης. 21

22 Γ1. Γενικά Γ. ΑΝΑΛΥΤΙΚΗ ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΗΣ PV ΔΙΑΤΑΞΗΣ Σχήμα 16: Πλήρης συνδεσμολογία της PV διάταξης Στο σχήμα 12, παρατηρούμε τη συνδεσμολογία το της PV γεννήτριας με το κύκλωμα του πίνακα με τα DC και AC ηλεκτρικά φορτία. Παρατηρούμε ότι από τα PV πλαίσια τροφοδοτούμε απ ευθείας τον αντιστροφέα. O αντιστροφέας παρέχει τρεις εξόδους. Μία γραμμή DC και μια γραμμή AC οι οποίες θα καλύπτουν τις ανάγκες των φορτίων μας. Επίσης από το σχέδιο παρατηρούμε την ύπαρξη μίας τρίτης γραμμής η οποία οδηγείται στους συσσωρευτές για την φόρτισή τους. Στη συνέχεια και εφόσον η PV γεννήτρια δεν παρέχει ισχύ,(νύκτα, σκοτεινός ουρανός ή σκίαση PV πλαισίων) ο αντιστροφέας DC/AC παρέχει ισχύ AC μέσω των συσσωρευτών. Συγκεκριμένα για : τάση DC Τα PV πλαίσια που χρησιμοποιούνται, βλ. σχήμα 8, είναι συνδεδεμένα εν παραλλήλω. Στην έξοδό τους η τιμή της τάσης κυμαίνεται ανάλογα με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και την ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει και μπορεί να φτάσει ως τα 17,4 Volts, που είναι η V mpp για συνθήκες S.T.C.. Η PV γεννήτρια, συνδέεται στον αντιστροφέα και μπορεί να τροφοδοτήσει τις λυχνίες αλογόνου 12 V, 35 W της RADIUM και της PHILIPS. 22

23 Αυτά αποτελούν και τα DC φορτία του πίνακα. Ακόμα μπορούν να τροφοδοτηθεί ο συμπιεστής (compressor) ενός ψυγείου, βλ. φυλλάδιο εργασίας (ψυγείο τροφοδοτούμενο από PV γεννήτρια) H τροφοδοσία των λυχνιών αλογόνου μπορεί να γίνει μέσω του αντιστροφέα, που δίνει έξοδο για DC φορτία, αλλά και από τους συσσωρευτές. Με τη διάταξη αυτή καλύπτονται τα φορτία για 24 ώρες. Ομιλούμε για θεωρητική εικοσιτετράωρη κάλυψη των φορτίων. Δηλαδή, η ισχύς από το σύστημα της PV γεννήτριας και των συσσωρευτών πρέπει να είναι ίση με τα φορτία που πρέπει να καλύψουμε σε Wh ή Αh υπό τάση μεταφοράς V s = 12 Volts ολοκληρωμένη κατά τη διάρκεια της ημέρας. t t Pm(t)dt Epv Ql Epv είναι η ενέργεια που παράγει ημερησίως η PV γεννήτρια με ισχύ αιχμής Pm (W p ), Q L είναι το ημερήσιο φορτίο Ο αντιστροφέας ικανοποιεί και τις απαιτήσεις ενός ελεγκτή φόρτισης (charger). Με τα αμπερόμετρα και βολτόμετρα AC και DC του πίνακα μετρούμε την τάση και την ένταση του ρεύματος, και υπολογίζουμε την ισχύ κατανάλωσης, καθώς μεταβάλλοντας την φωτεινότητα των λαμπτήρων, με τη χρήση του DC dimmer του πίνακα καθώς και των άλλων λαμπτήρων με το AC dimmer. (2) AC VOLTAGE Τα PV πλαίσια συνδέονται με τον αντιστροφέα DC/AC, ώστε να καλυφθούν τα AC φορτία. Ο αντιστροφέας έχει ονομαστική ισχύ P N = 550 W και έξοδο 220 V AC. 23

24 Επομένως, πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή στη διαστασιολόγηση του αντιστροφέα ώστε να καλυφθούν τα φορτία, AC. Ο αντιστροφέας συνδέεται μέσω εξόδου με τους συσσωρευτές (σχήματα 14, 15, 16) στους οποίους δίνει αλλά και παίρνει ενέργεια, όταν δε λειτουργεί η PV γεννήτρια. Στον ηλεκτρικό πίνακα υπάρχουν θέσεις για τη σύνδεση διαφόρων τύπων λαμπτήρων (πυρακτώσεως, ηλεκτρονικούς, οικονομίας ). Με τα AC όργανα, μετρούμε τάση - ένταση, και παρατηρούμε τις μεταβολές τους ανάλογα με τα φορτία. Επίσης, με τη χρήση του AC dimmer μπορούμε να μεταβάλλουμε τη φωτεινότητα και να εξετάσουμε, μέσω των οργάνων, τις αλλαγές στις τιμές της τάσης, έντασης των λαμπτήρων και συνεπώς της ισχύος. Κάνοντας απλούς χειρισμούς στον πίνακα, παρατηρούμε οτι π.χ. ένας λαμπτήρας αναγράφει 35W λόγω της χρήσης του dimmer καταναλώνει 30W ή 25W ή 20W. Είναι δηλαδή δυνατό με τη χρήση του dimmer ο λαμπτήρας να καταναλώνει ισχύ μικρότερη της αναγραφόμενης καθώς από αυτόν διέρχεται ρεύμα μικρότερης εντάσεως. Επομένως, προκύπτει ότι I εν x V εν < P L (W) που είναι η ονομαστική αναγραφόμενη ισχύς του λαμπτήρα. Αποτέλεσμα αυτού είναι μία μικρότερη φωτεινότητα και φωτεινή ροή από τον λαμπτήρα. Σχήμα 17: Φωτογραφία του πίνακα οργάνων και φορτίων, κατά τη λειτουργία του, συνδεδεμένου με τον αντιστροφέα. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 24

25 1) Μέσω των οργάνων του ηλεκτρικού πίνακα, (σχήμα 17), μπορούμε να πάρουμε τις απαραίτητες μετρήσεις και να κάνουμε διάφορους υπολογισμούς, όπως εύρεση της καταναλισκόμενης ισχύος και συνάρτησή της με την φωτεινότητα (Lumen) μετρούμενη με το luxmeter, Παράρτημα V. Επισημαίνουμε ότι η ένταση του ρεύματος και η τάση μετρούνται με το όργανο nanovip Παράρτημα ΙV. 2) Μέσω των dimmer μπορούμε να παρατηρήσουμε την μεταβολή της φωτεινότητας, καθώς και ποια ηλεκτρικά μεγέθη μεταβάλλονται και πόσο. 3)Μία ακόμα παρατήρηση που πρέπει να γίνει είναι σχετικά με τη λειτουργία των λαμπτήρων οικονομίας. Μπορούμε να επιβεβαιώσουμε το γεγονός ότι οι λαμπτήρες οικονομίας έχουν την ίδια φωτεινότητα με λαμπτήρες πυρακτώσεως μεγαλύτερης ισχύος, αλλά έχουν μικρότερη κατανάλωση ενέργειας, γεγονός που μπορεί να επαληθευθεί πειραματικά από το γινόμενο I εν x V εν, ή πρακτικά από το γεγονός ότι στους λαμπτήρες αυτούς η επιφάνειά τους παραμένει κρύα, σε αντίθεση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. 4) Επίσης μπορούμε να παρατηρήσουμε την ικανότητα του αντιστροφέα DC/AC να παρέχει δύο εξόδους ταυτόχρονα και έτσι να μπορούμε να τροφοδοτούνται ταυτόχρονα δύο κυκλώματα ( ένα με AC φορτία και ένα με DC φορτία ). 5) Τέλος, παρατηρούμε τους διαφόρους τύπους λαμπτήρων που υπάρχουν στον πίνακα ( αλογόνου, οικονομίας, πυρακτώσεως ) και την χαρακτηριστική τους συμπεριφορα ως προς την ισχύ που καταναλίσκουν και τη φωτεινότητα που παρέχουν. Δ1.Εισαγωγή Δ.ΣΥΣΣΩΡΕΥΤΕΣ ΑΝΑΓΚΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Ως γνωστόν η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ανάλογα, μεταβάλλεται και η ένταση του ρεύματος που δίνει ένα PV πλαίσιο. Αποτέλεσμα είναι τις βραδινές ώρες,να μην παράγει ισχύ η PV γεννήτρια. Επίσης, επειδή ο αντιστροφέας έχει μια συγκεκριμένη ισχύ εισόδου, κάτω από αυτή, δε δίδει ισχύ στην έξοδό του, ή αντίστοιχα AC τάση. 25

26 Σχήμα 18: Διάγραμμα της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια της ημέρας και απεικόνιση του PSH ( Peak Solar Hour). Γι αυτούς τους λόγους δημιουργήθηκε η ανάγκη της αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας υπό τη μορφή χημικής, μέσω των συσσωρευτών. Οι συσσωρευτές πρέπει να φορτίζονται υπό συγκεκριμένη τάση. Για το ρεύμα φόρτισης θα πρέπει να ισχύει i φόρτισης < C/10 (C = χωρητικότητα σε Ah ). Για τούτο χρησιμοποιούνται οι ελεγκτές φόρτισης (charge controllers). Οι ελεγκτές φόρτισης είναι ηλεκτρονικές συσκευές που ελέγχουν τη φόρτιση των συσσωρευτών. Η τάση φόρτισης είναι 12V ή 24V ή άλλη την οποία καθορίζουμε : α) με βάση το κύκλωμα της PV διάταξης, όπως έχει σχεδιαστεί. β) από τις ανάγκες και τις προδιαγραφές των φορτίων, ή τον καθορισμό της τάσεως μεταφοράς της ισχύος βλ. ΗΜΕ ΙΙΙ, αλλά και των οργάνων / συσκευών που απαρτίζουν την PV διάταξη. 26

27 Σχήμα 19: Έξι συσσωρευτές Pb-οξέος, συνδεδεμένες εν σειρά. Το σύστημα αυτό είναι συνδεδεμένο με την PV διάταξη και τον αντιστροφέα AC/DC, όπως δείχνει το σχήμα 16. Δ2.Batteries In PV-systems, either autonomous or hybrids, it is necessary to include in the design, power storage in battery banks. This stored power is to be used when the PV-generator does not operate or does not produce adequate power to meet the loads. The most commonly used batteries in PV-systems are the ones of Pbacid. Battery characteristics: 1. Capacity: C (Ah): C(Ah)=i disc (A) t(h) (3) 2. Electric Energy (E.E.): EE (C)=V (Volt) C (Ah)=V C.(Wh) (4) Let, C=200 Ah, this implies that the battery may provide: 100A in t=2 h, or 50 A in t=4 h, represented by C/4 25 A in t=8 h, represented by C/8 20 A in t=10 h, represented by C/10 10A in t=20 h, represented by C/20 27

28 However, not all capacity C(Ah), is available to the consumer only a fraction of it, DOD=Depth Of Discharge, is available. 3. The capacity depends on the temperature, too: C/C 0 =Capacity in T o C/Capacity o C= o C (5) 4. DOD: Deph of Discharge DOD is the % of the nominal capacity that is available. The value is given by the manufacturer. For shallow Batteries: DOD 10%-25% For Deep Discharge Batteries: DOD 80%. This implies, if C=200Ah, that the battery may provide during a low discharge rate: Ah 160Ah provided that;temperature is 27 0 C, and i disch < C/10 i.e. for C=200 Ah (6) i disch 200/10 20A. 5. Self-Discharge: Batteries undergo self-discharge. Typical rates: at T=5 0 C 2% per month self-discharge at T=15 0 C 4% per month self-discharge at T=25 0 C 10% per month self-discharge at T=40 0 C 25% per month self-discharge 28

29 6. Efficiency of battery: It may be defined two ways: a. by Ah stored or b. by Wh stored Ah disch. B Ah Ah 0. 9 Ah. ch (7) Wh 0. 8 (8) 7. SOC (STATE OF CHARGE) SOC or SOC(t) provides the Ah stored available in a battery at time t. Sometime we use SOC to give the percentage of C of a battery available at a given time. The quantities: i, V, SOC, are inter-related. From the above analysis, one gets: SOC=Q(t)/C b =Charge (Coulomb) of battery at t)/nominal capacity (9) Also, it holds, as cam easily be proven: DOD=1-SOC (10) Notice: Effective recharging takes place when SOC<0.7 and the Voltage of the battery cell be < 2.3Volts. The efficiency, ηfor (re)charging reaches zero (0) as SOC Q b, where Q b is the maximum charge that the battery holds. 29

30 For Pb batteries with high DOD, holds: Cycles DOD 1200 (11),where Cycle = Charge Discharge cycle operation. ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΗΣ PV ΓΕΝΝΗΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ Για τη σωστή εκτίμηση της ισχύος, P m, της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, για την κάλυψη συγκεκριμένων φορτίων, ακολουθούμε τα εξής βήματα. 1) Αναγνώριση των φορτίων των λαμπτήρων. Θα πρέπει να γίνει ο υπολογισμός της συνολικής ονομαστικής ισχύος των λαμπτήρων, (ΣΡ Νi ). Εν τούτοις, το πραγματικό φορτίο που καταναλώνουν οι λαμπτήρες, είναι μικρότερο από το (ΣΡ Νi ), και εξαρτάται από τη θέση λειτουργίας του dimmer. Συνεπώς, είναι αναγκαίο να μετρήσουμε την ένταση του ρεύματος και την τάση σε κάθε φορτίο / λαμπτήρα, ώστε να γίνει ο υπολογισμός του πραγματικού φορτίου (i i V i = P Li ). Με αυτή τη διαδικασία επιβεβαιώνεται πειραματικά ότι ΣP Ni >ΣP Li, δηλαδή, ότι το ονομαστικό φορτίο είναι μεγαλύτερο από το πραγματικό. Να επαληθευτεί πειραματικά από τις ενδείξεις i εν, v εν οργάνων του πίνακα. 30

31 2) Όπως αναφέρθηκε, η τάση που εφαρμόζεται στα ηλεκτρικά φορτία εξαρτάται από το dimmer. Eνώ η τάση εξόδου του αντιστροφέα είναι 220V, τα ηλεκτρικά φορτία τροφοδοτούνται από τάση ανάλογη με την θέση του dimmer. Αυτό το γεγονός μπορεί να επαληθευτεί πειραματικά, αλλάζοντας την θέση του dimmer και μετρώντας την ένταση του ρεύματος και την τάση, με χρήση αμπερομέτρου και βολτομέτρου, αντίστοιχα. 3) Αφού έχουμε μετρήσει τα πραγματικά φορτία, θεωρούμε το χρόνο Δt i, κατά τον οποίο τα φορτία θα τροφοδοτούνται από τον αντιστροφέα, (χρόνος λειτουργίας των καταναλωτών). Στο χρόνο αυτό, Δti, θεωρούμε ότι δουλεύουν τα ονομαστικά φορτία ΣP Ni όλα μαζί. Η ισχύς εξόδου του αντιστροφέα, P inv, θα πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με την ονομαστική ισχύ των ηλεκτρικών φορτίων, ΣP Ni. H P inv δεν πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη της ΣP Ni, και τούτο επειδή έχουμε μείωση της απόδοσης του αντιστροφέα. Συγκεκριμένα, η απόδοση του αντιστροφέα φτάνει το 90% όταν ο λόγος ΣΡ Li / Ρ Νinv 0.7. Περισσότερα στο Παράρτημα ΙΙ. 4) H PV γεννήτριά μας αποτελείται από δύο PV πλαίσια ισχύος 55 W p σε συνθήκες S.T.C.. Επιδίωξή μας είναι: α) ο προσδιορισμός της ισχύος που αποδίδει αυτή η PV γεννήτριά σε συνθήκες περιβάλλοντος και β) έλεγχος εάν η γεννήτρια αυτή είναι ικανή να καλύψει τα φορτία αυτά. Α. Διορθώνουμε την ισχύ όπως αναφέρεται στο βιβλίο Η.Μ.Ε. ΙΙΙ. Συγκεκριμένα, προσδιορίζουμε τη θερμοκρασία των PV με τη χρήση του θερμοζεύγους που είναι σε θερμική επαφή με την οπίσθια πλευρά του ενός PV πλαισίου. Έστω ότι Τ c =55 o C, άρα η θερμοκρασία είναι 30 ο C υψηλότερη από την καθορισμένη 25 ο C σε συνθήκες S.T.C.. Ως γνωστόν, η ισχύς μειώνεται κατά 0,4% ανά ο C. Επομένως, έχουμε μείωση 12% της ισχύος από την PV γεννήτρια που έχει θερμοκρασία 55 ο C. Η ισχύς που παράγει η PV γεννήτρια όταν το PV έχει θερμοκρασία 55 o C φτάνει τα (55 W p 0.4 %/ o C 55 W 30 o C ) = 48,4 W. B. Η ισχύς που υπολογίσθηκε προηγουμένως, είναι η ισχύς για 55 o C, αλλά στο οριζόντιο επίπεδο. Γ. Πρέπει τώρα να υπολογισθεί η ενέργεια που αποδίδει η PV γεννήτρια στις ανωτέρω συνθήκες όταν είναι σε κεκλιμένο επίπεδο. 31

32 Αυτή ισούται με το γινόμενο της πραγματικής αποδιδόμενης ισχύος Ρ m για τη θερμοκρασία των 55 o C επί το PSH για το κεκλιμένο επίπεδο. Η κλίση ως προς το οριζόντιο επίπεδο είναι β=30 ο. Για την Πάτρα, για το μήνα Μάρτιο και για β=30 ο ο συντελεστής R είναι ίσος με Επίσης, η συνολική προσπίπτουσα στο πλαίσιο ηλιακή ενέργεια για το μήνα Μάρτιο στην Πάτρα είναι 400 MJ/m 2. Άρα, την ημέρα είναι 400/31= 12,9 MJ/m 2, ή ισοδύναμα 12.9/3.6=3.58 kwh/m 2. Συνεπώς, το (PSH) 30 ο για το κεκλιμένο επίπεδο είναι = 4.19 h. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Η ενέργεια που θα παραχθεί από την PV γεννήτρια, θα πρέπει να μεταφερθεί για να καλυφθούν τα ηλεκτρικά φορτία. Συνεπώς, η ενέργεια της PV γεννήτριας επί την απόδοση μεταφοράς θα πρέπει να ισούται με την ενέργεια των ηλεκτρικών φορτίων ανά ημέρα. Ακριβέστερα: η μεταφοράς = η missmatch (ηλεκτρική προσαρμογή) η inverter (απόδοση αντιστροφέα) η cables (απώλειες καλωδίων) η Battery (απόδοση συσσωρευτών). Η η Battery είναι συνήθως 80% για φορτία (σε Wh), ενώ το ρεύμα φόρτισης εκφόρτισης δεν πρέπει να είναι μεγαλύτερο από C/10 και γενικά πρέπει να ισχύει i< C/10h. Mε C=600Ah. (Που είναι η χωρητικότητα του συστήματος αποθήκευσης) το I < 60 A. Συντελεστής ηλεκτρικής προσαρμογής (miss match): Είναι το μέτρο της ικανότητας να μεταφέρεται όλη η ισχύς της PV γεννήτριας στο φορτίο. Η ισχύς δεν μεταφέρεται ολόκληρη προς το φορτίο, γιατί το σύστημα δεν έχει κατ ανάγκη σημείο λειτουργίας το MPP. 32

33 Σχήμα 20 :Χαρακτηριστική της i-v της PV γεννήτριας αποτελούμενης από δύο πλαίσια παράλληλα συνδεδεμένα. Παράδειγμα προσδιορισμού του συντελεστή ηλεκτρικής προσαρμογής (miss match): Έστω ότι το φορτίο που θα τροφοδοτήσουμε, είναι ισχύος 100 W (P AC ). Η ισχύς που θα εκλάβει ο αντιστροφέας από το σύστημα συσσωρευτών, θα είναι 100 W / 0.8 = 125 W. Η ισχύς των 125 W θα μεταφερθεί υπό την τάση των συσσωρευτών και συγκεκριμένα για το πείραμα αυτή η τάση είναι 12 V. Επομένως, το ρεύμα εκφόρτισης θα είναι 125 W /12 V= A. Σχεδιάζουμε την χαρακτηριστική του φορτίου, καθώς και αυτή της PV γεννήτριας με βάση τις τιμές των, V m V oc i sc i m 33

34 Σχήμα 21: Χαρακτηριστικές i-v ενός πλαισίου, δύο πλαισίων σε σειρά και δύο πλαισίων σε παράλληλη συνδεσμολογία. Σχήμα 22: χαρακτηριστικές i-v ωμικού φορτίου και 2 πλαισίων σε παράλληλη συνδεσμολογία. Το σημείο λειτουργίας είναι το (7.2,6.3). Συνεπώς, ο συντελεστής miss match είναι n missmatch = ( )/(6 18) = 45.36/108= 0.42 n inv Ο συντελεστής απόδοσης του αντιστροφέα βρίσκεται από το διάγραμμα n inv vs f(σp Li /P N ), όπου P Li είναι η ισχύς των φορτίων και 34

35 P N η ονομαστική ισχύς του αντιστροφέα DC/AC. Συγκεκριμένα για το ηλεκτρικό φορτίο των 100 W έχουμε n inv =0.77 όπως προκύπτει από την καμπύλη του σχήματος Experimental Approx PL/PN Σχήμα 23: καμπύλη της απόδοσης του αντιστροφέα P out /P in (ισχύς εξόδου προς ισχύ εισόδου) σε συνάρτηση με το πηλίκο P L /P N (ισχύς φορτίου προς ονομαστική ισχύ εξόδου) η cables Βάσει διεθνών προδιαγραφών, οι απώλειες των καλωδίων δεν πρέπει να υπερβαίνουν το 5%, συνεπώς ο συντελεστής n cables ισούται με Περισσότερα για τον προσδιορισμό του συντελεστή στο βιβλίο ΗΜΕ ΙΙΙ. Προσδιορισμός του αριθμού των PV πλαισίων Η εύρεση του αριθμού n PV των PV πλαισίων που θα χρησιμοποιηθεί βρίσκεται από τον τύπο: n PV P m (PSH) T n mm n c n b n inv = ΣP Li Δt i Εφαρμογή: n PV 48.4 W 4.19 h = 100 W 3h n PV =

36 Επειδή ο αριθμός n PV πρέπει να είναι ακέραιος συνεπάγεται ότι n PV = 6, δηλαδή θα χρησιμοποιήσουμε 6 πλαίσια τύπου SM55. Σημείωση Στην περίπτωση όμως που ο συντελεστής ηλεκτρικής προσαρμογής ήταν 90-95% τότε ο αριθμός PV πλαισίων, θα ήταν μικρότερος του 3. Βελτίωση του συντελεστή ηλεκτρικής προσαρμογής. Για να επιτύχουμε ο συντελεστής ηλεκτρικής προσαρμογής να είναι σε τιμές κοντά στο 90% ή το 95%, προσπαθούμε το σημείο λειτουργίας του συστήματός μας να πλησιάσει όσο το δυνατόν το σημείο MPP. Στις PV εφαρμογές είναι αρκετά διαδεδομένη η χρησιμοποίηση ενός ηλεκτρονικού συστήματος παρακολούθησης του σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point Tracker, MPPT), γεγονός το οποίο συντελεί στην αύξηση της απόδοσης του PV συστήματος. Σχήμα 24 : Σχηματικό διάγραμμα με σύστημα παρακολούθησης του MPP ώστε η γεννήτρια να φορτίζει με μεγάλη απόδοση τους συσσωρευτές αλλά και να μεταφέρεται η μέγιστη δυνατή ισχύς στα φορτία AC μέσω του αντιστροφέα DC/AC. 36

37 ΔΙΑΣΤΑΣΙΟΛΟΓΗΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ 1 Στόχος μας είναι να σχεδιάσουμε ένα κατάλληλο σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας συνδεδεμένο με την PV γεννήτρια, ώστε όταν η PV γεννήτρια δεν παρέχει ισχύ, τα φορτία να καλύπτονται από το σύστημα των συσσωρευτών. Η κάλυψη των φορτίων θα έχει διάρκεια μέχρι d ημέρες. 2 Στην περίπτωση μας μελετούμε τα φορτία Q L,i που είναι ισχύος 100 W. Επίσης, υποθέτουμε ότι τα φορτία λειτουργούν για τρεις ώρες την ημέρα. 3 Το σύστημα των συσσωρευτών αποτελείται από έξι μονάδες Pb οξέος εν σειρά. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος μας είναι : V = 2 6 = 12 Volts, χωρητικότητα C= 600 Ah, DOD = 80%. 4 Ως ελέχθη, η PV διάταξη θα καλύπτει ηλεκτρικά φορτία 100 W επί τρεις ώρες ημερησίως. Συνολικά, δηλαδή, απαιτούμε από τους συσσωρευτές να καλύψουν 100 W 3 hours = 300 Wh κατά τη διάρκεια της ημέρας όταν η PV γεννήτρια δεν παρέχει ισχύ. ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟ ΙΣΟΖΥΓΙΟ Υποθέτουμε ότι η χρονική περίοδος κάλυψης των φορτίων είναι d = 3 days. Ενέργεια αποθηκευμένη στο σύστημα των συσσωρευτών = (φορτίο / ημερα) d Η ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στους συσσωρευτές ισούται με : 0.8 C V s = 0.8 Q Άρα, 0.8 Q = (φορτίο / ημερα) d = (100 W 3 h )/ day 3 days 0.8 Q = 900 Wh Q = 900 / 0.8 = 1125 Wh C V s = 1125 Wh C 12 = 1125 Wh C= Ah 37

38 Συνεπώς για να λειτουργήσουν τα φορτία των 100 W επί τρεις ώρες την ημέρα για d = 3 days, απαιτούνται από το σύστημα αποθήκευσης, Αh. Το σύστημα αποθήκευσης της πειραματικής μας διάταξης παρέχει Q= DOD C = = 480 Ah Συνεπώς το σύστημα συσσωρευτών υπερκαλύπτει τις ανάγκες του φορτίου. Περισσότερα, για μία ολοκληρωμένη ανάλυση της διαστασιολόγησης του συστήματος αποθήκευσης και των διορθωτικών παραγόντων που πρέπει να ληφθούν υπ όψιν, βλ. Η.Μ.Ε ΙΙΙ. 38

39 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ Η.ΜΕ. Ι Σ.Ν.ΚΑΠΛΑΝΗΣ [3] [8] [9] Η.Μ.Ε. ΙΙ Σ.Ν.ΚΑΠΛΑΝΗΣ [1] [5] Η.Μ.Ε. ΙΙΙ Σ.Ν.ΚΑΠΛΑΝΗΣ [6] [7] ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι An Economical Technical Analysis of Lighting Technologies. A Case Study [2] [4] ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ Ο αντιστροφέας AC/DC [9] [10] ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙΙ ενεργειακά ολοκληρωμένη ηλιακή παθητική κυψελίδα (test cell) ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙV Αναλυτής Ενέργειας NANOVIP ΠΑΡΑΤΗΜΑ V pv cell calibration based on a luxmeter