Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων

Transcript

1 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Διπλωματική Εργασία του Αβραμίδη Γεώργιου ΑΕΜ : 192 E mail: abramidgeo@ee.auth.gr υπό την επίβλεψη Ανδρέα Λ. Συμεωνίδη Λέκτορα ΤΗΜΜΥ ΑΠΘ Θεσσαλονίκη 2009

2 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Αφιερωμένο στη μητέρα μου, Κατερίνα και στην αδερφή μου, Μαρία 2

3 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 3

4 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή Σκοπός της διπλωματικής Ορισμός του προβλήματος Συνοπτική περιγραφή της εφαρμογής Οργάνωση κεφαλαίων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 H Tεχνολογία των φωτοβολταϊκών Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά (PV) Αρχή Λειτουργίας Χαρακτηριστικά των PV Σχεδίαση Διάταξης Ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας Γωνία της διεύθυνσης του ήλιου με το έδαφος Θερμοκρασία λειτουργίας των πλαισίων Σκίαση Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα Το λειτουργικό μοντέλο (The effective solar cell model) Μετατροπείς DC AC (Inverters) Ευρωπαϊκός Βαθμός Απόδοσης Inverter ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το λογισμικό PV Project Γενικά Λειτουργικές απαιτήσεις Σύνοψη τοπολογίας εγκατάστασης Εισαγωγή δεδομένων Inverter Σύνδεση Panels σε Strings Σύνδεση Strings σε Inverters Συλλογή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας Εισαγωγή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας θερμοκρασίας και υπολογισμός εξόδου της εγκατάστασης Σύστημα υπολογισμού εκτίμησης της εξόδου της εγκατάστασης Προβολή αρχείων φωτοβολτιαϊκής εγκατάστασης Επιλογή πραγματοποίησης νέου πειράματος Εμφάνιση συνοπτικών αποτελεσμάτων τελευταίας συνεδρίας

5 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Γενικά για την λειτουργία του λογισμικού και την πλοήγηση στις φόρμες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Επίδειξη χρήσης του συστήματος Έναρξη προγράμματος Επιλογή τρόπου εισαγωγής τοπολογίας της εγκατάστασης Επιλογή χειροκίνητης (manual mode) εισαγωγής τοπολογίας Επιλογή αυτόματης (automatic mode) εισαγωγής τοπολογίας Εισαγωγή δεδομένων Inverter Σύνδεση Panel σε String Σύνδεση String σε Inverter Συλλογή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας Εισαγωγή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμός εξόδου της εγκατάστασης Επιλογή αρχείων εξόδου της εγκατάστασης Εμφάνιση αποτελεσμάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ανάπτυξη του PV Project Τεχνολογίες Ανάπτυξης C++ / Visual Studio DISLIN Άλλες τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν Υπηρεσίες SoDa (Soda Web services) Ψηφιοποίηση καμπύλων με χρήση του GetData ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Συμπεράσματα και Μελλοντική εργασία Συμπεράσματα Μελλοντική εργασία ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ... 76

6 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ΛΙΣΤΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ Διάγραμμα 2.1. Καμπύλη φωτοβολταϊκού πλαισίου Διάγραμμα 2.2. Μεταβολή της χαρακτηριστικής καμπύλης ανάλογα με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας Διάγραμμα 2.3. Επίδραση της θερμοκρασίας στην ισχύ εξόδου της κυψέλης Διάγραμμα 2.4. Ισοδύναμο κύκλωμα όταν η κυψέλη δεν απορροφά φως Διάγραμμα 2.5. Ισοδύναμο κύκλωμα όταν η κυψέλη απορροφά φως Διάγραμμα 2.6. Ισοδύναμο κύκλωμα τυποποιημένου μοντέλου Διάγραμμα 2.7. Ισοδύναμο κύκλωμα λειτουργικού μοντέλου Διάγραμμα 2.8. Καμπύλη βαθμού απόδοσης inverter

7 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 7 ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 4.1. Εικόνα εισαγωγής προγράμματος Εικόνα 4.2. Φόρμα επιλογής τρόπου εισαγωγής τοπολογίας της εγκατάστασης Εικόνα 4.3. Φόρμα χειροκίνητης εισαγωγής τοπολογίας Εικόνα 4.4. Φόρμα αυτόματης εισαγωγής τοπολογίας Εικόνα 4.5. Φόρμα αυτόματης εισαγωγής τοπολογίας με εμφάνιση πληροφορίας από τα αρχεία εισόδου Εικόνα 4.6. Μήνυμα επιβεβαίωσης δημιουργίας μοντέλου του συστήματος και αρχικοποίησης των panels Εικόνα 4.7. Φόρμα εισαγωγής δεδομένων inverter Εικόνα 4.8. Φόρμα εισαγωγής δεδομένων inverter με επιβεβαίωση ορισμού inverter Εικόνα 4.9. Μήνυμα επιβεβαίωσης ορισμού όλων των inverter της εγκατάστασης Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων inverter με συνοπτική περιγραφή των δεδομένων inverter που εισήχθησαν Εικόνα Φόρμα σύνδεσης panel σε string Εικόνα Φόρμα σύνδεσης panel σε string με εμφάνιση απαγορευτικού μηνύματος Εικόνα Μήνυμα ενημέρωσης ολοκλήρωσης της διαδικασίας σύνδεσης των panels Εικόνα Φόρμα σύνδεσης strings σε inverters Εικόνα Φόρμα σύνδεσης string σε inverter με εμφάνιση απαγορευτικού μηνύματος 52 Εικόνα Μήνυμα ενημέρωσης ολοκλήρωσης της διαδικασίας σύνδεσης των string Εικόνα Φόρμα προτροπής χρήστη για συλλογή δεδομένων από το δικτυακό τόπο των υπηρεσιών SoDa Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης Εικόνα Παράθυρο εισαγωγής αρχείου ακτινοβολίας.csv Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης μετά από επιτυχημένες και αποτυχημένες εισαγωγές αρχείων ακτινοβολίας Εικόνα Παράθυρο εισαγωγής αρχείου θερμοκρασίας.txt Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης μετά από εισαγωγές αρχείων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης μετά από εισαγωγές αρχείων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας με αναγραφόμενα τα αποτελέσματα των υπολογισμών Εικόνα Φόρμα επιλογής αρχείων εξόδου... 59

8 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Εικόνα Φόρμα επιλογής αρχείων εξόδου με χρήση της γρήγορης επιλογής όλων των αντικειμένων της εγκατάστασης Εικόνα Παράθυρο επιλογής φακέλου για την δημιουργία των αρχείων εξόδου Εικόνα Φόρμα επιλογής αρχείων εξόδου με χρήση της γρήγορης επιλογής όλων των αντικειμένων της εγκατάστασης και εμφάνιση μηνύματος επιτυχημένης ολοκλήρωσης της διαδικασίας δημιουργίας αρχείων Εικόνα Λίστα αρχείων εξόδου εγκατάστασης αποθηκευμένα στο φάκελο επιλογής του χρήστη Εικόνα Αρχείο.txt για panel Εικόνα Αρχείο.gif για panel Εικόνα Αρχείο.txt για string Εικόνα Αρχείο.gif για string Εικόνα Αρχείο.txt για inverter Εικόνα Αρχείο.gif 1 για inverter Εικόνα Αρχείο.gif 2 για inverter Εικόνα Αρχείο.gif με το διάγραμμα κατανομής της συλλεγόμενης ενέργειας DC Εικόνα Φόρμα προβολής πληροφοριών για τα πειράματα της τρέχουσας συνεδρίας 67 Εικόνα Φόρμα προβολής πληροφοριών για τα πειράματα της τρέχουσας συνεδρίας με αναγραφόμενες τις πληροφορίες των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν Εικόνα 5.1. Δικτυακός χώρος υπηρεσιών SoDa Εικόνα 5.2. Φόρμα εισαγωγής στοιχείων για αναζήτηση δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας 69 Εικόνα 5.3. Φόρμα εισαγωγής στοιχείων για αναζήτηση δεδομένων θερμοκρασίας Εικόνα 5.4. Εξαγωγή τιμών των σημείων της καμπύλης του βαθμού απόδοσης του inverter Εικόνα 5.5. Δεδομένα εξόδου του προγράμματος GetData

9 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 9 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εποχή μας χαρακτηρίζεται από μια σημαντική αύξηση των ενεργειακών αναγκών μας. Δεδομένου ότι οι καύσιμες ύλες του πλανήτη μας μειώνονται γρήγορα, η αναζήτηση νέων πηγών ενέργειας είναι ένα πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπισθεί. Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αποτελούν μια ενθαρρυντική λύση. Πιο συγκεκριμένα, η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών αποτελεί σήμερα μια ιδιαίτερα ακμάζουσα τεχνολογία και η χρήση της γίνεται όλο και πιο ευρεία. Η παρούσα εργασία είχε σαν σκοπό την ανάπτυξη ενός εργαλείου το οποίο θα βοηθά στη μελέτη και σχεδίαση φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων. Έτσι, αναπτύχθηκε το PV Project, το οποίο αποσκοπεί να βοηθήσει τους μελετητές και εγκαταστάτες φωτοβολταϊκών συστημάτων παρέχοντας μια εκτίμηση για την έξοδο της εγκατάστασης ανάλογα με τα δεδομένα που θα εισάγει ο χρήστης. Το παρόν σύγγραμμα μετά από μια σύντομη αναφορά στη τεχνολογία των φωτοβολταϊκών συνεχίζει με τη περιγραφή των λειτουργικών απαιτήσεων της εφαρμογής και τον τρόπο λειτουργίας της. Γ. Αβραμίδης Νοέμβριος 2009 Δράμα

10 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Σύνοψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε λογισμικό μοντελοποίησης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων, το οποίο αποσκοπεί να βοηθήσει τους μελετητές και εγκαταστάτες φωτοβολταϊκών συστημάτων στο να προσομοιώσουν την λειτουργία των εγκαταστάσεων αυτών. Στο ανεπτυγμένο σύστημα δίνονται ως είσοδοι τα τεχνικά χαρακτηριστικά του εξοπλισμού που θα χρησιμοποιηθεί (panel, inverter), η συνδεσμολογία τους με βάση την επιθυμία του μελετητή και το περιβάλλον λειτουργίας της εγκατάστασης (ηλιακή ακτινοβολία και θερμοκρασία περιβάλλοντος). Ως έξοδο το σύστημα υπολογίζει μια εκτίμηση της ετήσιας απόδοσης της εγκατάστασης, με τη χρήση συγκεκριμένου μαθηματικού μοντέλου, σύμφωνα με τις εισόδους που έχουν δοθεί. Η εφαρμογή παράγει επίσης ως έξοδο αρχεία δεδομένων και καμπυλών (.txt και.gif) για την την απόδοση του εξοπλισμού που έχει επιλεγεί. 10

11 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 11 Abstract PV Project An interactive system for modeling and analyzing photovoltaic establishments. This thesis concerns the development of a photovoltaic systems' modelling application that aims to help engineers, researchers and establishers of photovoltaic systems in simulating the function of these systems. The application inputs are the technical characteristics of the equipment that will be used (panels, inverters), the configuration of the equipment based on establisher's selections and data on the environment, where the photovoltaic system is going to operate (in terms of solar radiation and temperature values). Based on these inputs, the application performs an estimation of the annual system performance using a mathematical model, while it generates output data files and graphs for the specific equipment in use, as well as for the overall system performance. G. Avramidis November 2009 Drama, Greece

12 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 - Εισαγωγή 1.1 Σκοπός της διπλωματικής Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη μιας εφαρμογής η οποία θα αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο για τους μελετητές και εγκαταστάτες φωτοβολταϊκών συστημάτων. Γίνεται μια προσπάθεια μέσα από ένα φιλικό ως προς το χρήστη περιβάλλον, να οριστούν τα διάφορα κομβικά στοιχεία μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης, τόσο από πλευράς εξοπλισμού και συνδεσμολογίας, όσο και από πλευράς περιβάλλοντος λειτουργίας της συγκεκριμένης εγκατάστασης, ώστε τελικά να προκύψει μια εκτίμηση της εξόδου της εγκατάστασης. 1.2 Ορισμός του προβλήματος Η συγκεκριμένη εφαρμογή καλείται να δώσει ικανοποιητικές λύσεις στα επιμέρους προβλήματα που προκύπτουν κατά τον σχεδιασμό μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης και στη συνέχεια να συνδυάσει τις λύσεις αυτές με τη χρήση ενός μαθηματικού μοντέλου ώστε να προκύψει ένα δομημένο αποτέλεσμα. Επιμέρους προβήματα που ανακύπτουν κατά τη διαδικασία αυτή (και αντιμετωπίζονται στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής) είναι η επιλογή του μαθηματικού μοντέλου που θα χρησιμοποιηθεί, η δήλωση της αρχιτεκτονικής της εγκατάστασης, ο ορισμός του εξοπλισμού και της συνδεσμολογίας του και η εισαγωγή των δεδομένων του περιβάλλοντος λειτουργίας (δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας). Μετά το πέρας των παραπάνω επιλογών και υπολογισμών, το σύστημα πρέπει να παράγει ως έξοδο χρήσιμη πληροφορία με την μορφή διαγραμμάτων και αρχείων δεδομένων ως αποτέλεσμα των επιλογών του χρήστη και των δεδομένων που ο τελευταίος εισήγαγε στο σύστημα. 1.3 Συνοπτική περιγραφή της εφαρμογής Η εφαρμογή αρχικά ζητά από το χρήστη να δηλώσει την αρχιτεκτονική της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης που επιθυμεί να προδιαγράψει. Στη συνέχεια, ζητά τα τεχνικά χαρακτηριστικά του εξοπλισμού που θα χρησιμοποιηθεί (panels και inverters), 12

13 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 13 καθώς και τη συνδεσμολογία τους. Τέλος, ο χρήστης καλείται να εισάγει τα δεδομένα περιβάλλοντος λειτουργίας (δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας). Εφόσον έχουν οριστεί όλα τα παραπάνω, το σύστημα υιοθετεί ένα ευρέως διαδεδομένο μαθηματικό μοντέλο για την μοντελοποίηση των φωτοβολταϊκών panel και την παραγωγή του λειτουργικού μοντέλου (effective solar cell model). Σαν έξοδο, η εφαρμογή εκτός από την εκτίμηση για την απόδοση της εγκατάστασης, παρέχει στο χρήστη ένα σύνολο αρχείων δεδομένων και γραφημάτων σχετικά με τον εξοπλισμό που χρησιμοποιήθηκε, την συνδεσμολογία του, και την απόδοση της όλης εγκατάστασης. Ο χρήστης μπορεί να εκτελέσει ένα σύνολο από πειράματα μοντελοποίησης εγκαταστάσεων και στο τέλος μιας συνεδρίας της εφαρμογής να πληροφορείται συνοπτικά για τα αποτελέσματα του κάθε πειράματος, δίνοντάς του έτσι την δυνατότητα να κάνει συγκρίσεις ανάμεσα στα πειράματα που πραγματοποίησε και να επιλέγει τη βέλτιστη τοπολογία με βάση την εγκατάσταση. 1.4 Οργάνωση κεφαλαίων Το παρόν σύγγραμμα συνεχίζει στο δεύτερο κεφάλαιο με την εισαγωγή του αναγνώστη στη τεχνολογία των φωτοβολταϊκών, επεξηγεί τα κυριότερα τεχνικά χαρακτηριστικά τους και αναλύει κάποια από τα κυριότερα μαθηματικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται σήμερα για την μοντελοποίηση φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στην εφαρμογή που αναπτύχθηκε από πλευράς λειτουργικών απαιτήσεων, έτσι ώστε να κατανοήσει ο αναγνώστης τις δυνατότητες, αλλά και τους περιορισμούς της εφαρμογής. Ταυτόχρονα περιγράφει τις λειτουργικές φόρμες του συστήματος και επεξηγεί τον τρόπο με τον οποίο αυτές λειτουργούν, έτσι ώστε ο αναγνώστης να αποκτήσει μια πρώτη εικόνα του τρόπου χρήσης του ανεπτυγμένου λογιμικού. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθεται ένα ενδεικτικό σενάριο χρήσης της εφαρμογής όπου ο αναγνώστης, έχοντας ως οδηγό τα διάφορα στιγμιότυπα από τις φόρμες του συστήματος να είναι σε θέση να αντιληφθεί τον τρόπο διεπαφής με το λογισμικό και να μπορεί πλέον να χρησιμοποιήσει το PV Project. Στο πέμπτο κεφάλαιο αναφέρονται οι τεχνολογίες που εφαρμόσθηκαν με την έννοια του τρόπου υλοποίησης της εφαρμογής, των εξωτερικών εφαρμογών που χρησιμοποιήθηκαν και άλλων απαραίτητων δικτυακών τόπων που πρέπει να επισκεφτεί ο χρήστης για τη λειτουργία της εφαρμογής. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο γίνεται μια επισκόπηση από πλευράς συμπερασμάτων για το αν τελικά έχουν επιτευχθεί οι στόχοι της παρούσας διπλωματικής εργασίας και γίνεται αναφορά σε κάποια σημεία που πιθανόν θα μπορούσαν να τροποποιηθούν με μελλοντική εργασία.

14 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 H Tεχνολογία των φωτοβολταϊκών 2.1 Εισαγωγή στα φωτοβολταϊκά (PV) Η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών χρησιμοποιεί ημιαγωγά υλικά σε μορφή κυψέλης (cell) διαφόρων cm 2 σε μέγεθος. Από την όψη της φυσικής στερεάς κατάστασης, μια κυψέλη είναι ουσιαστικά μια εκτεταμένη σε μέγεθος δίοδος p n, με την ένωση (junction) των δύο στρωμάτων να βρίσκεται κοντά στην πάνω επιφάνεια. Η κυψέλη μετατρέπει άμεσα το ηλιακό φως σε συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Πολυάριθμες κυψέλες συνδέονται μαζί σε ένα πλαίσιο (module) ώστε να παράγουν την απαιτούμενη ισχύ. Κύρια πλεονεκτήματα των φωτοβολταϊκών είναι: Μικρός χρόνος σχεδίασης, τοποθέτησης και εκκίνησης μιας εγκατάστασης. Εύκολα προσαρμοζόμενη ισχύ εξόδου στις μέγιστες απαιτήσεις του φορτίου. Σταθερή κατασκευή, χωρίς κινητά μέρη, επομένως χωρίς θόρυβο. Μεγάλη διάρκεια ζωής με μικρή συντήρηση. Μεγάλη δυνατότητα παραγωγής ισχύος ανά μονάδα βάρους. Δυνατότητα εύκολης μεταφοράς λόγω μικρού βάρους. Οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μιας φωτοβολταϊκής κυψέλης βασίζονται κυρίως σε: 1. Μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (Single Crystalline Silicon). 2. Λεπτά στρώματα (μεμβράνες) ενώσεων, όπως το γαλλιούχο αρσένιο (Thin Films). 3. Άμορφο πυρίτιο (Amorphous Silicon). Κάποιες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται λιγότερο σήμερα είναι αυτή του πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Polycrystalline), καθώς και αυτή που χρησιμοποιεί οπτικά κρύσταλλα για να αυξήσει την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προσπίπτει στην κυψέλη δημιουργώντας τις κυψέλες εστίασης (Concentrated Cells). Η πιο διαδεδομένη τεχνολογία σήμερα είναι η αυτή του κρυσταλλικού πυριτίου. Η διαδικασία παραγωγής κελιών έχει υψηλό κόστος, αλλά οδηγεί στον μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με αυτόν των υπολοίπων τεχνολογιών που αναφέρθηκαν. 14

15 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 15 Μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει με ρεύμα μια περιοχή που είναι αποκομμένη από το δίκτυο παροχής ρεύματος (Stand Alone System), ή για να παρέχει ισχύ στο δίκτυο εφόσον έχουν ικανοποιηθεί οι ηλεκτρικές της ανάγκες (Grid Connected System). Εφαρμόζεται, επίσης, η χρήση των φωτοβολταϊκών σε συνδυασμό με γεννήτρια, δημιουργώντας έτσι ένα υβριδικό σύστημα (Hybrid System) σε περιπτώσεις όπου απαιτείται αδιάλειπτη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας. Τέλος, η απλούστερη περίπτωση χρήσης φωτοβολταϊκών είναι αυτή κατά την οποία τροφοδοτείται άμεσα κάποιο φορτίο συνεχούς ρεύματος. 2.2 Αρχή Λειτουργίας Το φαινόμενο πάνω στο οποίο βασίζεται η αρχή λειτουργίας των φωτοβολταϊκών είναι αυτό κατά το οποίο αναπτύσσεται ηλεκτρικό δυναμικό ανάμεσα σε δύο ανόμοια υλικά, όταν η κοινή τους ένωση δέχεται ακτινοβολία φωτονίων. Το φαινόμενο αυτό ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο Φυσικό Becquerel το 1839 και παρέμεινε στο εργαστήριο μέχρις ότου κατασκευαστεί η πρώτη φωτοβολταϊκή κυψέλη το Όπως αναφέρθηκε προηγούμενα, μια κυψέλη pv μοιάζει αρκετά από άποψη λειτουργίας με την κλασσική δίοδο ένωσης p n. Όταν το ηλιακό φως απορροφάται από την ένωση, η ενέργεια των απορροφημένων φωτονίων μεταφέρεται στο υλικό της κυψέλης και έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία φορτισμένων φορέων που βρίσκονται διασκορπισμένοι στην ένωση. Οι φορτισμένοι φορείς μπορεί να είναι ζεύγη τύπου ηλεκτρόνιο ιόν σε υγρό ηλεκτρολύτη ή ζεύγη τύπου ηλεκτρόνιο οπή σε ένα στερεό ημιαγωγό. Οι φορτισμένοι φορείς στην περιοχή της ένωσης δημιουργούν ένα δυναμικό, επιταχύνονται κάτω από την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου και ρέουν καθώς το ρεύμα ρέει σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Το ρεύμα στο τετράγωνο επί την αντίσταση του κυκλώματος δίνει την ισχύ που μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό. Η υπόλοιπη ενέργεια των φωτονίων ανεβάζει την θερμοκρασία της κυψέλης. Η προέλευση του φωτοβολταϊκού δυναμικού είναι η διαφορά στο χημικό δυναμικό, που ονομάζεται στάθμη Fermi, των ηλεκτρονίων ανάμεσα στα δύο απομονωμένα υλικά. Όταν ενωθούν, η ένωσή τους προσεγγίζει μια νέα θερμοδυναμική ισορροπία. Μια τέτοια ισορροπία μπορεί να επιτευχθεί μόνο όταν οι στάθμες Fermi των δύο υλικών είναι ίσες. Αυτό προκύπτει από την ροή των ηλεκτρονίων από το ένα υλικό στο άλλο μέχρις ότου δημιουργηθεί μια διαφορά τάσης ανάμεσα στα δύο υλικά, η οποία έχει δυναμικό ακριβώς ίσο με την αρχική διαφορά στις στάθμες Fermi των υλικών. Αυτό το δυναμικό οδηγεί το φωτο ρεύμα. Για την συλλογή του φωτο ρεύματος χρησιμοποιούνται μεταλλικές επαφές και στις δύο πλευρές της ένωσης οι οποίες θα συλλέξουν το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργήθηκε εξαιτίας των φωτονίων που προσκρούουν στην πάνω επιφάνεια. Στην κάτω (σκοτεινή) μεταλλική επιφάνεια χρησιμοποιούνται αγώγιμα λεπτά ελάσματα σε όλη την επιφάνεια. Στην πάνω (φωτεινή) επιφάνεια χρησιμοποιούνται τέτοια ελάσματα στην μία άκρη της επιφάνειας. Στην υπόλοιπη πάνω επιφάνεια χρησιμοποιείται ένα λεπτό αγώγιμο δίκτυο για να συλλέξει το ρεύμα, αλλά ταυτόχρονα και να αφήσει το ηλιακό φως να περάσει. Η

16 Γιώργος Αβραμίδης PV Project διάταξη στον χώρο αυτού του λεπτού δικτύου έχει να κάνει με τον συμβιβασμό της μεγιστοποίησης της ηλεκτρικής του αγωγιμότητας από την μία και από την άλλη την ελαχιστοποίηση της αντίστασης στην διέλευση του ηλιακού φωτός. Εκτός από τα βασικά, υπάρχουν και κάποια άλλα πρόσθετα στοιχεία τα οποία περιλαμβάνονται στην κατασκευή. Έτσι για παράδειγμα, στην μπροστά επιφάνεια χρησιμοποιείται επικάλυψη που περιορίζει την αντανάκλαση του φωτός ώστε να επιτυγχάνεται η μέγιστη δυνατή απορρόφηση. Η μηχανική προστασία παρέχεται με προστατευτικό γυαλί το οποίο τοποθετείται πάνω από την επιφάνεια με την χρήση διαφανούς υλικού προσκόλλησης. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, η φωτοβολταϊκή κυψέλη είναι το βασικό δομικό συστατικό για την δημιουργία ενός φωτοβολταϊκού συστήματος. Για την επίτευξη μεγάλης ισχύος πολλές τέτοιες κυψέλες συνδέονται μεταξύ τους παράλληλα και σε σειρά, δημιουργώντας έτσι ένα πλαίσιο (module). Πολλά τέτοια πλαίσια, που αποτελούν μια διάταξη (array), είναι συνδεδεμένα ηλεκτρικά μεταξύ τους σε σειρά και εν παραλλήλω, και δημιουργούν συνδυασμούς ώστε να παραχθεί το απαιτούμενο ρεύμα και η απαιτούμενη τάση. Η στήριξη των πλαισίων μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους, χρησιμοποιώντας διαφόρων ειδών βάσεις. Είναι τόσο μεγάλη η αποτελεσματικότητα των φωτοβολταϊκών συστημάτων, που σε ορισμένες περιπτώσεις διατάξεις φωτοβολταϊκών χρησιμοποιούνται αντί για στέγαστρα και οροφές κτιρίων και κατοικιών. 2.3 Χαρακτηριστικά των PV Οι δύο κύριες παράμετροι που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή της ηλεκτρικής απόδοσης μιας κυψέλης είναι η τάση ανοιχτού κυκλώματος (V oc ) και το ρεύμα βραχυκύκλωσης (I sc ). Η τάση ανοιχτού κυκλώματος λαμβάνεται μετρώντας την τάση εξόδου των ακροδεκτών όταν αυτοί είναι ανοιχτοί. Το ρεύμα βραχυκύκλωσης λαμβάνεται βραχυκυκλώνοντας τους ακροδέκτες εξόδου και μετρώντας το ρεύμα εξόδου των ακροδεκτών κάτω από πλήρη ακτινοβολία. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου αναπαριστάνονται από την καμπύλη ρεύματος τάσης. Η καμπύλη αυτή έχει την μορφή που φαίνεται στο Διάγραμμα 2.1. Παρατηρούμε πως στο μεγαλύτερο μέρος της καμπύλης το ρεύμα παραμένει σταθερό και ίσο με το ρεύμα βραχυκύκλωσης. Στην συνέχεια, παρατηρούμε μια απότομη μεταβολή του ρεύματος ώστε τελικά να μηδενιστεί, όπου και έχουμε τελικά την τάση ανοιχτού κυκλώματος. Αξίζει να παρατηρήσουμε πως στην περιοχή πριν το «γόνατο» που παρουσιάζει η καμπύλη, το ρεύμα είναι σταθερό και το φωτοβολταϊκό πλαίσιο λειτουργεί σαν σταθερή πηγή ρεύματος και παράγει τάση ώστε να εξισορροπήσει την αντίσταση του φορτίου. Επίσης, μετά το «γόνατο» της καμπύλης το ρεύμα μειώνεται γρήγορα με μια μικρή αύξηση της τάσης. Στην περιοχή αυτή το πλαίσιο λειτουργεί σαν σταθερή πηγή τάσης με εσωτερική αντίσταση. Κάπου ανάμεσα στις δύο περιοχές που αναφέρθηκαν υπάρχει ένα σημείο βέλτιστης λειτουργίας. 16

17 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 17 Διάγραμμα 2.1. Καμπύλη φωτοβολταϊκού πλαισίου Εάν η τάση εφαρμοσθεί ανάποδα, για παράδειγμα κατά την διάρκεια ενός προσωρινού λάθους, το ρεύμα παραμένει σταθερό και η ισχύς απορροφάται από το πλαίσιο. Πέρα όμως από μια αρνητική τάση η ένωση οδηγείται σε διάσπαση, όπως ακριβώς συμβαίνει και στην δίοδο, και το ρεύμα αυξάνεται σε μια υψηλή τιμή. Η ισχύς εξόδου ενός πλαισίου είναι το αποτέλεσμα της τάσης και του ρεύματος εξόδου. Αξίζει να σημειώσουμε πως δεν έχουμε καθόλου παραγωγή ισχύος όταν έχουμε μηδενικό ρεύμα ή μηδενική τάση και έχουμε την μέγιστη παραγωγή ισχύος σε ένα σημείο στο «γόνατο» της καμπύλης. Είναι πολύ σημαντικό λοιπόν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια να λειτουργούν κοντά σε αυτό το βέλτιστο σημείο λειτουργίας. Οι ονομαστικές τιμές των πλαισίων δίνονται από τους κατασκευαστές κάτω συγκεκριμένες συνθήκες οι οποίες ονομάζονται «τυποποιημένες συνθήκες ελέγχου» (standard testing conditions, STC). Αυτές είναι: Θερμοκρασία κυψέλης: 25 C Ηλιακή ακτινοβολία στο επίπεδο του πλαισίου: 1000 W/m2 AM 1.5 (το ΑΜ αντιπροσωπεύει το φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Το ΑΜ0 αντιπροσωπεύει την κατάσταση του διαστήματος όπου η ηλιακή ακτινοβολία είναι 1350W/m2. To AM1 αντιπροσωπεύει την ιδανική γήινη κατάσταση με καθαρό αέρα το μεσημέρι, όπου και το φως του ήλιου συναντά την μικρότερη αντίσταση για να φτάσει στην γη. Ο αέρας που συναντάμε μια τυπική μέρα με τον μέσο όρο υγρασίας και μόλυνσης αντιπροσωπεύεται με ΑΜ1.5). Ο βαθμός απόδοσης μιας φωτοβολταϊκής κυψέλης για την μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ισχύ, ορίζεται:

18 Γιώργος Αβραμίδης PV Project P P out η = (2.1) in όπου P out : Η ηλεκτρική ισχύς εξόδου P in : Η ισχύς της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας Προφανώς, όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόδοσης, τόσο μεγαλύτερη είναι ισχύς εξόδου που λαμβάνουμε για δεδομένη ηλιακή ακτινοβολία. 2.4 Σχεδίαση Διάταξης Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν την ηλεκτρική σχεδίαση μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης είναι οι εξής: Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η γωνία της διεύθυνσης του ήλιου με το έδαφος. Η θερμοκρασία λειτουργίας των πλαισίων. Κάθε ένας από τους παράγοντες αυτούς εξετάζονται παρακάτω Ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας Το πλάτος του φωτο ρεύματος γίνεται μέγιστο κάτω από πλήρη φωτεινό ήλιο. Σε μια μερικώς ηλιόλουστη ημέρα το φωτο ρεύμα μειώνεται σε αναλογία με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Όταν η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας μειωθεί τότε η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης μετατοπίζεται προς τα κάτω όπως φαίνεται παρακάτω Διάγραμμα 2.2. Μεταβολή της χαρακτηριστικής καμπύλης ανάλογα με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας Αξίζει να σημειώσουμε πως ο βαθμός απόδοσης της φωτοβολταϊκής κυψέλης είναι ανεξάρτητος από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στο πρακτικό εύρος ακτινοβολίας που μας ενδιαφέρει. Έτσι, η κυψέλη μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια το ίδιο αποδοτικά μια ηλιακή ακτινοβολία έντασης 500W/m 2 και μια ηλιακή ακτινοβολία έντασης 1000W/m 2. 18

19 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 19 Το ότι παίρνουμε λιγότερη ισχύ στην έξοδο οφείλεται στο γεγονός ότι μια συννεφιασμένη ημέρα λιγότερη ηλιακή ακτινοβολία προσπίπτει στην κυψέλη Γωνία της διεύθυνσης του ήλιου με το έδαφος Το ρεύμα εξόδου μιας κυψέλης δίνεται από τον τύπο I = I 0 cosθ, όπου Ι 0 είναι το ρεύμα που προκύπτει όταν ο ήλιος είναι κάθετος στο πλαίσιο και αποτελεί το σημείο αναφοράς, και θ είναι η γωνία που σχηματίζει η διεύθυνση της ακτινοβολίας ως προς το σημείο αναφοράς. Ο νόμος του συνημίτονου ισχύει για γωνίες μεταξύ 0 και περίπου 50 μοίρες. Πάνω από τις 50 μοίρες παρατηρείται σημαντική απόκλιση από το νόμο του συνημίτονου και η κυψέλη δεν παράγει καθόλου ισχύ για γωνίες άνω των 85 μοιρών. Προκειμένου να επιτυγχάνεται όσον το δυνατό περισσότερη ισχύς εξόδου, έχουν κατασκευαστεί στηρίγματα φωτοβολταϊκών πλαισίων με μηχανισμό κίνησης, τα οποία μπορούν να ακολουθούν τον ήλιο. Υπάρχουν δύο είδη: Ανιχνευτής ενός άξονα, ο οποίος ακολουθεί τον ήλιο από την ανατολή στη δύση κατά την διάρκεια της ημέρας. Ανιχνευτής δύο αξόνων ο οποίος ακολουθεί τον ήλιο από την ανατολή στη δύση κατά την διάρκεια της ημέρας, αλλά και από τον Βορά στον Νότο κατά την διάρκεια των εποχών του έτους Θερμοκρασία λειτουργίας των πλαισίων Με την αύξηση της θερμοκρασίας, το ρεύμα βραχυκύκλωσης της κυψέλης αυξάνεται, ενώ η τάση ανοιχτού κυκλώματος μειώνεται. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην ισχύ εξόδου της κυψέλης υπολογίζεται ποσοτικά με την εξέταση των επιδράσεων που προκαλεί ξεχωριστά στο ρεύμα και την τάση. Έστω Ι 0 και V 0 το ρεύμα βραχυκύκλωσης και η τάση ανοιχτού κυκλώματος στην θερμοκρασία αναφοράς T, και α και β οι αντίστοιχοι θερμοκρασιακοί συντελεστές. Εάν η θερμοκρασία λειτουργίας αυξηθεί κατά ΔΤ, τότε το νέο ρεύμα και η νέα τάση δίνεται από τους τύπους: I (1 ) sc = I0 + a ΔΤ και V (1 ) oc = V0 β ΔΤ (2.2) Εφόσον το ρεύμα και η τάση λειτουργίας αλλάζουν περίπου με την ίδια αναλογία όπως το ρεύμα βραχυκύκλωσης και η τάση ανοιχτού κυκλώματος, αντίστοιχα για την ισχύ θα ισχύει: P= V I = I (1 + α ΔΤ) V (1 β ΔΤ ) (2.3) 0 0 Αγνοώντας τους αμελητέους όρους, η παραπάνω σχέση γράφεται: P = P [1 ( α β ) ] 0 + ΔΤ (2.4) Τυπικές τιμές των α και β για το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο είναι 500 μu ανά ºC και 5 mu ανά ºC, οπότε και έχουμε: P = P 0 [ ΔΤ ] (2.5)

20 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Από την παραπάνω σχέση προκύπτει ότι για αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας κατά έναν βαθμό Κέλσιου πάνω από την θερμοκρασία αναφοράς, η ισχύς εξόδου της κυψέλης από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο μειώνεται κατά 0.45 %. Εφόσον η αύξηση στο ρεύμα είναι πολύ μικρότερη από την μείωση της τάσης, το τελικό αποτέλεσμα είναι η μείωση της ισχύος εξόδου σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας. Η επίδραση της θερμοκρασίας φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα: Διάγραμμα 2.3. Επίδραση της θερμοκρασίας στην ισχύ εξόδου της κυψέλης Σύμφωνα με το διάγραμμα, η μέγιστη ισχύς που μπορεί να επιτευχθεί στην χαμηλή θερμοκρασία είναι μεγαλύτερη από αυτήν που μπορεί να επιτευχθεί στην υψηλή θερμοκρασία. Επομένως, είναι καλύτερο για μια φωτοβολταϊκή κυψέλη να λειτουργεί σε χαμηλή θερμοκρασία, αφού έτσι παράγει περισσότερη ισχύ. Παρατηρούμε ότι τα δύο μέγιστα επιτυγχάνονται σε διαφορετική τάση λειτουργίας. Άρα για να επιτύχουμε την μέγιστη δυνατή απόδοση σε όλες τις θερμοκρασίες πρέπει η σχεδίαση της εγκατάστασης να γίνει με τέτοιον τρόπο ώστε να είναι δυνατή η αύξηση της τάσης λειτουργίας σε χαμηλές θερμοκρασίες και ομοίως δυνατή η μείωσή της σε υψηλές θερμοκρασίες Σκίαση Ένας άλλος σημαντικός παράγοντας ο οποίος πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι αυτός της σκίασης. Μια διάταξη φωτοβολταϊκών μπορεί να αποτελείται από πολλές παράλληλες συστοιχίες εν σειρά συνδεδεμένων κυψέλων. Υπάρχει περίπτωση μια μεγάλη διάταξη να σκιάζεται μερικώς από την παρεμβολή κάποιου κτιρίου. Εάν μια κυψέλη σκιάζεται πλήρως, δεν θα μπορεί να παράγει ηλεκτρική ισχύ, αλλά θα πρέπει να μπορεί να μεταφέρει το ρεύμα της συστοιχίας στην οποία ανήκει διότι η τελευταία θα περιέχει και πλήρως φωτισμένες κυψέλες. Χωρίς να παράγεται εσωτερικά τάση, δεν μπορεί να παραχθεί ισχύς εξόδου. Αντί για αυτό, η κυψέλη λειτουργεί ως φορτίο προκαλώντας απώλεια ισχύος ίση με I 2 R και θερμότητα. Οι υπόλοιπες κυψέλες τις συστοιχίας πρέπει να λειτουργήσουν σε υψηλότερη τάση ώστε να αντισταθμίσουν την απώλεια λόγω της σκιασμένης κυψέλης. Μεγαλύτερη τάση λειτουργίας σε πλήρως φωτισμένες κυψέλες έχει ως αποτέλεσμα μικρότερο ρεύμα συστοιχίας. Η απώλεια ρεύματος δεν είναι ανάλογη με την σκιασμένη 20

21 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 21 επιφάνεια. Υπάρχει περίπτωση να μην γίνει αισθητή κάποια απώλεια ρεύματος εάν συμβεί απαλή σκίαση σε μικρή επιφάνεια. Παρόλα αυτά εάν αρκετές κυψέλες σκιαστούν πάνω από το κρίσιμο όριο τότε η καμπύλη ρεύματος τάσης πέφτει κάτω από την τάση λειτουργίας και αναγκάζει το ρεύμα της συστοιχίας να μηδενιστεί χάνοντας έτσι όλη την ισχύ εξόδου της συστοιχίας. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται περισσότερο για τον περιορισμό των απωλειών εξαιτίας του φαινομένου της σκίασης είναι η υποδιαίρεση του κυκλώματος σε αρκετούς τομείς χρησιμοποιώντας διόδους παράκαμψης. Η δίοδος που αντιστοιχεί στον σκιασμένο τομέα λειτουργεί έτσι ώστε να παρακαμφθεί μόνο ο συγκεκριμένος τομέας της συστοιχίας. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα μια ανάλογη απώλεια, τόσο στην τάση, όσο και στο ρεύμα της συστοιχίας, χωρίς όμως να χάνεται όλη η παραγόμενη ισχύς της συστοιχίας. Τα καινούργια φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν τέτοιες διόδους παράκαμψης ενσωματωμένες από τον κατασκευαστή. 2.5 Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα Όπως έχει αναφερθεί, η φωτοβολταϊκή κυψέλη λειτουργεί σαν μια μεγάλη δίοδος. Έτσι και εδώ συναντάμε ορθή πόλωση, όταν η άνοδος (περιοχή πρόσμιξης p) έχει θετικό δυναμικό και κάθοδος (η περιοχή πρόσμιξης n) έχει αρνητικό δυναμικό. Όταν η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, τότε εμποδίζεται η ροή του ρεύματος προς αυτήν την διεύθυνση. Επίσης, οι έννοιες κατώφλι τάσης (threshold voltage) και τάση διάσπασης (breakdown voltage) συναντούνται εδώ. Για μια φωτοβολταϊκή κυψέλη από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, τυπικές τιμές για την τάση ορθής πόλωσης και την τάση διάσπασης είναι 0.5V και 12 50V αντίστοιχα (καθώς εξαρτάται από την ποιότητα του υλικού κατασκευής της κυψέλης). Αν ξεπερασθεί η τιμή της τάσης διάσπασης, τότε η δίοδος γίνεται αγώγιμη και μπορεί επίσης και να καταστραφεί. Η καμπύλη ρεύματος τάσης που ισχύει για την κλασσική δίοδο, ισχύει και για την φωτοβολταϊκή κυψέλη. Όταν η κυψέλη δεν φωτίζεται, το ισοδύναμο κύκλωμα αποτελείται μόνο από μια δίοδο. Η τάση στα άκρα της κυψέλης ισούται με την τάση στα άκρα τις διόδου και το ρεύμα εξόδου είναι το ίδιο με αυτό που διαρρέει την δίοδο αλλά με αντίθετη φορά. Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο Διάγραμμα 2.4. V = V D I = I D Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει στην κυψέλη, τότε όπως έχει αναφερθεί, η ενέργεια των φωτονίων δημιουργεί φορτισμένους φορείς. Μια κυψέλη η οποία δέχεται ηλιακή ακτινοβολία έχει σαν ισοδύναμο κύκλωμα μια δίοδο παράλληλα τοποθετημένη σε μια πηγή ρεύματος. Αυτή η πηγή ρεύματος παράγει το φωτοηλεκτρικό ρεύμα ή αλλιώς φωτο ρεύμα I Ph.To ρεύμα εξαρτάται από την ένταση της ακτινοβολίας. Τώρα η χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου μετατοπίζεται προς τα κάτω ανάλογα με το μέγεθος του φωτο ρεύματος. Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο Διάγραμμα 2.5. (2.6)

22 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Διάγραμμα 2.4. Ισοδύναμο κύκλωμα όταν η κυψέλη δεν απορροφά φως Διάγραμμα 2.5. Ισοδύναμο κύκλωμα όταν η κυψέλη απορροφά φως V = V Ph D I = c G Ph 0 I = I I D όπου c 0 : συντελεστής φωτο ρεύματος σε m2/v G : ηλιακή ακτινοβολία της κυψέλης σε W/m2 Το ισοδύναμο κυκλωματικό μοντέλο που θεωρείται ως το τυποποιημένο μοντέλο των φωτοβολταϊκών (standard model), ονομάζεται μοντέλο μιας διόδου (single diode model) και έχει κάποιες προσθήκες σε σχέση με το μοντέλο που εξετάσθηκε προηγούμενα. Έτσι, επειδή στις φωτοβολταϊκές κυψέλες παρατηρείται μια πτώση τάσης καθώς οι φορτισμένοι φορείς μετακινούνται από το υλικό του ημιαγωγού στις ηλεκτρικές επαφές, προστίθεται εν σειρά στο μοντέλο μια ωμική αντίσταση R s της τάξης των μερικών mω. Επίσης εμφανίζονται τα λεγόμενα ρεύματα διαρροής τα οποία συμβολίζονται με την παράλληλη αντίσταση R p με R p να είναι μεγαλύτερη των 10 Ω. Η ακρίβεια του μοντέλου αυτού είναι καλύτερη από αυτήν του ιδανικού μοντέλου που εξετάσθηκε προηγούμενα. Το ισοδύναμο κύκλωμα φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα. (2.7) 22

23 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 23 Διάγραμμα 2.6. Ισοδύναμο κύκλωμα τυποποιημένου μοντέλου I = I I I Ph D P I = V / R = ( V + I R )/( R ) P D P s p (2.8) Έχουν αναπτυχθεί διάφορα ισοδύναμα κυκλωματικά μοντέλα για τα φωτοβολταϊκά και όλα έχουν σκοπό να προσεγγίσουν την φυσική τους λειτουργία με την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια. Μια τέτοια καλή προσέγγιση μπορεί να οδηγήσει σε καλύτερες μετρήσεις καθώς και σε καλύτερο έλεγχο των φωτοβολταϊκών. Έτσι μπορεί να γίνει προσδιορισμός του σημείου μέγιστης ισχύος MPP (maximum power point) κάτω από μεταβαλλόμενες συνθήκες λειτουργίας και τελικά να προσδιορισθεί το σημείο στο οποίο ολόκληρη η φωτοβολταϊκή εγκατάσταση λειτουργεί με την μέγιστη απόδοση. Σημαντικό μέρος σε αυτήν την αναζήτηση του βέλτιστου σημείου λειτουργίας πάνω στην καμπύλη ρεύματος τάσης του ΦΒ, είναι ο υπολογισμός της κλίσης M: M = dv / di = tan φ ΔV / Δ I (2.9) Το σημείο μέγιστης ισχύος MPP εντοπίζεται επάνω στην καμπύλη ρεύματος τάσης, εκεί όπου το Μ ισούται με την μονάδα και επομένως η γωνία φ είναι 45 μοίρες. Επειδή το τυποποιημένο ισοδύναμο μοντέλο είναι ανεπαρκές σε αρκετά πεδία εφαρμογών, όπου και απαιτείται μεγαλύτερη ακρίβεια, χρησιμοποιούνται μοντέλα όπως το μοντέλο δυο διόδων (two diode model) και το λειτουργικό μοντέλο (effective solar cell model) Το λειτουργικό μοντέλο (The effective solar cell model) Για την λύση των εξισώσεων τάσης και ρεύματος αυτού του μοντέλου, είναι απαραίτητες μόνο τέσσερις παράμετροι της φωτοβολταϊκής κυψέλης. Αυτό μειώνει την προσπάθεια που καταβάλλεται για τους υπολογισμούς και την απόκτηση πληροφοριών σχετικά με άλλες παραμέτρους. Το χαρακτηριστικό που διαφοροποιεί αυτό το μοντέλο από το τυποποιημένο είναι πως εδώ οι αντιστάσεις R s και R p συνδυάζονται ώστε τελικά να προκύψει μια «φωτοβολταϊκή» αντίσταση R PV. Η αντίσταση αυτή μπορεί να πάρει θετικές και αρνητικές τιμές και για τον λόγο αυτό δεν αποτελεί μια ωμική αντίσταση.

24 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Οι τέσσερις παράμετροι που απαιτούνται είναι οι R PV, V T, I 0 και I Ph και μπορούν να υπολογισθούν από την παράμετρο Μ, καθώς επίσης και από την τάση ανοιχτού κυκλώματος (V OC ), το ρεύμα βραχυκύκλωσης (I SC ), την τάση (V MPP ) και το ρεύμα (I MPP ) του βέλτιστου σημείου λειτουργίας της κυψέλης. Έτσι προκύπτουν: ISC VMPP I RPV = M + 1 I I I SC MPP MPP MPP (2.10) V = ( M + R ) I (2.11) T PV SC I I e ( VOC / VT ) 0 = SC (2.12) I Ph = I (2.13) SC Για τους παραπάνω υπολογισμούς είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός της παραμέτρου Μ, η οποία είναι συνάρτηση των V OC, I SC, V MPP και I MPP M = f( V, I, V, I ) M = f( V, I, V, I ) OC SC MPP MPP OC SC MPP MPP Ο επόμενος τύπος υπολογίζει την παράμετρο Μ με πολύ καλή προσέγγιση V OC IMPPVMPP VMPP I MPP M = k1 + k2 + k3 + k4 (2.14) ISC ISCVOC VOC ISC με k 1 = k 2 =6.450 k 3 =3.417 k 4 = Οι παραπάνω τιμές των συντελεστών έχουν υπολογισθεί με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων. Πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά της κυψέλης και του πλαισίου που απαιτούνται στους υπολογισμούς (V OC, I SC, V MPP και I MPP ) μπορούν να συλλεχθούν από τα τεχνικά χαρακτηριστικά που παρέχουν οι κατασκευαστές. Αφού είναι γνωστές οι παραπάνω παράμετροι, πλέον μπορούν να λυθούν οι εξισώσεις τάσης και ρεύματος του λειτουργικού μοντέλου: Διάγραμμα 2.7. Ισοδύναμο κύκλωμα λειτουργικού μοντέλου 24

25 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 25 Ph ( V IRPV )/ VT ( ) I = I I e + (2.15) 0 1 ( ) V = VT ln IPh I + I0 / I0 IRPV (2.16) Χρησιμοποιώντας τις παραπάνω εξισώσεις μπορούν να υπολογιστούν με πολύ καλή ακρίβεια όλα τα σημεία της καμπύλης ρεύματος τάσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου. 2.6 Μετατροπείς DC-AC (Inverters) Μια φωτοβολταϊκή διάταξη, όπως έχει αναφερθεί, παράγει συνεχές ρεύμα. Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να τροφοδοτήσει ένα συνεχές (DC) φορτίο άμεσα ή με την χρήση κάποιου συσσωρευτή (μπαταρίας). Στην περίπτωση όμως που απαιτείται να τροφοδοτηθεί φορτίο εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) ή η διασύνδεση της εγκατάστασης στο δίκτυο διανομής ρεύματος, τότε είναι απαραίτητη η χρήση ενός μετατροπέα ο οποίος θα μετατρέπει το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο. Η μετατροπή αυτή πρέπει να γίνεται πάντα με τις μικρότερες δυνατές απώλειες, που είναι και το σημαντικότερο χαρακτηριστικό ενός τέτοιου μετατροπέα. Έτσι ορίζεται ο βαθμός απόδοσης η για τους μετατροπείς αυτούς, ο οποίος εκφράζει τις απώλειες που εμφανίζονται κατά την μετατροπή του συνεχούς ρεύματος σε εναλλασσόμενο. Τέτοιες είναι κυρίως οι απώλειες των διακοπτικών στοιχείων του μετατροπέα, καθώς επίσης και η εσωτερική κατανάλωση του ελεγκτή, οι απώλειες που προκαλούνται από την εγγραφή δεδομένων λειτουργίας και οι απώλειες μετασχηματιστή, εφόσον αυτός ενυπάρχει στον μετατροπέα. Ο βαθμός απόδοσης υπολογίζεται από την παρακάτω σχέση: η Ι σχύςεξδου ό AC P σχύς εισ όδου DC P AC = (2.17) Ι Στο παρακάτω διάγραμμα φαίνεται μια τυπική καμπύλη του βαθμού απόδοσης ενός inverter με ισχύ εισόδου 100kW. DC Διάγραμμα 2.8. Καμπύλη βαθμού απόδοσης inverter

26 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Αξίζει να σημειώσουμε πως ένα ακόμα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό των μετατροπέων αυτών είναι η δυνατότητα να μπορούν να προσαρμόζονται στις μεταβαλλόμενες κλιματολογικές συνθήκες. Οι πρώτοι μετατροπείς που είχαν κατασκευαστεί παρείχαν την δυνατότητα για τέτοια προσαρμογή σε πολύ περιορισμένο βαθμό. Ένας μετατροπέας DC AC που χρησιμοποιείται σε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση διασυνδεδεμένη στο δίκτυο διανομής ρεύματος πρέπει να εξασφαλίζει την βέλτιστη προσαρμογή στην χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος τάσης. Κατά την διάρκεια της ημέρας, οι παράμετροι λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων μεταβάλλονται συνεχώς. Οι συνεχώς μεταβαλλόμενες συνθήκες θερμοκρασίας και ηλιακής ακτινοβολίας έχουν σαν αποτέλεσμα την μετακίνηση του σημείου μέγιστης ισχύος (MPP) πάνω στην χαρακτηριστική καμπύλη. Προκείμενου να μετατρέπεται πάντα όσο το δυνατό περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία σε εναλλασσόμενο ρεύμα, ο μετατροπέας πρέπει να εντοπίζει και να προσαρμόζεται στο σημείο βέλτιστης λειτουργίας. Αυτή η ικανότητα προσαρμογής στο βέλτιστο σημείο λειτουργίας του μετατροπέα, περιγράφεται από τον βαθμό ανίχνευσης (η TR ), ο οποίος ορίζεται παρακάτω: η Σ τιγμιαία ενεργ ήισχύς εισ όδου P DC TR = (2.18) Μ έγιστη στιγμιαία παραγ όμενη ισχύς PPV Στην περίπτωση της διασύνδεσης με το δίκτυο, αξίζει να σημειώσουμε ότι η διακύμανση του σημείου λειτουργίας οφείλεται στην ανεπιθύμητη ζεύξη της συχνότητας της τάσης δικτύου με την DC πλευρά και αυτή πρέπει να είναι όσο το δυνατό μικρότερη. Αυτό συμβαίνει σε μεγάλο βαθμό, ειδικά στην περίπτωση των μετατροπέων που δεν εμπεριέχουν μετασχηματιστή Ευρωπαϊκός Βαθμός Απόδοσης Inverter Προκείμενου να γίνει δυνατή η σύγκριση των διαφόρων μετατροπέων με βάση τον βαθμό απόδοσής τους, εισήχθηκε ο ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης η EURO. Αυτός ο βαθμός είναι βασισμένος στο κλίμα που συναντάται στην κεντρική Ευρώπη. Είναι αξιοσημείωτο, ότι ηλιακή ακτινοβολία με ένταση πάνω από 800W/m 2 λαμβάνει χώρα σχετικά σπάνια. Επομένως είναι πολύ σύνηθες φαινόμενο, οι μετατροπείς DC AC να λειτουργούν, όχι στην ονομαστική τους ισχύ, αλλά σε ισχύ που αντιστοιχεί σε μερικό φορτίο. Προκειμένου να ληφθούν υπόψη οι διάφορες συνθήκες φορτίου υπολογίσθηκαν έξι συντελεστές που αντιστοιχούν σε έξη διαφορετικές καταστάσεις φορτίου (ισχύς εισόδου), οπότε και προκύπτει ο παρακάτω τύπος υπολογισμού του ευρωπαϊκού βαθμού απόδοσης: η = 0.03 η η 0.13 η η η η (2.19) Euro 5% 10% 20% 30% 50% 100% Έτσι, η τιμή η 100% αντιστοιχεί στην περίπτωση που ο μετατροπέας λειτουργεί στην ονομαστική του τιμή, δηλαδή στην μέγιστη ισχύ εξόδου. Αυτό σημαίνει, δεδομένου πως έχει χρησιμοποιηθεί ένας μετατροπέας ίδιας ισχύος με αυτήν της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης, ότι δέχεται σαν ισχύ εισόδου την ονομαστική ισχύ της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Επομένως για μια εγκατάσταση π.χ. 100kW, εάν χρησιμοποιήσουμε έναν μετατροπέα που δέχεται μέγιστη ισχύ εισόδου 100kW, το η 100% είναι ο βαθμός απόδοσης όταν η ισχύς εισόδου από τα φωτοβολταϊκά είναι 100kW. Ο συντελεστής 0.2 προκύπτει από 26

27 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 27 την ανάλυση ότι ένας μετατροπέας θα λειτουργεί στην ονομαστική ισχύ (μέγιστο φορτίο) για το 20% της λειτουργίας του ετησίως, λόγω των κλιματικών συνθηκών. Ομοίως, η τιμή η 50% αντιστοιχεί στην περίπτωση κατά την οποία ο μετατροπέας λειτουργεί στο μισό της ονομαστικής του τιμής (στο παράδειγμά μας στα 50kW). Υπολογίσθηκε πως σε αυτήν την κατάσταση λειτουργίας ένας μετατροπέας βρίσκεται το 48% της ετήσιας λειτουργίας του. Με τον ίδιο τρόπο υπολογίζονται και οι υπόλοιποι συντελεστές που αντιστοιχούν σε διαφορετική ισχύ εισόδου. Ο βαθμός απόδοσης ενός μετατροπέα στις διάφορες καταστάσεις δίνεται από τους κατασκευαστές και έτσι σχηματίζεται όπως έχουμε αναφέρει προηγούμενα η καμπύλη του βαθμού απόδοσης inverter (βλ. Διάγραμμα 2.8). Συνεπώς, ο ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης μας δίνει την δυνατότητα να συγκρίνουμε διαφορετικούς inverters. Ο ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης είναι περίπου ίσος με τον πραγματικό βαθμό απόδοσης και κυμαίνεται στο 86 95% και εξαρτάται από την κλάση, την στάθμη της DC τάσης και την κυκλωματική αρχή σχεδίασης του μετατροπέα. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί πως ο ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης ισχύει για την περιοχή της κεντρικής Ευρώπης και έχει καθορισθεί από το κλίμα της. Έτσι, δεν αποτελεί μέτρο σύγκρισης σε περιπτώσεις όπου συναντάται έντονη ηλιακή ακτινοβολία.

28 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Το λογισμικό PV Project 3.1 Γενικά Προκειμένου να αναπτυχθεί ένα εργαλείο το οποίο θα μοντελοποιεί μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε η εφαρμογή PV Project. Η συγκεκριμένη εφαρμογή αναπτύχθηκε με σκοπό να αποτελέσει ένα βοήθημα για τον μελετητή ή/και τον εγκαταστάτη της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, με την χρήση του οποίου θα μπορεί ο τελευταίος να πειραματιστεί και να εκτιμήσει την έξοδο της εγκατάστασης, με βάση τον εξοπλισμό που χρησιμοποίησε (panels, inverters), την συνδεσμολογία του, καθώς και τα χαρακτηριστικά της περιοχής στην οποία θα εγκατασταθεί το φωτοβολταϊκό σύστημα (ηλιοφάνεια και θερμοκρασία περιοχής). Η λογική της εφαρμογής είναι η εξής: ο χρήστης εισάγει τον επιθυμητό αριθμό φωτοβολταϊκών panels, τον αριθμό των strings και τον αριθμό των inverters που θα χρησιμοποιηθούν στην εγκατάσταση στη συνέχεια, εισάγει τα τεχνικά χαρακτηριστικά των panels και των inverters που θα χρησιμοποιηθούν ομαδοποιεί σε strings τα panels σύμφωνα με την επιθυμία του, και τα strings στους inverters με βάση τις πληροφορίες ηλιοφάνειας και θερμοκρασίας που αφορούν την περιοχή της εγκατάστασης, γίνεται εκτίμηση της απόδοσης της εγκατάστασης και την διακύμανσή της ετησίως (ανά μήνα) ο χρήστης παίρνει από το σύστημα, εκτός από την εκτίμηση της απόδοσης και δεδομένα/καμπύλες (αρχεία.txt, αρχεία.gif) που αφορούν εξοπλισμό που χρησιμοποίησε και την συνδεσμολογία που ακολούθησε. Η παραπάνω λογική αποτέλεσε την κατευθυντήρια γραμμή για την σχεδίαση της εφαρμογής. Τα παραπάνω βήματα μεταφράστηκαν σε έναν οδηγό, κάθε βήμα του οποίου εκτελεί συγκεκριμένες λειτουργίες, ώστε να διατηρηθεί κατά το δυνατό ένας τμηματικός χαρακτήρας στην εφαρμογή. Στο Κεφάλαιο αυτό γίνεται μια αναφορά στις λειτουργικές απαιτήσεις του λογισμικού, καθώς και στους περιορισμούς του λογισμικού, όσον αφορά τη μορφή των δεδομένων εισόδου και εξόδου του προγράμματος. 28

29 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Λειτουργικές απαιτήσεις Σύνοψη τοπολογίας εγκατάστασης Η εφαρμογή παρέχει την δυνατότητα για επιλογή της μορφής εισαγωγής της τοπολογίας της εγκατάστασης. Η σύνοψή της ορίζεται από το όνομα του project της εγκατάστασης, ο αριθμός των panels από τα οποία αυτή αποτελείται, ο αριθμός των strings στα οποία θα συνδεθούν τα panels και ο αριθμός των inverters στους οποίους θα συνδεθούν τα strings. Απαιτήθηκε ο χρήστης να μπορεί να επιλέξει ανάμεσα σε δύο τρόπους εισαγωγής της αρχιτεκτονικής: Χειροκίνητα (Manually) Με την επιλογή της χειροκίνητης μεθόδου, εμφανίζεται η αντίστοιχη φόρμα. O χρήστης εισάγει το όνομα του project της εγκατάστασης και τους αριθμούς panels, strings και inverters στα αντίστοιχα πεδία στη συγκεκριμένη φόρμα. Εφόσον τα δεδομένα που εισάγονται είναι έγκυρα, το σύστημα αρχικοποιεί τη συγκεκριμένη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση. Οι έλεγχοι που πραγματοποιούνται από το σύστημα κατά την εισαγωγή των δεδομένων είναι: - Το όνομα του project να μην περιλαμβάνει χαρακτήρες που δεν μπορούν να αποτελούν τμήμα ονόματος ενός αρχείου - Ο αριθμός των strings να είναι μικρότερος ή ίσος από τον αριθμό των panels - O αριθμός των inverters να είναι μικρότερος ή ίσος από τον αριθμό των strings - Σε κάθε inverter πρέπει να αντιστοιχεί ίδιος αριθμός από strings Εφόσον τα δεδομένα της αρχιτεκτονικής είναι έγκυρα και το σύστημα έχει δημιουργήσει το μοντέλο της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης, ζητούνται από τον χρήστη τα τεχνικά χαρακτηριστικά των panels που θα χρησιμοποιηθούν. Τα τεχνικά αυτά χαρακτηριστικά αποτελούν οι τιμές: - Τάση ανοικτού κυκλώματος V OC (open circuit Voltage) - Ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC (short circuit Current) - Τάση βέλτιστης λειτουργίας V mpp (maximum power point Voltage) - Ρεύμα βέλτιστης λειτουργίας I mpp (maximum power point Current) Οι τάσεις εισάγονται σε Volt και τα ρεύματα σε Ampere. Να σημειώσουμε ότι αν και οι κατασκευαστές δίνουν συνήθως ένα σημείο βέλτιστης λειτουργίας mpp (maximum power point), ωστόσο υπάρχει πάντα μια διακύμανση του σημείου αυτού. Πολλές φορές οι κατασκευαστές δίνουν το πραγματικό βέλτιστο σημείο για κάθε panel, και όχι το ονομαστικό. Το σύστημα θα δεχθεί τόσες τετράδες τιμών, όσα είναι και τα panels που δηλώθηκαν. Μετά το τέλος της εισαγωγής των τιμών των panels, έχει στηθεί το μοντέλο της εγκατάστασης και τα panels της έχουν οριστεί πλήρως, ώστε να μοντελοποιηθούν σύμφωνα με το λειτουργικό μοντέλο (effective solar cell model) στο οποίο έγινε αναφορά σε προηγούμενο κεφάλαιο.

30 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Αυτόματα Με χρήση αρχείων.txt (Automatically) Στην περίπτωση που ο χρήστης επιλέξει τον αυτόματο τρόπο εισαγωγής της εγκατάστασης, τότε εμφανίζεται η αντίστοιχη φόρμα. Η φόρμα αυτή παρέχει την δυνατότητα να φορτώσει ο χρήστης τα στοιχεία της εγκατάστασης με την χρήση αρχείων.txt. Το σύστημα παρέχει την δυνατότητα επιλογής μεταξύ της χρήσης προκαθορισμένων (default) αρχείων τα οποία είναι τα system.txt και pv_values.txt, και προσαρμοσμένων (custom) αρχείων τα οποία μπορεί να δημιουργήσει και να φορτώσει στο σύστημα ο χρήστης, χρησιμοποιώντας τα link labels που παρέχει η φόρμα. Το προκαθορισμένο αρχείο system.txt δημιουργείται (εφόσον δεν προϋπάρχει) στην τοποθεσία C:\PV_Project και περιέχει την πληροφορία για την αρχιτεκτονική της εγκατάστασης που, όπως και πριν, αποτελείται από το όνομα του project της εγκατάστασης, τον αριθμό των panels, τον αριθμό των strings και τον αριθμό των inverters που θα χρησιμοποιηθούν. Στο αρχείο, τα δεδομένα πρέπει να χωρίζονται μεταξύ τους τουλάχιστον με ένα χαρακτήρα κενού και πρέπει να είναι τοποθετημένα μετά τον ειδικό χαρακτήρα # για να γίνουν αντιληπτά από το σύστημα. Το προκαθορισμένο αρχείο pv_values.txt επίσης δημιουργείται (εφόσον δεν προϋπάρχει) στην τοποθεσία C:\PV_Project και περιέχει τα τεχνικά χαρακτηριστικά των panels που θα χρησιμοποιηθούν. Η δομή των τεχνικών χαρακτηριστικών είναι και πάλι οι 4 τιμές V OC, I SC, V mpp και I mpp και πρέπει να εισάγονται με αυτήν την σειρά. Όπως και πριν, οι τιμές πρέπει να τοποθετημένες μετά τον ειδικό χαρακτήρα # για να γίνουν αντιληπτές από το σύστημα. Όπως και στην χειροκίνητη μέθοδο, οι τάσεις εισάγονται σε Volt και τα ρεύματα σε Ampere. Στην περίπτωση που ο χρήστης επιλέξει την εισαγωγή τοπολογίας με την χρήση προσαρμοσμένων (custom) αρχείων.txt αρκεί να δημιουργήσει δυο.txt αρχεία, ένα για την τοπολογία και ένα για τις τιμές των panels. H μορφή των προσαρμοσμένων (custom) αρχείων πρέπει να είναι ίδια με αυτή των προκαθορισμένων (default) αρχείων. Τα δεδομένα και στα δύο αρχεία πρέπει να τοποθετηθούν μετά τον χαρακτήρα #. Μόλις ο χρήστης επιλέξει το κατάλληλο link label για το αντίστοιχο αρχείο τότε το σύστημα πρέπει να το ανοίγει με την κατάλληλη εφαρμογή (π.χ. Notepad) για την τροποποίησή του. Να τονίσουμε ότι η διαδρομή των αρχείων (file path) στην custom επιλογή πρέπει να αποτελείται μόνο αγγλικούς χαρακτήρες. Το σύστημα δεν μπορεί να διαβάσει άλλες κωδικοσειρές. Το σύστημα και στις δύο περιπτώσεις (default, custom) ελέγχει την τοπολογία της εγκατάστασης (όπως και στη χειροκίνητη μέθοδο) και σε περίπτωση λάθους εμφανίζεται ένα μήνυμα λάθους, ώστε να καταλαβαίνει ο χρήστης ότι έχει κάνει κάποιο λάθος στην εισαγωγή κάποιου αρχείου. 30

31 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 31 Μετά το φόρτωμα των αρχείων το σύστημα κατέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για να μοντελοποιήσει τα panels σύμφωνα με το λειτουργικό μοντέλο. Ο χρήστης μπορεί να πληροφορηθεί για τον τρόπο χρήσης της φόρμας (αλλά και κάθε φόρμας) διαβάζοντας τα μηνύματα της φόρμας που εμφανίζονται στην περιοχή κειμένου ή πατώντας το link label Help.txt όπου το σύστημα δημιουργεί (εφόσον δεν προϋπάρχει) το αρχείο βοήθειας Help.txt στην τοποθεσία C:\PV Project Εισαγωγή δεδομένων Inverter Στην επόμενη φόρμα ο χρήστης πρέπει να μπορεί να εισάγει τα δεδομένα των inverters που θα χρησιμοποιηθούν στην εγκατάσταση. Στην λίστα της συγκεκριμένης φόρμας πρέπει το σύστημα να εμφανίζει τον αριθμό των inverters που δήλωσε ο χρήστης, είτε με τον χειροκίνητο τρόπο είτε με τον αυτόματο. Το αρχείο με τα δεδομένα του inverter που δέχεται το σύστημα είναι ένα αρχείο.txt, στο οποίο μετά την σειρά στην οποία βρίσκεται η δεσμευμένη λέξη Line υπάρχουν δύο τιμές ανά σειρά και οι οποίες δημιουργούν δύο στήλες, αντίστοιχα. Οι δύο αυτές στήλες αποτελούν τις τιμές (x, y) και κάθε ζεύγος, δηλαδή κάθε γραμμή του συγκεκριμένου αρχείου, αποτελεί ένα σημείο. Τα σημεία αυτά αποτελούν σημεία της καμπύλης του βαθμού απόδοσης του συγκεκριμένου inverter. Ο κατασκευαστής inverter είναι υποχρεωμένος να δώσει την καμπύλη του βαθμού απόδοσης του inverter του είτε σε μορφή ζευγών τιμών (x,y), είτε σε μορφή διαγράμματος. Στην περίπτωση που τα δεδομένα είναι σε μορφή (x,y), τότε ο χρήστης εύκολα μπορεί να δημιουργήσει ένα αρχείο με δομή όμοια με αυτήν που περιγράφτηκε παραπάνω και να εισάγει μετά την σειρά της συγκεκριμένης λέξης Line τις τιμές του κατασκευαστή σαν στήλες. Ως στήλη x το σύστημα δέχεται τιμές ισχύος (DC ή AC) του inverter σε Watt και ως στήλη y τις αντίστοιχες τιμές του βαθμού απόδοσης (θεωρητικά τιμές από 0 έως 1). Στην περίπτωση που ο χρήστης έχει μια γραφική απεικόνιση της καμπύλης του βαθμού απόδοσης και όχι τιμές σημείων τότε με χρήση κάποιου Ψηφιοποιητή Γράφων (στην συγκεκριμένη περίπτωση έγινε χρήση του GetData Graph Digitizer graph digitizer.com/), μπορεί κανείς πολύ εύκολα να εξάγει τα σημεία τις καμπύλης που τον ενδιαφέρει. Το σύστημα, αφού λάβει τα δεδομένα διαβάζοντας το αρχείο, υπολογίζει τον ευρωπαϊκό βαθμό απόδοσης η euro του inverter με βάση τον αλγόριθμο που περιγράφηκε στο προηγούμενο κεφάλαιο. Επίσης, υπολογίζει την ονομαστική τιμή της ισχύος του inverter. Αφού ο χρήστης εισάγει δεδομένα για όλους τους inverters της εγκατάστασης το σύστημα εμφανίζει στην περιοχή κειμένου της φόρμας τους inverters της εγκατάστασης μαζί με τους αντίστοιχους βαθμούς απόδοσης και τις ονομαστικές τιμές ισχύος τους. Ο χρήστης σε περίπτωση επιτυχημένης εισαγωγής δεδομένων ειδοποιείται με αντίστοιχο μήνυμα. Σε περίπτωση λάθους, έχει γίνει πρόβλεψη ώστε το σύστημα να μην να κολλάει ούτε να τερματίζει. Τόσο στην περίπτωση λανθασμένου αρχείου δεδομένων, όσο και σε περίπτωση σωστής εισαγωγής το σύστημα επιτρέπει την φόρτωση άλλου αρχείου για τον inverter, παρέχοντας έτσι ευελιξία και επαναχρηστικότητα. Όπως προηγούμενα, έτσι και εδώ η διαδρομή των αρχείων πρέπει να περιέχει μόνο αγγλικούς χαρακτήρες.

32 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Σύνδεση Panels σε Strings Αφού εισαχθούν τα δεδομένα των inverters, το σύστημα εμφανίζει στο χρήστη μια φόρμα μέσω της οποίας πρέπει να γίνει η ομαδοποίηση των panels σε strings. Έτσι το σύστημα πρέπει να εμφανίζει στις λίστες της συγκεκριμένης φόρμας τον σωστό αριθμό panels και strings, σύμφωνα πάντα με την τοπολογία της εγκατάστασης, με όποιο τρόπο και αν αυτή εισάχθηκε (χειροκίνητα ή αυτόματα). Το σύστημα πρέπει να μπορεί να υπολογίζει τον βέλτιστο αριθμό από panels που αντιστοιχεί σε κάθε string και να τον αναγράφει στις αντίστοιχες περιοχές κειμένου. Κάθε φορά που γίνεται σύνδεση κάποιων panels σε string, αυτός ο αριθμός panels ανά string αλλάζει, για αυτό και το σύστημα τον υπολογίζει εκ νέου μετά από κάθε σχηματισμό string. Σε περίπτωση που ο χρήστης επιλέξει για σύνδεση περισσότερα panels από αυτά που αντιστοιχούν σε ένα string, τότε το σύστημα βγάζει ένα μήνυμα ειδοποίησης, χωρίς όμως να απαγορεύει τον χρήστη να συνεχίσει με την συγκεκριμένη συνδεσμολογία. Το σύστημα όμως δεν επιτρέπει στον χρήστη να αφήσει αχρησιμοποίητο κάποιο από τα δηλωμένα strings, δηλαδή δεν μπορεί ο χρήστης να χρησιμοποιήσει κάποια μόνο από τα strings που έχει δηλώσει. Πρέπει να συνδέσει τουλάχιστον ένα panel σε κάθε ένα string για να του επιτρέψει να συνεχίσει. Το σύστημα απαγορεύει τον χρήστη από το χρησιμοποιήσει το ίδιο panel σε παραπάνω από ένα strings. Επίσης, μόλις ο χρήστης συνδέσει τον επιθυμητό αριθμό panels σε ένα string, τότε αυτό κλειδώνει και δεν μπορούν να προστεθούν άλλα panel. Τα panels και τα strings που έχουν χρησιμοποιηθεί εμφανίζονται στις αντίστοιχες λίστες ακολουθούμενα από τις λέξεις connected και Done αντίστοιχα, ώστε να ενημερώνεται ο χρήστης για το ποιά panels και ποιά strings είναι διαθέσιμα. Σε περίπτωση που προσπαθήσει ο χρήστης να χρησιμοποιήσει κάποιο από τα ήδη συνδεδεμένα panels ή κάποιο από τα ήδη σχηματισμένα strings, το σύστημα θα του εμφανίσει αντίστοιχη ειδοποίηση και θα του απαγορέψει να συνεχίσει στην συνδεσμολογία απενεργοποιώντας το αντίστοιχο κουμπί της φόρμας. Η σύνδεση κάποιου panel σε κάποιο string σημαίνει την αύξηση της τάσης ανοικτού κυκλώματος V OC του string (που στην ουσία αποτελεί ένα μεγάλο panel) κατά την τάση ανοικτού κυκλώματος V oc του panel που συνδέθηκε, κρατώντας το ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC σταθερό. Στην ουσία δηλαδή, χρησιμοποιείται το αποτέλεσμα της μοντελοποίησης του κάθε panel σύμφωνα με το λειτουργικό μοντέλο, έτσι ώστε να προκύψει ένα μεγάλο panel το οποίο στην ουσία αποτελείται από τα επιμέρους panels. Το σύστημα παρέχει την δυνατότητα επαναφοράς της όλης διαδικασίας σύνδεσης των panels σε strings. Αυτή η δυνατότητα παρέχεται στο χρήστη με το αντίστοιχο κουμπί της φόρμας Reset. Με το πάτημα του κουμπιού αυτού, οποιαδήποτε συνδεσμολογία έχει πραγματοποιηθεί αναιρείται. Αυτό σημαίνει πως μετά το reset τα strings είναι κενά και οι αντίστοιχοι πίνακες τάσης V και ισχύος P του κάθε string έχουν μηδενικές τιμές. Επίσης, ο χρήστης βλέπει σαν οπτικό αποτέλεσμα της χρήσης του κουμπιού Reset την επανεμφάνιση των λιστών της φόρμας, χωρίς όμως να υπάρχει κανένα connected panel ή κάποιο string που να είναι Done. 32

33 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Σύνδεση Strings σε Inverters Η φόρμα αυτή έχει λειτουργικότητα ανάλογη με την προηγούμενη, με την διαφορά ότι σε αυτήν γίνεται η σύνδεση των strings στους inverters της εγκατάστασης. Υπάρχουν και εδώ δύο λίστες στις οποίες φαίνονται τα strings και οι inverters της εγκατάστασης, πάντα σύμφωνα με την τοπολογία που επέλεξε ο χρήστης. Δεδομένου ότι υπάρχει ένας συγκεκριμένος αριθμός strings ανά inverter που είναι σταθερός σε κάθε εγκατάσταση, δεν υπάρχει ανάγκη εδώ για υπολογισμό κάποιου βέλτιστου αριθμού, όπως γίνεται στην προηγούμενη φόρμα. Παρόλα αυτά, επιτρέπεται και εδώ η ανισοκατανομή των strings στους inverters, με την προϋπόθεση να συνδεθεί τουλάχιστον ένα string σε κάθε inverter. Όπως και πριν, κάτι τέτοιο δεν συνίσταται ούτε αποτελεί σύνηθες σενάριο εγκατάστασης. Και εδώ το σύστημα αποτρέπει την επαναχρησιμοποίηση κάποιου ήδη συνδεδεμένου string, καθώς και κάποιου ήδη κλειδωμένου inverter εμφανίζοντας τα κατάλληλα μηνύματα. Με την σύνδεση κάποιου string σε inverter καταχωρούνται οι τιμές τάσης και ισχύος από τους αντίστοιχους πίνακες του string (οντότητα) στους πίνακες του inverter (οντότητα) για περεταίρω επεξεργασία που θα ακολουθήσει σε επόμενη φόρμα. Υπάρχει και εδώ το πλήκτρο επαναφοράς της συνδεσμολογίας των strings. Μετά το πάτημα του, επανέρχονται στις εξ οριμού τιμές τους όλες οι μεταβλητές που έχουν επηρεαστεί από την σύνδεση κάποιου string σε κάποιον inverter. Μετά την χρήση και συμπλήρωση της συγκεκριμένης φόρμας, ο χρήστης έχει πλέον ορίσει πλήρως ολόκληρη την φωτοβολταϊκή εγκατάσταση από πλευράς εξοπλισμού, δηλαδή έχει δώσει όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για την λειτουργία της δεδομένης τοπολογίας. Το επόμενο βήμα είναι να ορίσει ο χρήστης το περιβάλλον στο οποίο θα λειτουργήσει η συγκεκριμένη εγκατάσταση. Αυτό σημαίνει πως απαιτούνται δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας της περιοχής στην οποία θα λειτουργήσει η εγκατάσταση Συλλογή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, το επόμενο βήμα είναι να συλλεγούν δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας για την περιοχή που ενδιαφέρει τον χρήστη. Στη φόρμα που ακολουθεί το σύστημα οδηγεί τον χρήστη να επισκεφτεί τον δικτυακό τόπο is.com/eng/services/index.html ο οποίος φιλοξενεί τις διαδικτυακές υπηρεσίες SoDa (SoDa Web Services). Επίσης, στη φόρμα υπάρχουν βοηθητικά βήματα ώστε να μπορέσει ο χρήστης να πλοηγηθεί εύκολα μέσα στον ιστοχώρο των υπηρεσιών SoDa, ώστε να μπορέσει εύκολα να ανακτήσει τα ζητούμενα δεδομένα. Από το σύνολο των κατηγοριών των υπηρεσιών που προσφέρονται, απαραίτητες είναι οι εξής: - Η κατηγορία που αναφέρεται στο κλίμα (Climate) - Η κατηγορία που αναφέρεται στην ηλιακή ακτινοβολία (Solar Radiation)

34 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Σχετικά με τα δεδομένα θερμοκρασίας: Αφού ο χρήστης επιλέξει την κατηγορία Climate, από την επόμενη σελίδα πρέπει να επιλέξει από την ομάδα υπηρεσιών Climate Normals την επιλογή Normal Year Global Radiation and Air Temperature πατώντας το κουμπί Hour, Day or Month. Στη σελίδα που εμφανίζεται, ο χρήστης πρέπει να συμπληρώσει μια φόρμα με πληροφορίες για: - Την περιοχή που ενδιαφέρει τον χρήστη (χρησιμοποιώντας το Search city by name) - Τη χρονική ανάλυση των δεδομένων (time resolution), όπου ο χρήστης πρέπει να εισάγει την επιλογή Daily (για ημερήσια ανάλυση) - Τη χρονική διάρκεια για την οποία ζητούνται δεδομένα σε μήνες, όπου ο χρήστης πρέπει να εισάγει την επιλογή 0 (0 = all) - Τη μορφή εξόδου σύμφωνα με την οποία η υπηρεσία θα επιστρέψει τα ζητούμενα δεδομένα, όπου ο χρήστης πρέπει να εισάγει την επιλογή SoDaCSV Αφού ο χρήστης επιλέξει το κουμπί της εκτέλεσης θα εμφανιστεί μια νέα σελίδα στην οποία θα εμφανίζονται τα ζητούμενα δεδομένα. Ο χρήστης αρκεί να αντιγράψει όλα τα δεδομένα που εμφάνισε η σελίδα σε ένα.txt αρχείο. Το PV Project είναι συμβατό με αυτή την μορφή αρχείων.txt για την εισαγωγή δεδομένων θερμοκρασίας. Σε επόμενη φόρμα ζητείται από τον χρήστη να εισάγει τα δεδομένα θερμοκρασίας και για να γίνει επιτυχημένη εισαγωγή τα δεδομένα πρέπει να βρίσκονται σε μορφή όμοια με αυτή που επιστρέφει η εφαρμογή SoDa. Πιο συγκεκριμένα το σύστημα ψάχνει στο αρχείο για την συγκεκριμένη λέξη month. Από την επόμενη σειρά το σύστημα θεωρεί ότι υπάρχουν δεδομένα θερμοκρασίας, πάντα όμως σύμφωνα με την δομή που τα επιστρέφει η υπηρεσία SoDa. Θα αναλυθεί παρακάτω για ποιο λόγο χρειάζονται τα συγκεκριμένα δεδομένα θερμοκρασίας, καθώς επίσης και τι είδους επεξεργασία υφίστανται από το σύστημα. Σχετικά με τα δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας: Αφού ο χρήστης επιλέξει την κατηγορία Solar Radiation και στην συνέχεια την επιλογή Solar Data for free, θα εμφανιστεί μια σελίδα με τις διάφορες μορφές δεδομένων που μπορεί να παρέχει η συγκεκριμένη υπηρεσία SoDa. Από τις διάφορες αυτές μορφές ο χρήστης πρέπει να επιλέξει μια μορφή δεδομένων από την κατηγορία Hour. Υπάρχουν 3 επιλογές: 1. Δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας για επίπεδες επιφάνειες (Horizontal Plane) 2. Δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας για επιφάνειες με κλίση (Inclined Plane) 3. Δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας για επιφάνειες κάθετες στις ηλιακές ακτίνες (Panel normal to sun rays) Ο χρήστης επιλέγει σύμφωνα με την εγκατάστασή του και εμφανίζεται στην επόμενη σελίδα μια φόρμα εισαγωγής στοιχείων. Στη συγκεκριμένη φόρμα πρέπει να εισαχθούν οι παρακάτω πληροφορίες: 34

35 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 35 - Η περιοχή που ενδιαφέρει τον χρήστη (χρησιμοποιώντας το Search city by name) - Ο μήνας για τον οποίο ο χρήστης απαιτεί δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας. Πρέπει να εισαχθεί ολόκληρη διάρκεια (30 31 μέρες) για κάθε μήνα για καλύτερη προσέγγιση. - Ο χρόνος αναφοράς, όπου ο χρήστης πρέπει να επιλέξει την επιλογή True Solar Time - Η μορφή εξόδου σύμφωνα με την οποία η υπηρεσία θα επιστρέψει τα ζητούμενα δεδομένα, όπου ο χρήστης πρέπει να εισάγει την επιλογή SoDaCSV Αν ο χρήστης επιλέξει την 2 η επιλογή από τις 3 που αναφέραμε σχετικά με το είδος της επιφάνειας που τον ενδιαφέρει, πρέπει να εισάγει εκτός από τις παραπάνω και τις ακόλουθες πληροφορίες: - Την γωνία της κλίσης της επιφάνειας - Την γωνία του αζιμούθιου της επιφάνειας Αφού ο χρήστης επιλέξει το κουμπί της εκτέλεσης θα εμφανιστεί μια σελίδα στην οποία θα αναγράφεται ένας σύνδεσμος για τη λήψη του δημιουργημένου αρχείου. Το PV Project δέχεται ως είσοδο αρχεία ανά μήνα και εξάγει την απαραίτητη πληροφορία. Για τον λόγο αυτό, όπως θα αναφερθεί και παρακάτω το σύστημα πρέπει να μπορεί να δέχεται αρχεία με δεδομένα ακτινοβολίας και για τις 3 περιπτώσεις ανάλογα με το είδος τις επιφάνειας και να εξάγει με διαφορετικό τρόπο την απαραίτητη πληροφορία, εκτελώντας κάποια επεξεργασία στα συγκεκριμένα αρχεία της SoDa υπηρεσίας Εισαγωγή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας θερμοκρασίας και υπολογισμός εξόδου της εγκατάστασης Έχοντας ο χρήστης συλλέξει τα απαραίτητα δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας της περιοχής που τον ενδιαφέρει, το επόμενο βήμα είναι να εισάγει αυτά τα δεδομένα στο σύστημα. Η εισαγωγή αυτή πραγματοποιείται μέσω της επόμενης φόρμας που προβάλει το σύστημα στον χρήστη. Το σύστημα δέχεται σαν είσοδο τα αρχεία δεδομένων μέσω της συγκεκριμένης φόρμας. Αναλυτικότερα, δέχεται 12 αρχεία με δεδομένα ηλιακής ακτινοβολίας ανά μήνα και 1 αρχείο με δεδομένα θερμοκρασίας για όλους τους μήνες. Με επιλογή από τον χρήστη του κουμπιού εισαγωγής το σύστημα εμφανίζει ένα παράθυρο διαλόγου το οπoίο προτρέπει τον χρήστη να επιλέξει το κατάλληλο αρχείο. Τα αρχεία ηλιακής ακτινοβολίας που μπορεί να δεχθεί το σύστημα είναι αρχεία τύπου.csv προερχόμενα από την αντίστοιχη υπηρεσία SoDa, όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, και μέσω του συγκεκριμένου διαλογικού παραθύρου μόνο.csv αρχεία μπορούν να επιλεχθούν. Αφού ο χρήστης επιλέξει το επιθυμητό αρχείο και επικυρώσει την επιλογή του, τότε το σύστημα κάνει έλεγχο για το αν όντως το αρχείο που επέλεξε ο χρήστης είναι συμβατό και αν αντιστοιχεί στον μήνα για τον οποίο το έχει προεπιλέξει ο χρήστης. Σε περίπτωση συμβατότητας το σύστημα ενημερώνει τον χρήστη ότι τα δεδομένα που έχουν εισαχθεί για

36 Γιώργος Αβραμίδης PV Project τον συγκεκριμένο μήνα είναι έγκυρα, ενώ στην περίπτωση που το αρχείο δεν περιέχει δεδομένα ακτινοβολίας (μη συμβατό αρχείο) ή το αρχείο που προεπέλεξε ο χρήστης περιέχει δεδομένα ακτινοβολίας άλλου μήνα τότε το σύστημα ειδοποιεί το χρήστη πως δεν έχουν εισαχθεί δεδομένα για τον συγκεκριμένο μήνα. Στην περίπτωση ορθής εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας, το σύστημα εμφανίζει στις κατάλληλες περιοχές κειμένου της φόρμας πληροφορίες για την εγκατάσταση. Οι πληροφορίες αυτές έχουν εξαχθεί από το εκάστοτε αρχείο ακτινοβολίας που εισάγει κάθε φορά ο χρήστης. Οι πληροφορίες αυτές είναι: Το γεωγραφικό μήκος της περιοχής (Latitude) Το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής (Longitude) Το υψόμετρο της περιοχής (Elevation) Στην περίπτωση χρήσης δεδομένων για επιφάνεια με κλίση (inclined plane) το σύστημα εξάγει και εμφανίζει στη φόρμα επιπλέον τις παρακάτω πληροφορίες: Τη γωνία αζιμούθιου (Azimuth) Τη γωνία κλίσης της επιφάνειας (Tilt) Κάθε φορά που ο χρήστης επιλέγει ένα.csv αρχείο για εισαγωγή δεδομένων, όπως αναφέρθηκε, το σύστημα ελέγχει αν το συγκεκριμένο αρχείο είναι έγκυρο και το επεξεργάζεται αναλόγως. Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα ο χρήστης έχει την δυνατότητα να ζητήσει δεδομένα από την υπηρεσία SoDa για 3 περιπτώσεις ανάλογα με την θέση της επιφάνειας όσον αφορά την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Η εφαρμογή SoDa για κάθε μία περίπτωση παράγει και αρχεία ακτινοβολίας με διαφορετική δομή το καθένα. Το PV Project είναι ικανό να αναγνωρίζει σε πρώτη φάση τον τύπο του αρχείου δεδομένων και στη συνέχεια να εξάγει από αυτό τα απαραίτητα δεδομένα σύμφωνα με τη συγκεκριμένη δομή του. Η αναγνώριση των αρχείων.csv γίνεται μέσω συγκεκριμένων χαρακτηριστικών φράσεων που υπάρχουν σε αυτά και είναι μοναδικές για κάθε μορφή αρχείου. Πιο συγκεκριμένα, Τη λέξη Irradiance για την περίπτωση οριζόντιας επιφάνειας Τη φράση Global Inclined για την περίπτωση επιφάνειας με κλίση Τη φράση Global NI για την περίπτωση επιφάνειας κάθετη στις ακτίνες Αφού το σύστημα αναγνωρίσει τη μορφή του αρχείου, στην συνέχεια εξάγει την απαιτούμενη πληροφορία για την ακτινοβολία σύμφωνα με συγκεκριμένο μοτίβο για κάθε αρχείο. Για το πρώτο είδος αρχείου, ενδιαφέρουν τα δεδομένα που βρίσκονται κάτω από τη στήλη Irradiance, για το δεύτερο είδος αρχείου τα δεδομένα που απαιτεί το σύστημα βρίσκονται κάτω από την στήλη Global Inclined και τέλος για το τρίτο είδος αρχείου τα χρήσιμα δεδομένα είναι αυτά κάτω από την στήλη Global NI. Να σημειωθεί εδώ ότι και στις 3 περιπτώσεις πρέπει να εισάγεται η ολική (Global) ακτινοβολία, διότι στην επιφάνεια των panels θα φτάσει, εκτός από την άμεση (Direct) ακτινοβολία και η ακτινοβολία διάχυσης Diffuse, καθώς και ένα σημαντικό ποσοστό τις ακτινοβολίας ανάκλασης Reflected. Προφανώς, η ολική ακτινοβολία ισούται με το άθροισμα της 36

37 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 37 άμεσης ακτινοβολίας, της ακτινοβολίας διάχυσης και της ακτινοβολίας ανάκλασης. Για τον λόγο αυτό το σύστημα διαβάζει από κάθε αρχείο τις ολικές τιμές ακτινοβολίας, χωρίς αυτό να αποτελεί σφάλμα της μελέτης. G lobal _ Irradiation D irect D iffuse Reflected _ Irradiation = + + (3.1) Αφού διαβαστούν οι απαιτούμενες τιμές από το αρχείο, όποιας μορφής και αν είναι αυτό, τότε το σύστημα μετράει τον αριθμό των δεδομένων (τα δεδομένα είναι ωριαία) και βγάζει τον μέσο όρο τους ανά ώρα. Με τον τρόπο αυτό το σύστημα δημιουργεί μια μέση ημέρα για τον συγκεκριμένο μήνα, ώστε να είναι πιθανότερη η σύγκλιση των 24 τιμών αυτών με κάποια τυχαία πραγματική μέρα του συγκεκριμένου μήνα. Οι πληροφορίες για την περιοχή, τη θέση της επιφάνειας, τον μήνα, τον αριθμό των ημερών, αλλά και ο μέσος όρος ακτινοβολίας ανά ώρα για ένα 24ωρό καταγράφονται από το σύστημα σε ένα αρχείο.txt με όνομα όμοιο με αυτό του.csv στον ίδιο φάκελο, ώστε να μπορεί ο χρήστης αν θελήσει να ενημερωθεί συνοπτικά για την πληροφορία που έχει εισάγει. Για την εισαγωγή των δεδομένων θερμοκρασίας, ο χρήστης αρκεί να επιλέξει το αντίστοιχο κουμπί της φόρμας. Το σύστημα ανοίγει και πάλι ένα παράθυρο διαλόγου με το οποίο προτρέπει το χρήστη να εισάγει ένα αρχείο.txt. Το αρχείο που θα επιλέξει ο χρήστης πρέπει να είναι αρχείο.txt το οποίο να περιέχει δεδομένα που να προέρχονται από την αντίστοιχη SoDa υπηρεσία και να έχει δημιουργηθεί με τον τρόπο που περιγράφηκε σε προηγούμενη ενότητα. Όπως αναφέρθηκε, το αρχείο αυτό περιέχει την μέση θερμοκρασία ανά ημέρα για όλο το έτος. Το σύστημα ελέγχει για το αν το αρχείο είναι συμβατό ψάχνοντας να βρει την χαρακτηριστική λέξη month, λέξη που χαρακτηρίζει την δομή των δεδομένων και άρα του αρχείου που προέρχεται από την υπηρεσία SoDa. Αφού εντοπιστεί η χαρακτηριστική λέξη, τότε το σύστημα πρέπει να διαβάσει την θερμοκρασία κάθε ημέρας για κάθε μήνα και να κρατήσει τις μέγιστες τιμές. Δηλαδή, το ζητούμενο είναι το σύστημα να επιστρέφει 12 τιμές, μία ανά μήνα, η οποία να αντιστοιχεί στην μέγιστη θερμοκρασία του μήνα, σύμφωνα πάντα με τα δεδομένα του SoDa. Μετά την επιβεβαίωση της επιλογής του αρχείου από τον χρήστη και εφόσον το αρχείο είναι συμβατό, θα εμφανιστούν στις αντίστοιχες περιοχές κειμένου οι 12 αντίστοιχες μέγιστες θερμοκρασίες ανά μήνα. Οι μέγιστες αυτές τιμές θερμοκρασίας είναι απαραίτητες για τον υπολογισμό της απόδοσης της εγκατάστασης, αφού όπως αναφέρθηκε και σε προηγούμενο κεφάλαιο, η λειτουργία και άρα η απόδοση των φωτοβολταϊκών panels επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την θερμοκρασία. Περισσότερα θα αναφερθούν παρακάτω, όπου και θα περιγραφεί η μέθοδος υπολογισμού της απόδοσης της εγκατάστασης. Σε περίπτωση λανθασμένου ή μη συμβατού αρχείου το σύστημα επιστρέφει μηδενική τιμή για κάθε μέγιστη τιμή θερμοκρασίας ανά μήνα. Και σε αυτήν εδώ τη φόρμα τα διάφορα αρχεία που φορτώνονται δέχονται διαδρομή αρχείου (file path) που αποτελείται μόνο από αγγλικούς χαρακτήρες. Έχοντας ορίσει και το περιβάλλον μέσα στο οποίο θα λειτουργήσει η φωτοβολταϊκή εγκατάσταση, το επόμενο βήμα είναι να γίνει η περιγραφή του συστήματος υπολογισμού της απόδοσης της εγκατάστασης. Αναγκαία δεδομένα εισόδου για το σύστημα αυτό είναι οι τιμές ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας, αλλά και η τοπολογία της εγκατάστασης η

38 Γιώργος Αβραμίδης PV Project οποία, όπως έχει αναφερθεί, έχει οριστεί πλήρως χρησιμοποιώντας προηγούμενες φόρμες του συστήματος. Στην επόμενη ενότητα περιγράφεται αναλυτικά το σύστημα υπολογισμού της απόδοσης της εγκατάστασης Σύστημα υπολογισμού εκτίμησης της εξόδου της εγκατάστασης Έχοντας τα απαραίτητα στοιχεία, το PV Project είναι σε θέση να υπολογίσει μια εκτίμηση της εξόδου της εγκατάστασης, δηλαδή την παραγόμενη ηλεκτρική ισχύ. Τα δεδομένα που χρειάζεται το σύστημα υπολογισμού για να εκτιμήσει την έξοδο είναι: Η μέγιστη ισχύς εξόδου των φωτοβολταϊκών panels H θερμοκρασία κάτω από την οποία παράγουν την μέγιστη ισχύ τα panels Η επίδραση της θερμοκρασίας στην παραγόμενη ισχύ των panels, ανά βαθμό μεταβολής Η ηλιακή ακτινοβολία ανά ώρα μιας ημέρας Η μέγιστη θερμοκρασία της παραπάνω ημέρας Ο βαθμός απόδοσης η euro (ευρωπαϊκός) των inverters που θα χρησιμοποιηθούν Οι απώλειες καλωδίων της εγκατάστασης Οι απώλειες μετασχηματιστή, εφόσον αυτός χρησιμοποιηθεί Πριν συνεχιστεί η ανάλυση, πρέπει να τονιστούν ορισμένα σημεία. Το σύστημα θα εφαρμόσει το σύστημα υπολογισμού για κάθε string που είναι συνδεδεμένο σε inverter της εγκατάστασης και όχι για κάθε panel ξεχωριστά. Δεδομένου ότι, όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, η δημιουργία ενός string αποτελεί στην ουσία σύνδεση σε σειρά κάποιου αριθμού panels και ότι αυτό με την σειρά του σημαίνει δημιουργία ενός νέου μεγάλου panel το οποίο σαν χαρακτηριστικά έχει το ίδιο ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC με αυτό της συστοιχίας των panels που το δημιούργησε και τάση ανοικτού κυκλώματος V OC ίση με το άθροισμα της επιμέρους τάσης ανοικτού κυκλώματος των panels αυτών. Στην ουσία δηλαδή, έχουμε ένα νέο panel με διαφορετικά τεχνικά χαρακτηριστικά, άρα μπορεί να εφαρμοσθεί το σύστημα υπολογισμού σε αυτό το νέο panel. H θερμοκρασία κάτω από την οποία επιτυγχάνεται η μέγιστη ισχύς εξόδου για κάθε panel είναι συγκεκριμένη και αποτελεί χαρακτηριστική τιμή των «τυποποιημένων συνθηκών ελέγχου» (standard testing conditions, STC) όπως αναφέραμε σε προηγούμενο κεφάλαιο και είναι ίση με 25 C. Κάθε string, όπως αναφέρθηκε, μπορεί να αντιμετωπιστεί ως ένα panel σύμφωνα με τον παραπάνω συλλογισμό. Η θερμοκρασία της μέγιστης ισχύος εξόδου είναι ίδια με αυτή των αρχικών panels που το αποτελούν. Η μέγιστη τιμή αυτή της ισχύος εξόδου του κάθε string έχει υπολογιστεί από το σύστημα χρησιμοποιώντας τις τιμές ρεύματος I και τάσης V που παρήγαγε το σύστημα χρησιμοποιώντας τους μαθηματικούς τύπους του λειτουργικού μοντέλου (effective solar cell model) που αναλύθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο. Δηλαδή, ως μέγιστη ισχύ κάθε string το σύστημα θεωρεί τη μέγιστη τιμή του γινομένου V*I. 38

39 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 39 Όσον αφορά την ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία, όπως εξηγήθηκε παραπάνω, ο χρήστης χρησιμοποιώντας την υπηρεσία SoDa μπορεί να ανακτήσει και να εισάγει δεδομένα για μία μέση ημέρα του συγκεκριμένου μήνα, μειώνοντας έτσι την πιθανότητα να εισάγει ακραίες τιμές μιας μη τυπικής ημέρας του μήνα. Η μέγιστη θερμοκρασία ανά μήνα που έχει εισαχθεί στο σύστημα, ουσιαστικά αποτελεί το χειρότερο σενάριο λειτουργίας. Όπως έχει προαναφερθεί, ένα φωτοβολταϊκό panel αποδίδει λιγότερο όσο ανεβαίνει η θερμοκρασία του. Ορίζοντας ως μέγιστη θερμοκρασία για όλο τον μήνα αυτήν που δίνει η υπηρεσία SoDa για μία μόνο ημέρα του συγκεκριμένου μήνα περιορίζουμε την λειτουργία της εγκατάστασης, οδηγώντας την σε πιο ασφαλή αποτελέσματα. Ο ευρωπαϊκός βαθμός απόδοσης για κάθε inverter είναι αυτός που έχει υπολογίσει το σύστημα σε προηγούμενη φόρμα. Οι απώλειες καλωδίων εγκατάστασης και οι απώλειες μετασχηματιστή μπορούν να οριστούν από τον χρήστη εισάγοντας τις κατάλληλες τιμές στις αντίστοιχες περιοχές κειμένου της φόρμας. Το σύστημα εμφανίζει σαν προεπιλεγμένες τιμές τιμή 0.5% για τις απώλειες καλωδίων και 0% για τις απώλειες μετασχηματιστή (δηλαδή δηλώνει την απουσία του). Τα μεγέθη που πρέπει να υπολογίσει το σύστημα είναι: Η διακύμανσης της ημερήσιας θερμοκρασίας, που δίνεται από τη σχέση: t = t p DR (3.2) α όπου t amax p DR αmax : η μέγιστη θερμοκρασία περιβάλλοντος : ποσοστό κατανομής με βάση την ώρα της ημέρας : συντελεστής κατανομής με βάση τον μήνα Η ηλεκτρική ισχύς εξόδου ενός πλαισίου, που δίνεται από τη σχέση: max ( α ) P= P max 1 P t 30 t Δ + IR όπου P max : η μέγιστη ισχύς εξόδου των φωτοβολταϊκών ΔP : η επίδραση της θερμοκρασίας στην ισχύ ανά βαθμό ºC t α t max (3.3) : η διακύμανση της ημερήσιας θερμοκρασίας : η θερμοκρασία κάτω από την οποία γίνεται η επίτευξη της P max IR : ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας [kw/m 2 ] Οι τύποι αυτοί εφαρμόστηκαν για κάθε μία ώρα, κατά την διάρκεια της ημέρας. Έτσι τις ώρες που η ηλιακή ένταση δεν ήταν μηδέν, υπήρχε μια υπολογιζόμενη ηλεκτρική ισχύς. Το άθροισμα αυτών των τιμών κατά την διάρκεια μιας ημέρας δίνει την ηλεκτρική ισχύ εξόδου ενός string με συγκεκριμένες τιμές (P max, ΔP, t max ) για ένα τυπικό 24ωρο ενός συγκεκριμένου μήνα, και άρα την ενέργεια εξόδου του string για μία ημέρα. Αν αθροίσουμε την ημερήσια ηλεκτρική ενέργεια εξόδου για έναν ολόκληρο μήνα προκύπτει η μηνιαία ηλεκτρική

40 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ενέργεια εξόδου του συγκεκριμένου φωτοβολταϊκού string. Αν το εφαρμόσουμε αυτό για κάθε μήνα του έτους προκύπτει τελικά η ετήσια παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια E string ενός συγκεκριμένου string. Αν αθροίσουμε την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια εξόδου (AC) του κάθε string, μπορούμε να υπολογίσουμε την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια εξόδου (AC) της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο: Eεγκατ άστασης = ( Estring η inv ) (1 wirloss ) (1 transloss ) (3.4) όπου η inv wir loss : ο βαθμός απόδοσης με τον οποίο λειτουργεί ο inverter : το ποσοστό των απωλειών των καλωδίων trans loss : το ποσοστό των απωλειών του μετασχηματιστή (αν υπάρχει) Προφανώς πρέπει να υπάρχει συμβατότητα ανάμεσα στην ισχύ του string E string και στον αντίστοιχο βαθμό απόδοσης του inverter. Δηλαδή, κάθε παραγόμενη ενέργεια string πρέπει να πολλαπλασιάζεται με τον βαθμό απόδοσης του inverter στον οποίο είναι συνδεδεμένο. Αφού ο χρήστης έχει εισάγει όλα τα απαραίτητα δεδομένα στην συγκεκριμένη φόρμα, το σύστημα ενεργοποιεί την επιλογή για τον υπολογισμό της εξόδου της εγκατάστασης. Με την επιλογή αυτή το σύστημα εμφανίζει στην περιοχή κειμένου της φόρμας, η οποία στην περίπτωση αυτή λειτουργεί ως οθόνη εξόδου, τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Συγκεκριμένα, το σύστημα εμφανίζει την ετήσια συλλεγόμενη ενέργεια (DC) ανά μήνα για κάθε string του κάθε inverter. Η εμφάνιση των αποτελεσμάτων γίνεται εξετάζοντας ξεχωριστά τα strings του κάθε inverter. Έτσι, ο χρήστης πληροφορείται για την διακύμανση της συλλεγόμενης ενέργειας του κάθε string, σύμφωνα πάντα με τα δεδομένα της ακτινοβολίας και θερμοκρασίας που έχει εισάγει. Εκτός από την διακύμανση της συλλεγόμενης ενέργειας, το σύστημα υπολογίζει και εμφανίζει και το άθροισμα της συλλεγόμενης ενέργειας για όλο το έτος για το συγκεκριμένο string. Αφού το σύστημα ολοκληρώσει την εμφάνιση των παραπάνω πληροφοριών για κάθε string ενός inverter, εμφανίζει το άθροισμα της συλλεγόμενης ενέργειας των strings αυτών που ουσιαστικά αποτελεί την ισχύ εισόδου (DC) για τον inverter στον οποίο είναι συνδεδεμένα. Ακολουθεί η εμφάνιση της ενέργειας εξόδου του συγκεκριμένου inverter σύμφωνα με τον ευρωπαϊκό βαθμό απόδοσης η euro που έχει υπολογίσει το σύστημα. Αφού το σύστημα τελειώσει με τον υπολογισμό και την εμφάνιση των αποτελεσμάτων όλων των strings όλων των inverters, ακολουθεί μια συνοπτική επισκόπηση της εγκατάστασης που εξετάζει ο χρήστης. Πιο συγκεκριμένα, εμφανίζονται τα στοιχεία της εγκατάστασης (αριθμός panels, αριθμός strings και αριθμός inverters), οι απώλειες τις οποίες έχει δηλώσει ο χρήστης και σύμφωνα με τις οποίες έγιναν οι υπολογισμοί και, τέλος, τα αποτελέσματα των υπολογισμών για την ετήσια συλλεγόμενη ενέργεια (DC) όλης της εγκατάστασης, την αντίστοιχη ενέργεια εξόδου της εγκατάστασης (AC) και την ενέργεια εξόδου έχοντας συμπεριλάβει και τις δηλωμένες απώλειες. Η τελευταία αυτή τιμή, που είναι και η χαρακτηριστική τιμή της μελέτης της εγκατάστασης αναγράφεται με εμφανή γραμματοσειρά σε ξεχωριστή περιοχή κειμένου της φόρμας ώστε να είναι ευανάγνωστη από τον χρήστη. 40

41 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Προβολή αρχείων φωτοβολτιαϊκής εγκατάστασης Η επόμενη φόρμα του συστήματος επιτρέπει στο χρήστη να προβάλει τα αρχεία περιγραφής εξοπλισμού στην οθόνη του υπολογιστή και να τα αποθηκεύσει σε συγκεκριμένη τοποθεσία. Πιο συγκεκριμένα, το σύστημα εμφανίζει στις λίστες της φόρμας τον εξοπλισμό της εγκατάστασης, δηλαδή τον αριθμό των panels, τον αριθμό των strings και τον αριθμό των inverters που έχουν δηλωθεί από τον χρήστη στην εγκατάσταση. Ο χρήστης επιλέγει από τις λίστες τα αντικείμενα για τα οποία επιθυμεί το σύστημα να δημιουργήσει αρχεία. Το σύστημα δίνει την δυνατότητα στο χρήστη να επιλέξει την τοποθεσία αποθήκευσης ή να χρησιμοποιήσει την προεπιλεγμένη τοποθεσία αποθήκευσης (C:\PV Project). Αφού ο χρήστης επιλέξει τα αντικείμενα που επιθυμεί, ενεργοποιείται από το σύστημα το αντίστοιχο κουμπί της δημιουργίας και εμφάνισης αρχείων. Με την επιλογή του από τον χρήστη, το σύστημα δημιουργεί στην επιλεχθείσα τοποθεσία τα παρακάτω αρχεία: Για κάθε panel - Αρχείο.txt το οποίο περιέχει τα τεχνικά χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου πλαισίου (V OC, I SC, V mpp και I mpp ), τις υπολογισμένες τιμές των μεταβλητών (M, R pv, V t, I 0 και I ph ) του μαθηματικού λειτουργικού μοντέλου (The effective solar cell model). Τέλος, το αρχείο περιλαμβάνει την διακύμανση της τάσης ως αποτέλεσμα της κλιμακωτής μείωσης του ρεύματος βραχυκύκλωσης μέχρι να μηδενιστεί, εφαρμόζοντας τους τύπους του λειτουργικού μοντέλου, καθώς επίσης και το γινόμενο των τιμών αυτών, που αποτελεί την παραγόμενη τιμή ισχύος του πλαισίου. Το σύστημα, δηλαδή, παράγει τα σημεία της καμπύλης ρεύματος τάσης του πλαισίου χρησιμοποιώντας συγκεκριμένη μαθηματική μοντελοποίηση. - Αρχείο.gif το οποίο περιέχει το διάγραμμα της καμπύλης ρεύματος τάσης. Τα σημεία της καμπύλης του διαγράμματος είναι το ζεύγος τιμών (V,I) που υπολογίστηκαν νωρίτερα. Στο παρόν διάγραμμα αναγράφεται και η πληροφορία για την εγκατάσταση στην οποία ανήκει το συγκεκριμένο panel, καθώς και ο χαρακτηριστικός αριθμός του στην εγκατάσταση. Για κάθε string - Αρχείο.txt το οποίο περιέχει την πληροφορία για το πόσα panels είναι συνδεδεμένα στο συγκεκριμένο string, καθώς και την διακύμανση της τάσης ως αποτέλεσμα της κλιμακωτής μείωσης του ρεύματος βραχυκύκλωσης του string μέχρι να μηδενιστεί. Όπως έχει αναφερθεί άλλωστε, ένα string αποτελεί ουσιαστικά ένα φωτοβολταϊκό panel με ρεύμα βραχυκύκλωσης I SC ίσο με το ρεύμα βραχυκύκλωσης των panels που το απαρτίζουν και τάση ανοικτού κυκλώματος V OC ίση με το άθροισμα της τάσης ανοικτού κυκλώματος των επιμέρους panels. Παράγονται, δηλαδή, και πάλι τα σημεία της καμπύλης ρεύματος τάσης του string. Τέλος, υπολογίζεται και εδώ το γινόμενο της τάσης και του ρεύματος ώστε να προκύψει τελικά η τιμή της παραγόμενης ισχύος του string.

42 Γιώργος Αβραμίδης PV Project - Αρχείο.gif το οποίο περιέχει το διάγραμμα της καμπύλης ρεύματος τάσης του συγκεκριμένου string.τα σημεία της καμπύλης του διαγράμματος είναι το ζεύγος τιμών (V,I) που υπολογίστηκαν νωρίτερα. Στο παρόν διάγραμμα αναγράφεται και η πληροφορία για την εγκατάσταση στην οποία ανήκει το συγκεκριμένο string, καθώς και ο χαρακτηριστικός αριθμός του στην εγκατάσταση. Για κάθε inverter - Αρχείο.txt το οποίο περιέχει την πληροφορία για το πόσα strings είναι συνδεδεμένα στον συγκεκριμένο inverter, καθώς επίσης και τα ζεύγη τιμών τάσης και ισχύος όπως αυτά προέκυψαν προηγούμενα για κάθε string που είναι συνδεδεμένο στο συγκεκριμένο inverter. - Αρχείο.gif για κάθε συνδεδεμένο string στον inverter το οποίο περιέχει το διάγραμμα της διακύμανσης της ισχύος ως προς την τάση λειτουργίας του string. Υπάρχει και εδώ η πληροφορία για το όνομα του project (εγκατάστασης), την αρίθμηση που έχει ο inverter στο project και την αρίθμηση του string στον συγκεκριμένο inverter. - Αρχείο.gif το οποίο περιέχει το διάγραμμα της καμπύλης του βαθμού απόδοσης του συγκεκριμένου inverter. Το διάγραμμα αυτό είναι αποτέλεσμα των δεδομένων που έχει εισάγει ο χρήστης για τον συγκεκριμένο inverter σε προηγούμενη φόρμα του συστήματος. Γενικά για την εγκατάσταση - Αρχείο.gif το οποίο περιέχει την διακύμανση της συλλεχθήσας ενέργειας εισόδου (DC) της εγκατάστασης για τους 12 μήνες του έτους σε διάγραμμα με μπάρες. Αυτό αποσκοπεί στο να πληροφορηθεί συνοπτικά ο χρήστης για την μεταβολή της ποιότητας της ακτινοβολίας και άρα της συλλεγόμενης ενέργειας εισόδου (DC) και παραγόμενης ενέργειας εξόδου (AC) της εγκατάστασης. Σαν αποτέλεσμα εξαρτάται προφανώς, τόσο από την ποιότητα της ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας της περιοχής στην οποία θα λειτουργήσει η εγκατάσταση, όσο και από την ποιότητα του εξοπλισμού που θα χρησιμοποιηθεί καθώς και την συνδεσμολογία του Επιλογή πραγματοποίησης νέου πειράματος Εφόσον το σύστημα έχει δημιουργήσει τα αρχεία για τα αντικείμενα που επιθυμεί ο χρήστης, ενεργοποιείται το κουμπί της πραγματοποίησης ενός νέου πειράματος. Με την επιλογή του συγκεκριμένου κουμπιού, το σύστημα εμφανίζει στο χρήστη την αρχική φόρμα δημιουργίας τοπολογίας για τη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση. Αυτό αποτελεί μια πρακτική ιδιότητα του συστήματος η οποία σε συνδυασμό με τις ιδιότητες της επόμενης φόρμας που θα περιγραφεί παρακάτω, μπορεί να βοηθήσει τον χρήστη να πραγματοποιήσει τα πειράματά του σε ομάδες ή συνεδρίες εκτελώντας έτσι μια λογική ομαδοποίηση των πειραμάτων. 42

43 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Εμφάνιση συνοπτικών αποτελεσμάτων τελευταίας συνεδρίας Αφού ο χρήστης ολοκληρώσει τον επιθυμητό αριθμό πειραμάτων και επιλέξει να να συνεχίσει στη διαδικασία, το σύστημα εμφανίζει την τελευταία φόρμα, η οποία λειτουργεί στην ουσία ως μέσο προβολής συνοπτικών αποτελεσμάτων των πειραμάτων της τελευταίας συνεδρίας που πραγματοποίησε ο χρήστης. Έτσι, με την επιλογή εμφάνισης των πειραμάτων, το PV Project εμφανίζει στην περιοχή κειμένου της φόρμας, τις παρακάτω πληροφορίες για κάθε πείραμα: Τον αριθμό πειράματος συνεδρίας Το όνομα του project της εγκατάστασης Τον αριθμό panels της εγκατάστασης Τον αριθμό strings της εγκατάστασης Τον αριθμό inverters της εγκατάστασης Τον αριθμό panels ανά string της εγκατάστασης Τον μέσο όρο των ευρωπαϊκών βαθμών απόδοσης των inverters που χρησιμοποιήθηκαν Την παραγόμενη ενέργεια εξόδου της (AC) της εγκατάστασης σε kwh Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης μπορεί να έχει μια συνοπτική εικόνα για τα πειράματα που πραγματοποίησε στην τελευταία συνεδρία. Το σύστημα δημιουργεί επίσης το αρχείο Last_Session_Experiments.txt στην τοποθεσία C:\PV_Project, το οποίο περιέχει ακριβώς την ίδια πληροφορία σχετικά με τα αποτελέσματα των πειραμάτων της τελευταίας συνεδρίας Γενικά για την λειτουργία του λογισμικού και την πλοήγηση στις φόρμες Το PV Project είναι μια εφαρμογή που τρέχει σε περιβάλλον Windows (δοκιμάστηκε σε Professional και Vista) και κατά συνέπεια έπρεπε να ακολουθεί τους βασικούς κανόνες σχεδίασης φιλικών Γραφικών Διεπαφών Χρηστών (friendly GUIs). Τέτοιοι κανόνες υποδεικνύουν δυνατότητες ελαχιστοποίησης των παραθύρων και τροποποίησης του μεγέθους τους κατά την εκτέλεση του λογισμικού, καθώς και άμεσο τερματισμό της εφαρμογής πατώντας το αντίστοιχο κουμπί της γραμμής ελέγχου των παραθύρων σε οποιαδήποτε στιγμή. Ακόμα, λόγω της ύπαρξης του οδηγού που κατευθύνει τον χρήστη, απαραίτητα είναι και η φιλική πλοήγησή του με την κλασσική πλέον χρήση των κουμπιών Back και Next. Όλα τα παραπάνω φαίνονται καλύτερα στο επόμενο κεφάλαιο, όπου θα αναπτύσσεται, μέσα από ένα παράδειγμα, ένας οδηγός χρήσης του συστήματος PV Project.

44 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Επίδειξη χρήσης του συστήματος 4.1 Έναρξη προγράμματος Εφόσον το πρόγραμμα έχει εγκατασταθεί επιτυχώς στον υπολογιστή, ο χρήστης επιλέγοντας την συντόμευση του αρχείου PV Project.exe ζητά από το λειτουργικό σύστημα να εκκινήσει την συγκεκριμένη εφαρμογή. Έτσι εμφανίζεται στην οθόνη την εικόνα εισαγωγής (logo) της εφαρμογής για ένα μικρό χρονικό διάστημα (3 sec). Εικόνα 4.1. Εικόνα εισαγωγής προγράμματος 44

45 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Επιλογή τρόπου εισαγωγής τοπολογίας της εγκατάστασης Μετά την πάροδο του μικρού χρόνου προβολής της οθόνης εισαγωγής το σύστημα εμφανίζει την φόρμα επιλογής του τρόπου εισαγωγής τοπολογίας της εγκατάστασης, όπως φαίνεται παρακάτω: Εικόνα 4.2. Φόρμα επιλογής τρόπου εισαγωγής τοπολογίας της εγκατάστασης Επιλογή χειροκίνητης (manual mode) εισαγωγής τοπολογίας Εφόσον επιλέξει ο χρήστης την χειροκίνητη επιλογή και επιλέξει το πλήκτρο Next τότε το σύστημα εμφανίζει την φόρμα χειροκίνητης εισαγωγής: Εικόνα 4.3. Φόρμα χειροκίνητης εισαγωγής τοπολογίας

46 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Επιλογή αυτόματης (automatic mode) εισαγωγής τοπολογίας Εφόσον ο χρήστης επιλέξει την αυτόματη εισαγωγή εγκατάστασης, τότε στο χρήστη εμφανίζεται η παρακάτω φόρμα: Εικόνα 4.4. Φόρμα αυτόματης εισαγωγής τοπολογίας Αφού ο χρήστης επιλέξει και φορτώσει τα αρχεία που περιέχουν την πληροφορία για την τοπολογία της εγκατάστασης και τα τεχνικά χαρακτηριστικά των panels, το σύστημα είναι έτοιμο να δημιουργήσει το μοντέλο της εγκατάστασης. Μετά την επιλογή του κουμπιού Create PV System according to files, στη συγκεκριμένη φόρμα επιστρέφεται η πληροφορία που δόθηκε από τα αρχεία: 46

47 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 47 Εικόνα 4.5. Φόρμα αυτόματης εισαγωγής τοπολογίας με εμφάνιση πληροφορίας από τα αρχεία εισόδου Και στις δύο περιπτώσεις, σε περίπτωση επιτυχημένης δημιουργίας του μοντέλου της εγκατάστασης και αρχικοποίησης των panels, το σύστημα εμφανίζει το παρακάτω ειδοποιητήριο μήνυμα επιτυχίας: Εικόνα 4.6. Μήνυμα επιβεβαίωσης δημιουργίας μοντέλου του συστήματος και αρχικοποίησης των panels

48 Γιώργος Αβραμίδης PV Project 4.3 Εισαγωγή δεδομένων Inverter Μετά την επιτυχημένη δημιουργία του μοντέλου της εγκατάστασης, εμφανίζεται στον χρήστη η φόρμα εισαγωγής δεδομένων για τους inverters της εγκατάστασης: Εικόνα 4.7. Φόρμα εισαγωγής δεδομένων inverter Εάν το αρχείο που δηλωθεί ως αρχείο δεδομένων inverter είναι έγκυρο, μετά την επιβεβαίωση της επιλογής του συγκεκριμένου αρχείου από τον χρήστη, εμφανίζεται μήνυμα ορισμού του συγκεκριμένου inverter: Εικόνα 4.8. Φόρμα εισαγωγής δεδομένων inverter με επιβεβαίωση ορισμού inverter 48

49 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 49 Εικόνα 4.9. Μήνυμα επιβεβαίωσης ορισμού όλων των inverter της εγκατάστασης Στο τέλος της διαδικασίας ορισμού των inverter και εφόσον έχουν οριστεί σωστά όλοι οι inverters της εγκατάστασης, θα εμφανιστούν στη φόρμα συνοπτικά τα δεδομένα για κάθε inverter: Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων inverter με συνοπτική περιγραφή των δεδομένων inverter που εισήχθησαν

50 Γιώργος Αβραμίδης PV Project 4.4 Σύνδεση Panel σε String Εφόσον ο χρήστης έχει εισάγει τα δεδομένα των inverters της εγκατάστασης, το σύστημα προβάλει την παρακάτω φόρμα σύνδεσης των panels σε strings: Εικόνα Φόρμα σύνδεσης panel σε string Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο, το σύστημα στην συγκεκριμένη φόρμα πρέπει να εμφανίζει όλα τα panels και όλα τα strings που έχουν δηλωθεί στην τοπολογία της εγκατάστασης. Επίσης, όπως φαίνεται παρακάτω, το σύστημα δεν επιτρέπει την επαναχρησιμοποίηση του ίδιου panel, ούτε την χρήση κάποιου string που έχει ήδη κλειδώσει, εμφανίζοντας τα κατάλληλα μηνύματα στο χρήστη και απενεργοποιώντας το κουμπί της σύνδεσης. Εικόνα Φόρμα σύνδεσης panel σε string με εμφάνιση απαγορευτικού μηνύματος 50

51 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 51 Εφόσον κατανεμηθούν σύμφωνα με την επιθυμία του χρήστη τα διαθέσιμα panel στα string, το σύστημα εμφανίζει το παρακάτω ειδοποιητήριο μήνυμα για να ενημερώσει το χρήστη ότι η σύνδεση των panel ολοκληρώθηκε με επιτυχία. Εικόνα Μήνυμα ενημέρωσης ολοκλήρωσης της διαδικασίας σύνδεσης των panels 4.5 Σύνδεση String σε Inverter Μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας σύνδεσης των panels σε strings, ζητείται από το χρήστη η σύνδεση των strings που έχουν πλέον οριστεί, στους δηλωμένους inverters της εγκατάστασης. Η φόρμα σύνδεσης των strings στους inverters είναι όμοια με την προηγούμενη, όπως φαίνεται παρακάτω: Εικόνα Φόρμα σύνδεσης strings σε inverters

52 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Όπως και πριν, το σύστημα ελέγχει για επαναχρησιμοποίηση αντικειμένων εμφανίζοντας τα αντίστοιχα απαγορευτικά μηνύματα: Εικόνα Φόρμα σύνδεσης string σε inverter με εμφάνιση απαγορευτικού μηνύματος Και σε αυτήν την περίπτωση, με την επιτυχημένη ολοκλήρωση της διαδικασίας σύνδεσης των strings στους inverters της εγκατάστασης, το σύστημα ενημερώνει το χρήστη με αντίστοιχο μήνυμα: Εικόνα Μήνυμα ενημέρωσης ολοκλήρωσης της διαδικασίας σύνδεσης των string 52

53 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Συλλογή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας Το επόμενο βήμα του χρήστη είναι η συλλογή των απαραίτητων δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας για την περιοχή λειτουργίας της εγκατάστασης. Το σύστημα προτρέπει το χρήστη μέσω της επόμενης φόρμας να επισκεφτεί τον δικτυακό τόπο των υπηρεσιών SoDa ( is.com/eng/services/index.html), χωρίς όμως αυτό να είναι δεσμετικό. Εικόνα Φόρμα προτροπής χρήστη για συλλογή δεδομένων από το δικτυακό τόπο των υπηρεσιών SoDa

54 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Στη συγκεκριμένη φόρμα υπάρχουν βοηθητικές οδηγίες προς το χρήστη, ώστε να πλοηγηθεί σωστά μέσα στον δικτυακό τόπο του SoDa για την εύκολη και αποδοτική συλλογή των απαραίτητων δεδομένων. 4.7 Εισαγωγή δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμός εξόδου της εγκατάστασης Εφόσον έχουν συλλεχθεί τα απαραίτητα δεδομένα για την περιοχή λειτουργίας της εγκατάστασης, το επόμενο βήμα είναι η εισαγωγή τους στο σύστημα. Αυτό πραγματοποιείται μέσω της παρακάτω φόρμας που προβάλλει το σύστημα στο χρήστη: Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης Στη περιοχή εισαγωγής δεδομένων ο χρήστης, μέσω των αντίστοιχων επιλογών, εισάγει τα δεδομένα που έχει συλλέξει από τον δικτυακό τόπο των υπηρεσιών SoDa (ή αλλού). Υπάρχουν 12 κουμπιά εισαγωγής, όσοι και οι μήνες του έτους. Έτσι, το σύστημα είναι ικανό να δεχθεί σαν είσοδο και άρα να παράξει έξοδο και σε μηνιαία βάση. Με την επιλογή του κουμπιού Insert κάποιου μήνα, εμφανίζεται στο χρήστη το παρακάτω παράθυρο εισαγωγής αρχείου 54

55 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 55 Εικόνα Παράθυρο εισαγωγής αρχείου ακτινοβολίας.csv Μετά την επιλογή και επιβεβαίωση της επιλογής από το χρήστη, το σύστημα ελέγχει αν το αρχείο που επέλεξε ο χρήστης αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο μήνα για τον οποίο έχει επιλεχθεί. Σε περίπτωση ταύτισης, η φόρμα στην περιοχή Status Of Data, πρασινίζει δηλώνοντας την επιτυχημένη εισαγωγή των δεδομένων. Σε περίπτωση που το αρχείο που έχει ο χρήστης δεν αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο μήνα τότε η αντίστοιχη περιοχή κοκκινίζει δηλώνοντας έτσι το σφάλμα εισαγωγής στο χρήστη. Το σύστημα μπορεί να λειτουργήσει και στην περιπτώση που ο χρήστης δεν επιχειρήσει να εισάγει δεδομένα για κάποιον μήνα (περίπτωση Not Set ). Στην περίπτωση επιτυχημένης εισαγωγής δεδομένων, εμφανίζονται στην περιοχή γεωγραφικών δεδομένων της φόρμας οι τιμές που διαβάστηκαν από το αρχείο κατά την εισαγωγή του στο σύστημα και περιέχουν πληροφορία σχετικά με την τοποθεσία της εγκατάστασης και το είδος της κλίσης των πλαισίων της. Παρακάτω φαίνεται ένα παράδειγμα σωστών και λανθασμένων εισαγωγών δεδομένων:

56 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης μετά από επιτυχημένες και αποτυχημένες εισαγωγές αρχείων ακτινοβολίας Μετά την εισαγωγή των δεδομένων ακτινοβολίας ακολουθεί η εισαγωγή των δεδομένων θερμοκρασίας. Ο χρήστης επιλέγοντας το αντίστοιχο κουμπί της φόρμας, δίνει εντολή στο σύστημα να εμφανίσει το παράθυρο εισαγωγής αρχείου.txt. Αφού ο χρήστης επιλέξει και επικυρώσει την επιλογή του, το σύστημα θα διαβάσει τις τιμές θερμοκρασίας για κάθε ημέρα του έτους όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενο κεφάλαιο και θα εμφανίσει την μέγιστη θερμοκρασία κάθε μήνα στην αντίστοιχη περιοχή κειμένου της φόρμας. Η τελευταία πληροφορία που πρέπει να εισάγει ο χρήστης στο σύστημα πριν την εκτέλεση του υπολογισμού, είναι τα ποσοστά απωλειών για τα καλώδια της εγκατάστασης καθώς και τις απώλειες του μετασχηματιστή εφόσον ο τελευταίος χρησιμοποιηθεί στην εγκατάσταση. Το σύστημα έχει εξαρχής αναγραφόμενες τις προεπιλεγμένες τιμές των απωλειών αυτών, τις οποίες μπορεί να αλλάξει ο χρήστης ανάλογα, τροποποιώντας τις αναγραφόμενες τιμές στις αντίστοιχες περιοχές κειμένου τις φόρμας. 56

57 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 57 Εικόνα Παράθυρο εισαγωγής αρχείου θερμοκρασίας.txt Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης μετά από εισαγωγές αρχείων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας Το σύστημα είναι πλέον έτοιμο να εκτελέσει τους υπολογισμούς, ώστε να προκύψει μια εκτίμηση της ετήσιας απόδοσης της συγκεκριμένης εγκατάστασης. Ο χρήστης, επιλέγοντας Calculate, δίνει εντολή στο σύστημα να εκτελέσει τους υπολογισμούς που αναφέρθηκαν

58 Γιώργος Αβραμίδης PV Project στο προηγούμενο κεφάλαιο. Τα αποτελέσματα εμφανίζονται αναλυτικά ανά string κάθε inverter στην κύρια περιοχή κειμένου της φόρμας και η συνολική ετήσια ενέργεια εξόδου της εγκατάστασης αναγράφεται με έντονη γραμματοσειρά σε ξεχωριστό εμφανές σημείο της φόρμας. Εικόνα Φόρμα εισαγωγής δεδομένων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και υπολογισμού της εξόδου της εγκατάστασης μετά από εισαγωγές αρχείων ακτινοβολίας και θερμοκρασίας με αναγραφόμενα τα αποτελέσματα των υπολογισμών Ο χρήστης μπορεί να αλλάξει αρχεία δεδομένων στην παρούσα φόρμα και να εκτελέσει και πάλι το πείραμα για την ίδια τοπολογία, αλλά με διαφορετικά δεδομένα. Επίσης, το σύστημα του δίνει την δυνατότητα να μπορεί να εισάγει μόνος του τις μέγιστες τιμές θερμοκρασίας ανά μήνα από την δεύτερη φορά που θα εκτελέσει το πείραμα. Αυτό γίνεται ώστε να μπορεί να πειραματιστεί και για ακραίες τιμές θερμοκρασίας που ενδέχεται να λάβουν χώρα ή να παρατηρήσει την διακύμανση της εξόδου μεταβάλλοντας την θερμοκρασία λειτουργίας των panels της εγκατάστασης. 4.8 Επιλογή αρχείων εξόδου της εγκατάστασης Το σύστημα έχει πλέον ολοκληρώσει τον υπολογισμό της εξόδου της εγκατάστασης. Το επόμενο και τελευταίο βήμα είναι η επιλογή από τον χρήστη των αρχείων εξόδου του πειράματος. Η αντίστοιχη φόρμα που προβάλει το σύστημα για αυτό τον σκοπό είναι η ακόλουθη: 58

59 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 59 Εικόνα Φόρμα επιλογής αρχείων εξόδου Ο χρήστης έχει να επιλέξει από το σύνολο των αντικειμένων που έχει δηλώσει εξαρχής στην τοπολογία της συγκεκριμένης εγκατάστασης. Η φόρμα μέσα από αντίστοιχο checkbox δίνει την επιλογή στο χρήστη για άμεση και εύκολη επιλογή όλων των αντικειμένων της εγκατάστασης. Αφού ο χρήστης επιλέξει τα αρχεία εξόδου, το σύστημα του δίνει τη δυνατότητα επιλογής της τοποθεσίας δημιουργίας των αρχείων αυτών. Η προεπιλεγμένη τοποθεσία είναι η C:\PV_Project, επιλέγοντας όμως ο χρήστης το αντίστοιχο radiobutton μπορεί να ορίσει αυτός μια τοποθεσία της επιλογής του.

60 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Εικόνα Φόρμα επιλογής αρχείων εξόδου με χρήση της γρήγορης επιλογής όλων των αντικειμένων της εγκατάστασης Εικόνα Παράθυρο επιλογής φακέλου για την δημιουργία των αρχείων εξόδου Εφόσον έχει ορισθεί και ο φάκελος όπου θα δημιουργηθούν τα αρχεία εξόδου, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει το αντίστοιχο κουμπί δημιουργίας των αρχείων αυτών. Το σύστημα τότε θα εμφανίσει στην οθόνη του υπολογιστή για όλα τα αντικείμενα της 60

61 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 61 εγκατάστασης τα αρχεία τύπου.gif, όπως έγινε αναφορά σε προηγούμενο κεφάλαιο, και θα τα αποθηκεύσει στη τοποθεσία που όρισε ο χρήστης. Επίσης, στην ίδια τοποθεσία θα αποθηκευτούν και τα αρχεία τύπου.txt που δημιούργησε το σύστημα για την συγκεκριμένη εγκατάσταση. Όταν ολοκληρωθεί η παρουσίαση των αρχείων τύπου.gif στην οθόνη του υπολογιστή, το σύστημα θα ενημερώσει το χρήστη για την επιτυχημένη έκβαση της διαδικασία δημιουργίας των αρχείων εξόδου, καθώς και για την τοποθεσία όπου αυτά δημιουργήθηκαν. Εικόνα Φόρμα επιλογής αρχείων εξόδου με χρήση της γρήγορης επιλογής όλων των αντικειμένων της εγκατάστασης και εμφάνιση μηνύματος επιτυχημένης ολοκλήρωσης της διαδικασίας δημιουργίας αρχείων Παρακάτω φαίνονται τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από το σύστημα για το συγκεκριμένο παράδειγμα:

62 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Εικόνα Λίστα αρχείων εξόδου εγκατάστασης αποθηκευμένα στο φάκελο επιλογής του χρήστη Παρατηρούμε ότι το σύστημα δημιουργεί: 2 αρχεία για κάθε panel (.txt και.gif) 2 αρχεία για κάθε string (.txt και.gif) Τουλάχιστον 3 αρχεία για κάθε inverter, ανάλογα με το πόσα strings έχουν συνδεθεί σε αυτόν (.txt και 2.gif) 1 αρχείο.gif με το διάγραμμα κατανομής της συλλεγόμενης ενέργειας DC όλης της εγκατάστασης Σε προηγούμενο κεφάλαιο έγινε αναφορά στο περιεχόμενο των αρχείων αυτών. Παρακάτω ακολουθεί από ένα παράδειγμα για κάθε ένα τύπο αρχείου που παράγει το σύστημα. Για panel Εικόνα Αρχείο.txt για panel 62

63 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 63 Εικόνα Αρχείο.gif για panel Για string Εικόνα Αρχείο.txt για string

64 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Εικόνα Αρχείο.gif για string Για inverter Εικόνα Αρχείο.txt για inverter 64

65 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 65 Εικόνα Αρχείο.gif 1 για inverter Εικόνα Αρχείο.gif 2 για inverter

66 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Αρχείο.gif με το διάγραμμα κατανομής της συλλεγόμενης ενέργειας DC Εικόνα Αρχείο.gif με το διάγραμμα κατανομής της συλλεγόμενης ενέργειας DC Στο τελευταίο διάγραμμα της ετήσιας κατανομής της συλλεγόμενης ενέργειας DC της εγκατάστασης, οι μηδενικές τιμές στους συγκεκριμένους μήνες δηλώνουν ότι είτε δεν έγινε προσπάθεια εισαγωγής αρχείων από το χρήστη για τους συγκεκριμένους μήνες, είτε τα αρχεία που εισήχθησαν δεν αντιστοιχούσαν στους συγκεκριμένους μήνες. Όταν ο χρήστης ολοκληρώσει την προσομοίωση, δημιουργώντας τα επιθυμητά αρχεία εξόδου, το σύστημα του δίνει την επιλογή να εκτελέσει νέο πείραμα κατά την διάρκεια της τρέχουσας συνεδρίας του προγράμματος επιλέγοντας το αντίστοιχο κουμπί της φόρμας. Αν ο χρήστης επιλέξει το συγκεκριμένο κουμπί, το σύστημα εμφανίζει την αρχική οθόνη επιλογής του τρόπου εισαγωγής της τοπολογίας για την εγκατάσταση. 4.9 Εμφάνιση αποτελεσμάτων Όταν ο χρήστης ολοκληρώσει τα πειράματα που επιθυμεί για μία συνεδρία του προγράμματος και δεν επιθυμεί να εκτελέσει άλλο πείραμα, τότε επιλέγει Next, το οποίο δίνει εντολή στο σύστημα να εμφανίσει την τελευταία φόρμα της τρέχουσας συνεδρίας. 66

67 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 67 Εικόνα Φόρμα προβολής πληροφοριών για τα πειράματα της τρέχουσας συνεδρίας Στη συγκεκριμένη φόρμα φαίνονται συνοπτικά οι πληροφορίες για την τοπολογία, αλλά και η υπολογισμένη έξοδος του συστήματος για κάθε πείραμα που εκτέλεσε ο χρήστης στην τρέχουσα συνεδρία του προγράμματος. Έτσι, υπάρχει πληροφορία σχετικά με το όνομα του project του πειράματος, τον αριθμό των panels, τον αριθμό των strings και τον αριθμό των inverters. Επίσης, υπάρχει η πληροφορία για τον αριθμό των panels που αντιστοιχούν ανά string και ο μέσος όρος του ευρωπαϊκού βαθμού απόδοσης η euro των inverters που χρησιμοποιήθηκαν. Τέλος, υπάρχει η πληροφορία για τον υπολογισμό της ενέργειας εξόδου της συγκεκριμένης εγκατάστασης. Μόλις ο χρήστης επιλέξει το κουμπί της φόρμας για την προβολή των πειραμάτων της συνεδρίας, τότε στην περιοχή κειμένου της φόρμας θα εμφανιστούν οι πληροφορίες που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Εικόνα Φόρμα προβολής πληροφοριών για τα πειράματα της τρέχουσας συνεδρίας με αναγραφόμενες τις πληροφορίες των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν Μετά την αναγραφή των πληροφοριών των πειραμάτων, το σύστημα ενημερώνει το χρήστη για τη δημιουργία του αρχείου Last_Session_Experiments.txt το οποίο δημιουργείται στη τοποθεσία C:\PV_Project και περιέχει τις ίδιες πληροφορίες με αυτές που εμφανίστηκαν στη φόρμα, δηλαδή τις πληροφορίες για τα πειράματα της τελευταίας συνεδρίας του προγράμματος. Έτσι, ακόμα και αν ο χρήστης κλείσει το πρόγραμμα μετά την εκτέλεση των πειραμάτων, τα αποτελέσματα δεν θα χαθούν, τουλάχιστον μέχρι την επόμενη φορά που θα εκκινήσει το πρόγραμμα ο χρήστης.

68 Γιώργος Αβραμίδης PV Project ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ανάπτυξη του PV Project 5.1 Τεχνολογίες Ανάπτυξης C++ / Visual Studio 2008 Η εφαρμογή PV Project αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας τη γλώσσα προγραμματισμού C++. Το γραφικό περιβάλλον της εφαρμογής σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το Visual Studio 2008, εφαρμόζοντας τις αντίστοιχες γραφικές βιβλιοθήκες για C DISLIN Τα απαραίτητα διαγράμματα που παράγει ως έξοδο η εφαρμογή, δημιουργούνται χρησιμοποιώντας τις έτοιμες βιβλιοθήκες σχεδίασης του πακέτου απεικόνισης δεδομένων DISLIN ( Οι βιβλιοθήκες που χρησιμοποιήθηκαν βρίσκονται στο αρχείο dl_95_cs.zip το οποίο μπορεί κανείς να κατεβάσει από τον δικτυακό χώρο του DISLIN. Το συγκεκριμένο αρχείο περιέχει τις απαραίτητες βιβλιοθήκες για την απεικόνιση δεδομένων σε διαγράμματα, για χρήση σε γραφικό περιβάλλον C++. Υπάρχει δυναμική εξάρτηση της εφαρμογής με τις βιβλιοθήκες DISLIN, για τον λόγο αυτό είναι απαραίτητο το αρχείο δυναμικής σύνδεσης βιβλιοθήκης DISNET.DLL να βρίσκεται στο φάκελο της εγκατάστασης της εφαρμογής. 5.2 Άλλες τεχνολογίες που χρησιμοποιήθηκαν Υπηρεσίες SoDa (Soda Web-services) Όπως αναφέρθηκε νωρίτερα, τα δεδομένα που χρειάζονται να εισαχθούν στην εφαρμογή PV Project, προέρχονται από τον δικτυακό τόπο των υπηρεσιών SoDa ( is.com/eng/services/index.html ). Από το σύνολο των υπηρεσιών που 68

69 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 69 προσφέρει ο τόπος αυτός, οι απαραίτητες για την εκτέλεση του προγράμματος υπηρεσίες είναι οι σχετικές με το κλίμα και οι σχετικές με την ηλιακή ακτινοβολία. Εικόνα 5.1. Δικτυακός χώρος υπηρεσιών SoDa Αφού ο χρήστης επιλέξει την κατηγορία υπηρεσιών που τον ενδιαφέρει (ακολουθώντας την βοήθεια του προγράμματος στην αντίστοιχη φόρμα, αλλά και αυτά που έχουν αναφερθεί σε προηγούμενο κεφάλαιο), η φόρμα του δικτυακού τόπου όπου θα ζητήσει δεδομένα ο χρήστης είναι της μορφής: Εικόνα 5.2. Φόρμα εισαγωγής στοιχείων για αναζήτηση δεδομένων ηλιακής ακτινοβολίας

70 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Εικόνα 5.3. Φόρμα εισαγωγής στοιχείων για αναζήτηση δεδομένων θερμοκρασίας Ψηφιοποίηση καμπύλων με χρήση του GetData Ένα άλλο εργαλείο που χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση κάποιων από τις διεργασίες του PV Project, είναι το πρόγραμμα GetData ( graph digitizer.com/ ). Το πρόγραμμα αυτό δέχεται γραφήματα καμπυλών και παράγει τα ζεύγη τιμών (x,y) των σημείων που παρήγαγαν τις καμπύλες αυτές. Το GetData χρησιμοποιήθηκε κατά την εισαγωγή δεδομένων των inverters, στη περίπτωση που ο κατασκευαστής δεν έχει δώσει τις τιμές της καμπύλης του βαθμού απόδοσης, παρά μόνο την καμπύλη αυτή. Έτσι ο χρήστης εισάγοντας το γράφημα της καμπύλης στο GetData μπορεί πολύ εύκολα να εξάγει τις τιμές των σημείων της καμπύλης. 70

71 Διαδραστικό σύστημα μοντελοποίησης και ανάλυσης φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 71 Εικόνα 5.4. Εξαγωγή τιμών των σημείων της καμπύλης του βαθμού απόδοσης του inverter Sunny Mini Central 8000TL της SMA με χρήστη του GetData Όπως έχει αναφερθεί τα δεδομένα αυτά χρειάζονται για τον υπολογισμό του βαθμού απόδοσης η euro των inverters της εγκατάστασης. Επίσης, το να μπορεί κανείς επεμβαίνει απευθείας στις τιμές της απόδοσης του inverter, μπορεί να τον οδηγήσει σε πειράματα με χρήσιμα συμπεράσματα για την λειτουργία της εγκατάστασης. Παρακάτω φαίνονται τα δεδομένα που έχει εξάγει το GetData από την παραπάνω καμπύλη:

72 Γιώργος Αβραμίδης PV Project Εικόνα 5.5. Δεδομένα εξόδου του προγράμματος GetData 72