Διαχείριση σκίασης. Αποδοτικότερη λειτουργία μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων με OptiTrac Global Peak

Transcript

1 Διαχείριση σκίασης Αποδοτικότερη λειτουργία μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων με OptiTrac Global Peak Περιεχόμενα Πολλές φορές η σκιά από τα παράθυρα της στέγης, από τις καμινάδες ή από τα δέντρα ενδέχεται να καλύψει τη φωτοβολταϊκή μας εγκατάσταση χωρίς να μπορούμε να κάνουμε κάτι για να το αποφύγουμε. Ωστόσο, για να μην κινδυνεύσει η οικονομική αποδοτικότητα της φωτοβολταϊκή εγκατάστασης, πρέπει οι απώλειες απόδοσης λόγω σκίασης να ελαχιστοποιηθούν ήδη από τη φάση του σχεδιασμού. Για αυτόν ακριβώς το λόγο σημαντικό ρόλο παίζουν οι παράγοντες που επηρεάζουν μία εγκατάσταση, όπως είναι η διάταξη και η διασύνδεση των φωτοβολταϊκών μονάδων και κυρίως η επιλογή του σωστού μετατροπέα. Μέσω της τήρησης κάποιων σημαντικών κανόνων σχεδιασμού, οι παράγοντες αυτοί μπορούν να προσαρμοστούν σε κάθε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση με τρόπο που να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σχεδόν όλη η ενεργειακή προσφορά της. GlobalPeak-UGR Έκδοση 1.0 1/7

2 Επιπτώσεις της μερικής σκίασης πάνω στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση 1 Επιπτώσεις της μερικής σκίασης πάνω στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση Κάθε φωτοβολταϊκή γεννήτρια έχει ένα ξεχωριστό σημείο λειτουργίας, στο οποίο μπορεί να δώσει τη μεγαλύτερη δυνατή ηλεκτρική ισχύ, το σημείο μέγιστης ισχύος. Το πόσο μεγάλη θα είναι η ισχύς αυτή, εξαρτάται πρωτίστως από το ύψος της πρόσπτωσης της ηλιακής ακτινοβολίας. Σε περίπτωση σκίασης μεμονωμένων φωτοβολταϊκών μονάδων μίας στοιχειοσειράς του εσωτερικού της φωτοβολταϊκής γεννήτριας, τότε αλλάζουν παρά πολύ τα ηλεκτρονικά χαρακτηριστικά της γεννήτριας που πλέον διαθέτει περισσότερα του ενός και διαφορετικά μεταξύ τους "καλά" σημεία λειτουργίας. Εικ. 1: Διάγραμμα ισχύος-τάσης της απεικονιζόμενης φωτοβολταϊκής γεννήτριας σε 2 διαφορετικές ώρες της ημέρας (με και χωρίς μερική σκίαση) Οι καμπύλες δείχνουν, ότι υπό σκιά υπάρχουν 2 διαφορετικά "καλά" σημεία μέγιστης ισχύος, όπου η ισχύς στο τοπικό σημείο μέγιστης ισχύος είναι εμφανώς μικρότερη από το παγκόσμιο σημείο μέγιστης ισχύος. SMA Solar Technology AG 2/7

3 Σκίαση: μία ιδιαίτερη δουλειά για τους μετατροπείς 2 Σκίαση: μία ιδιαίτερη δουλειά για τους μετατροπείς Όλοι οι μετατροπείς διαθέτουν έναν επονομαζόμενο ιχνηλάτη σημείου μέγιστης ισχύος (MPP-Tracker). Ο ιχνηλάτης αυτός φροντίζει, ώστε η φωτοβολταϊκή γεννήτρια να λειτουργεί πάντοτε στο καλύτερο σημείο λειτουργίας της. Με αυτόν τον τρόπο, η φωτοβολταϊκή γεννήτρια μπορεί να χρησιμοποιήσει όσο το δυνατόν καλύτερα τη διαθέσιμη ισχύ σε συγκεκριμένη πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας. Στους μετατροπείς SMA, τη δουλειά αυτή την αναλαμβάνει το σύστημα ελέγχου λειτουργίας OptiTrac διασφαλίζοντας έτσι τη μέγιστη ενεργειακή απόδοση. Ωστόσο, σε περιπτώσεις που, όπως περιγράφηκε παραπάνω, υπάρχουν 2 διαφορετικά σημεία λειτουργίας εξαιτίας της σκίασης μεμονωμένων φωτοβολταϊκών μονάδων μίας φωτοβολταϊκής γεννήτριας, ο συνδεδεμένος μετατροπέας πρέπει να αποφασίσει σε ποιο από τα δύο αυτά σημεία λειτουργίας πρέπει να λειτουργήσει η φωτοβολταϊκή γεννήτρια, δηλαδή αν θα λειτουργήσει στο τοπικό σημείο μέγιστης ισχύος (LMPP) ή στο παγκόσμιο σημείο μέγιστης ισχύος (GMPP). Οι συμβατικοί ιχνηλάτες σημείου μέγιστης ισχύος παρατηρούν απλά την περιοχή κοντά στο τρέχον σημείο λειτουργίας, ώστε να μην χάνουν άσκοπα ενέργεια σε αναζητήσεις. Έτσι, όμως, δεν ανιχνεύουν κάποιο εναλλακτικό σημείο λειτουργίας. Επομένως, η τρέχουσα ισχύς της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης που διαμορφώνεται βάση της σκίασης ενδέχεται να είναι εμφανώς μικρότερη από ό,τι θα μπορούσε να είναι. Εικ. 2: Πορεία του παγκόσμιου και του τοπικού σημείου μέγιστης ισχύος μίας δευτερεύουσας γεννήτριας μίας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης με πρωινή σκίαση. Η γκρι επιφάνεια δείχνει την απώλεια απόδοσης, η οποία προκλήθηκε από τη χρησιμοποίηση του τοπικού αντί του παγκόσμιου σημείου μέγιστης ισχύος. Το OptiTrac Global Peak λειτουργεί τελείως διαφορετικά: προκειμένου να βρίσκει πάντοτε το καλύτερο σημείο λειτουργίας ακόμα και σε μερικώς σκιασμένες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, ο αξιόπιστος ιχνηλάτης σημείου μέγιστης ισχύος των μετατροπέων της SMA έχει εξοπλιστεί με μία πρόσθετη λειτουργία. Το OptiTrac Global Peak έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί σε κάποιες περιπτώσεις τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια σε μεγάλη απόσταση από το γνωστό σημείο λειτουργίας. SMA Solar Technology AG 3/7

4 Σχεδιασμός μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Έτσι, ο μετατροπέας βρίσκει πάντοτε το σημείο λειτουργίας με την τρέχουσα μεγαλύτερη ισχύ και με αυτόν τον τρόπο η ενεργειακή προσφορά των φωτοβολταϊκών μονάδων μπορεί να χρησιμοποιηθεί σχεδόν καθ' ολοκληρία κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες [1]. Με την ενέργεια αυτή, οι απώλειες κατά τη διάρκεια της διαδικασίας της αναζήτησης είναι αναπόφευκτες. Ωστόσο, το OptiTrac Global Peak είναι μία διαδικασία αναζήτησης που ειδικεύεται ακριβώς σε αυτό, δηλαδή στη διατήρηση των απωλειών από την αναζήτηση μίας πιθανής δεύτερης μέγιστης ισχύος σε ώρες χωρίς σκιά το πολύ στο 0,2 %. Για να μειωθούν ακόμα περισσότερο οι απώλειες λόγω αναζήτησης, ενδέχεται να είναι χρήσιμο σε μεμονωμένες περιπτώσεις φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων που βρίσκονται σπανίως υπό σκιά να προσαρμοστεί η συχνότητα της διαδικασίας αναζήτησης (χρόνος κύκλου) ανάλογα με την περίπτωση και να μειωθεί [2]. 3 Σχεδιασμός μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Για να μην κινδυνεύσει η οικονομική αποδοτικότητα των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων που καλύπτονται κάποιες φορές από σκιά, οι απώλειες απόδοσης εξαιτίας της σκίασης πρέπει να ελαχιστοποιηθούν ήδη από τη φάση του σχεδιασμού. Παρακάτω παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι κανόνες σχεδιασμού ως βοήθεια στον σχεδιαστή της εγκατάστασης. 3.1 Επιλογή της επιφάνειας της στέγης Η ελαχιστοποίηση των ενεργειακών απωλειών κατά την μερική σκίαση μονάδων στοιχειοσειρών βασίζεται πάντοτε στην τοποθέτηση του μετατροπέα σε τέτοιο σημείο, από όπου να χειρίζεται ηλεκτρικά τις σκιασμένες ηλιακές κυψέλες. Έτσι, μπορεί και αξιοποιεί τις φωτοβολταϊκές μονάδες που βρίσκονται στην ίδια στοιχειοσειρά αλλά που δεν καλύπτονται από σκιά. Σε αυτό το χρόνο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ούτως ή άλλως μειωμένη ισχύς των ηλιακών κυψελών που βρίσκονται σε σκιά. Επομένως, κατά την επιλογή της επιφάνειας της σκεπής για την εγκατάσταση των φωτοβολταϊκών πρέπει να διασφαλιστεί πως δεν θα υπάρχει συνεχής σκίαση, ενώ ειδικά για τις περιόδους υψηλής πρόσπτωσης ηλιακής ακτινοβολίας (μεσημέρια, θερινούς μήνες) πρέπει να διασφαλιστεί όσο το δυνατόν περισσότερο πως δε θα πέφτει καθόλου σκιά πάνω στη φωτοβολταϊκή γεννήτρια. Για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών των εκάστοτε σκιών, όπως είναι το μεγέθους τους και οι αλλαγές που υφίστανται κατά τη διάρκεια ενός έτους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ειδικά προγράμματα προσομοίωσης. SMA Solar Technology AG 4/7

5 Σχεδιασμός μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων 3.2 Επιλογή της διασύνδεσης των εγκαταστάσεων Η διασύνδεση των φωτοβολταϊκών γεννητριών επηρεάζει σημαντικά την εφικτή ενεργειακή απόδοση. Για το λόγο αυτό η SMA Solar Technology AG επεξεργάστηκε λεπτομερώς και δημοσίευσε τους κανόνες "Διαχείρισης σκίασης" [3]. Η ανάλυση της διαδικασίας σκίασης τοποθετείται πάντα στην αρχή του σχεδιασμού μίας εγκατάστασης. Ο αριθμός των φωτοβολταϊκών μονάδων υπό σκιά σε σχέση με ολόκληρη τη γεννήτρια και τη χρονική διαδικασία σκίασης είναι χαρακτηριστικά μίας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης με μερική σκίαση. Οι παρακάτω συστάσεις χειρισμού είναι σημαντικές για τη διαχείριση μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών μονάδων: Σε περίπτωση σκίασης μεμονωμένων φωτοβολταϊκών μονάδων ή/και ενός πολύ μικρού μέρους αυτών (π.χ. < 10 % του συνολικού αριθμού), οι σκιές μπορούν να διαμοιραστούν ισομερώς στις στοιχειοσειρές. Επειδή, σε αυτές τις περιπτώσεις η τάση σημείου μέγιστης ισχύος βρίσκεται πάντα σε περιοχή κοντά στην ονομαστική τάση σημείου μέγιστης ισχύος, δεν είναι απαραίτητο να διεξαχθεί ειδικός έλεγχος λειτουργίας (OptiTrac Global Peak). Σε περίπτωση έντονης σκίασης είναι χρήσιμο να διαχωριστεί η λειτουργία των σκιασμένων από των μη σκιασμένων φωτοβολταϊκών μονάδων. Σε αυτήν την περίπτωση ισχύει: Ένωση τμημάτων της γεννήτριας με παρόμοια πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας. Πρόβλεψη ξεχωριστού ιχνηλάτη σημείου μέγιστης ισχύος για κάθε στοιχειοσειρά και όχι παράλληλη σύνδεση στοιχειοσειρών με διαφορετική πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας. Για το σκοπό αυτό μπορούν να χρησιμοποιηθούν πολλοί μικροί μετατροπείς ή μετατροπείς με τεχνολογία πολλαπλών στοιχειοσειρών. Για την μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης είναι απαραίτητο το OptiTrac Global Peak. Ωστόσο, ακόμα και στην ανωτέρω περιγραφείσα ασήμαντη σκίαση, η συγκέντρωση των σκιασμένων φωτοβολταϊκών μονάδων σε έναν ξεχωριστό ιχνηλάτη σημείου μέγιστης ισχύος παρουσιάζει μια εναλλακτική λύση στον ισομερή διαμοιρασμό των σκιών σε όλες τις στοιχειοσειρές. Το OptiTrac Global Peak καταφέρνει και σε αυτόν τον σχεδιασμό εγκατάστασης να ελαχιστοποιήσει με επιτυχία τις ενεργειακές απώλειες. SMA Solar Technology AG 5/7

6 OptiTrac Global Peak 3.3 Επιλογή του μετατροπέα Όπως περιγράφηκε στη "Διαχείριση σκίασης" [3], η επιλογή του μετατροπέα επηρεάζει και τις ενεργειακές απώλειες λόγω σκίασης. Κατά την επιλογή του μετατροπέα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη 3 σημεία: Μετατροπείς με μεγάλη περιοχή τάσης εισόδου μπορούν να ρυθμίζουν το καλύτερο σημείο εργασίας ακόμα και σε περιπτώσεις σκίασης και πτώσης της τάσης του σημείου μέγιστης ισχύος που αυτή συνεπάγεται. Μετατροπείς με ρύθμιση μονής στοιχειοσειράς επιτρέπουν σε φωτοβολταϊκές γεννήτριες που βρίσκονται μερικώς σε σκιά να λειτουργήσουν κοντά στο καλύτερο σημείο λειτουργίας τους και έτσι να αποφύγουν μεγάλο μέρος των πιθανών απωλειών. Προκειμένου να διατηρηθούν χαμηλά οι ενεργειακές απώλειες λόγω σκίασης, οι μερικώς σκιασμένες στοιχειοσειρές πρέπει να συνδέονται με μετατροπείς των οποίων το σύστημα ιχνηλασίας σημείου μέγιστης ισχύος αναγνωρίζει την ύπαρξη περισσότερων σημείων λειτουργίας (π.χ. OptiTrac Global Peak). Οι μετατροπείς τεχνολογίας πολλαπλών στοιχειοσειρών της εταιρείας SMA Solar Technology AG Sunny Boy 4000TL και 5000TL είναι ιδανικοί για την υψηλής απόδοσης λειτουργία μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων χάρη στην ευρεία περιοχή τάσης εισόδου που διαθέτουν όπως και χάρη στο νέο σύστημα ελέγχου λειτουργίας τους OptiTrac Global Peak. 4 OptiTrac Global Peak Οι μετατροπείς της εταιρείας SMA Sunny Boy 3000TL, 4000TL και 5000TL από την έκδοση υλικολογισμικού 3.01 και μετά (από τον Απρίλιο του 2010) διαθέτουν ως βασικό εξοπλισμό το OptiTrac Global Peak. Μετατροπείς της ίδιας οικογένειας συσκευών που έχουν εγκατασταθεί ήδη μπορούν να αναβαθμιστούν μέσω της ενημέρωσης του υλικολογισμικού. Η ενημέρωση υλικολογισμικού διατίθεται δωρεάν στο τμήμα λήψης αρχείων της ιστοσελίδας Το OptiTrac Global Peak είναι μία πρόσθετη λειτουργία του αξιόπιστου συστήματος ιχνηλασίας σημείου μέγιστης ισχύος OptiTrac και απενεργοποιείται κανονικά. Για την υποστήριξη του τεχνικού εγκατάστασης στην ενεργοποίηση και ρύθμιση του OptiTrac Global Peak, διατίθεται στην περιοχή λήψης αρχείων της ιστοσελίδας η τεχνική περιγραφή "OptiTrac Global Peak" στην κατηγορία "τεχνική περιγραφή" του κάθε μετατροπέα. SMA Solar Technology AG 6/7

7 Πηγές 5 Πηγές [1] J.Iken "Leistungsgipfel mit Geheimnissen", Sonne Wind & Wärme, , S 160 [2] SMA Solar Technology AG "SUNNY BOY 3000TL / 4000TL / 5000TL - Παράμετροι και τιμές μέτρησης", [3] G. Bettenwort, J. Laschinski: "Schattenmanagement - Der richtige Umgang mit teilverschatteten PV-Generatoren"; 23 Symposium Photovoltaische Solarenergie, 2008, Bad Staffelstein [4] SMA Solar Technology AG Τεχνική περιγραφή "OptiTrac Global Peak - SUNNY BOY 3000TL / 4000TL / 5000TL", SMA Solar Technology AG 7/7