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

Transcript

1 Tεχνική πληροφορία Διαχείριση σκίασης Αποδοτική 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 μια 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 στην εκάστοτε φωτοβολταϊκή εγκατάσταση με τρόπο που να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σχεδόν όλη η ενεργειακή προσφορά της. GlobalPeak-TI-el-12 Έκδοση 1.2 1/6

2 Επιπτώσεις της μερικής σκίασης στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση 1 Επιπτώσεις της μερικής σκίασης στη φωτοβολταϊκή εγκατάσταση Κάθε φωτοβολταϊκή γεννήτρια έχει ένα δικό της σημείο λειτουργίας, στο οποίο μπορεί να παράσχει τη μεγαλύτερη δυνατή ηλεκτρική ισχύ, το σημείο μέγιστης ισχύος (ΜΡΡ). 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, 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 2/6

3 Σκίαση: μία ιδιαίτερη αποστολή για τον μετατροπέα 2 Σκίαση: μία ιδιαίτερη αποστολή για τον μετατροπέα Όλοι οι μετατροπείς διαθέτουν έναν επονομαζόμενο ιχνηλάτη σημείου μέγιστης ισχύος (MPP-Tracker). Ο ιχνηλάτης αυτός φροντίζει, ώστε η φωτοβολταϊκή γεννήτρια να λειτουργεί πάντοτε στο ιδανικό 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 την αποστολή 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 μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας, ο συνδεδεμένος μετατροπέας πρέπει να αποφασίσει σε ποιο από τα δύο αυτά σημεία λειτουργίας πρέπει να λειτουργήσει η φωτοβολταϊκή γεννήτρια, δηλαδή 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 με αποτέλεσμα να μην ανιχνεύουν κάποιο εναλλακτικό σημείο λειτουργίας. Επομένως, η τρέχουσα ισχύς της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης που διαμορφώνεται εξαιτίας 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 μιας δευτερεύουσας γεννήτριας μιας 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 ιδανικό σημείο λειτουργίας ακόμα και σε μερικώς σκιασμένες φωτοβολταϊκές εγκαταστάσεις, ο αξιόπιστος ιχνηλάτης σημείου μέγιστης ισχύος των μετατροπέων της SMA έχει εξοπλιστεί με μια πρόσθετη λειτουργία. Το OptiTrac Global Peak έχει τη δυνατότητα να λειτουργεί κατά διαστήματα τη φωτοβολταϊκή γεννήτρια σε μεγάλη απόσταση από το γνωστό σημείο λειτουργίας. SMA Solar Technology AG 3/6

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 εξ ολοκλήρου κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες [1]. Με τη διαδικασία αυτή οι είναι αναπόφευκτες απώλειες κατά τη διάρκεια της αναζήτησης. 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 ακόμη περισσότερο οι απώλειες λόγω αναζήτησης, ενδέχεται, σε μεμονωμένες περιπτώσεις φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων που βρίσκονται σπανίως υπό σκιά, να είναι σκόπιμη η προσαρμογή και η μείωση της συχνότητας της αναζήτησης (χρόνος κύκλου). 3 Σχεδιασμός μερικώς σκιασμένων φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων Για να μην κινδυνεύσει η οικονομική αποδοτικότητα των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων που καλύπτονται κατά διαστήματα από σκιά, οι απώλειες απόδοσης εξαιτίας της σκίασης πρέπει να ελαχιστοποιούνται ήδη από τη φάση του σχεδιασμού. Παρακάτω παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι κανόνες σχεδιασμού ως βοήθεια για τον σχεδιαστή της εγκατάστασης. 3.1 Επιλογή της επιφάνειας της στέγης Η ελαχιστοποίηση των ενεργειακών απωλειών στις μονάδες στοιχειοσειρών με μερική σκίαση βασίζεται πάντοτε στην ικανότητα του μετατροπέα, να παρακάμπτει ηλεκτρικά τις σκιασμένες ηλιακές κυψέλες, αξιοποιοώντας έτσι ιδανικά τις μη σκιασμένες φωτοβολταϊκές μονάδες που είναι συνδεδεμένες σε σειρά με αυτές. Σε αυτό το διάστημα δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ούτως ή άλλως μειωμένη ισχύς των σκιασμένων ηλιακών κυψελών διάστημα. Κατά την επιλογή της επιφάνειας της στέγης για μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση θα πρέπει επομένως να διασφαλίζεται πως δεν θα υπάρχει συνεχής σκίαση, ενώ ειδικά για τις περιόδους υψηλής πρόσπτωσης ηλιακής ακτινοβολίας (μεσημέρια, θερινούς μήνες) δεν θα πέφτει καθόλου σκιά στις φωτοβολταϊκές γεννήτριες. Για την εκτίμηση των χαρακτηριστικών των εκάστοτε σκιών, όπως είναι το μέγεθός τους και οι αλλαγές που υφίστανται κατά τη διάρκεια ενός έτους, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ειδικά προγράμματα προσομοίωσης. SMA Solar Technology AG 4/6

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 και δημοσίευσε τους κανόνες "Διαχείρισης σκίασης" [2]. Η ανάλυση της προηγείται πάντα του σχεδιασμού μίας εγκατάστασης. Το ποσοστό των σκιασμένων φωτοβολταϊκών μονάδων σε σχέση με ολόκληρη τη γεννήτρια και την περιοδική πορεία της σκιάς είναι σημαντικά χαρακτηριστικά μιας φωτοβολταϊκής εγκατάστασης με μερική σκίαση. Οι παρακάτω προτεινόμενες ενέργειες 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 απαραίτητος ο ειδικός έλεγχος λειτουργίας (OptiTrac Global Peak). Σε περίπτωση έντονης σκίασης είναι σκόπιμη η ξεχωριστή λειτουργία σκιασμένων και 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 τη μεγιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης είναι απαραίτητο το OptiTrac Global Peak. Ωστόσο, ακόμα και στην προαναφερόμενη ελάχιστη σκίαση, η συγκέντρωση των σκιασμένων φωτοβολταϊκών μονάδων σε έναν ξεχωριστό ιχνηλάτη σημείου μέγιστης ισχύος αποτελεί μια εναλλακτική λύση στην ισομερή κατανομή της σκιάς σε όλες τις στοιχειοσειρές. Και σε αυτόν τον σχεδιασμό της εγκατάστασης το OptiTrack Global Peak είναι απαραίτητο για την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών απωλειών. SMA Solar Technology AG 5/6

6 OptiTrac Global Peak 3.3 Επιλογή μετατροπέων Όπως περιργράφεται "Διαχείριση σκίασης" [2], 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 ιδανικό σημείο λειτουργίας ακόμη και σε περιπτώσεις σκίασης και της επακόλουθης μείωσης της τάσης του σημείου μέγιστης ισχύος. Με μετατροπείς με ρύθμιση μονής στοιχειοσειράς είναι δυνατή η λειτουργία μιας μερικώς σκιασμένης φωτοβολταϊκής γεννήτριας κοντά στο ιδανικό σημείο και η αποφυγή μεγάλου μέρους 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). 4 OptiTrac Global Peak Το SMA OptiTrac Global Peak είναι μια μετεξέλιξη του SMA OptiTrac και εξασφαλίζει ότι το σημείο λειτουργίας του μετατροπέα ακολουθεί ανά πάσα στιγμή το σημείο μέγιστης ισχύος ΜΡΡ με απόλυτη ακρίβεια. Με το σύστημα SMA OptiTrac Global Peak, ο μετατροπέας αναγνωρίζει επιπλέον την παρουσία πολλών μέγιστων τιμών ισχύος στο διαθέσιμο εύρος λειτουργίας, όπως αυτές που μπορούν να προκύψουν ιδίως σε εν μέρει σκιασμένες Φ/Β στοιχειοσειρές. Η λειτουργία είναι απενεργοποιημένη στη βασική ρύθμιση. Πληροφορίες για την ενεργοποίηση και τη ρύθμιση του OpriTrac Global Peak θα βρείτε στις οδηγίες εγκατάστασης του εκάστοτε μετατροπέα. 5 Πηγές [1] J.Iken "Leistungsgipfel mit Geheimnissen", Sonne Wind & Wärme, , S 160 [2] G. Bettenwort, J. Laschinski: "Schattenmanagement - Der richtige Umgang mit teilverschatteten PV-Generatoren"; 23 Symposium Photovoltaische Solarenergie, 2008, Bad Staffelstein SMA Solar Technology AG 6/6