ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική Εργασία του Φοιτητή του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Ηλεκτρονικών Υπολογιστών, της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών: ΡΟΔΟΠΟΥΛΟΥ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ Αριθμός Μητρώου: 6625 Θέμα: Μελέτη Φωτοβολταϊκής Εγκατάστασης Ισχύος 100 kw Επιβλέπων: ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΙΔΗΣ Καθηγητής Αριθμός διπλωματικής εργασίας: Πάτρα: Ιούλιος 2012

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: Μελέτη Φωτοβολταϊκής Εγκατάστασης Ισχύος 100 kw της φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΡΟΔΟΠΟΥΛΟΥ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ Α.Μ.: 6625 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάσθηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις / / Ο επιβλέπων: Ο Διευθυντής του Τομέα: Αντώνιος Αλεξανδρίδης Επίκουρη Καθηγήτρια Αντώνιος Αλεξανδρίδης Καθηγητής

3 Περίληψη Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια πρακτικής εργασίας σε εταιρία εγκατάστασης αυτόνομων και διασυνδεμένων φωτοβολταϊκών και αιολικών συστημάτων παραγωγής ισχύος την περίοδο Ιούλιος-Οκτώβριος Αποτελεί μία πραγματική τεχνική μελέτη ενός φωτοβολταϊκού σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας διασυνδεμένου στο δίκτυο, ισχύος 100 kwp. Η εγκατάσταση του συγκεκριμένου σταθμού και πραγματοποιήθηκε από την εταιρία σε χωράφι στην περιοχή της Ανδραβίδας. Οι τιμές, ο εξοπλισμός, το τοπογραφικό διάγραμμα και οι φωτογραφίες που περιέχονται στην μελέτη αποτελούν πραγματικά στοιχεία και το τελικό αποτέλεσμα της εγκατάστασης είναι αυτό που παραδόθηκε στον πελάτη. Επίσης οι φωτογραφίες, οι μετρήσεις και οι καμπύλες στο τέλος της εργασίας αποτελούν πραγματικά στοιχεία που πάρθηκαν από την εγκατάσταση με σκοπό τον έλεγχο της σωστής λειτουργίας της. Στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μία σύντομη αναφορά στην ηλιακή ενέργεια, στα πλεονεκτήματα της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας και στους λόγους για τους οποίους η χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων καθιερώνεται ολοένα και περισσότερο στην παραγωγής ενέργειας. Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται το φωτοβολταϊκό φαινόμενο και τα βασικά στοιχεία για ένα ηλιακό κύτταρο όπως είναι το ισοδύναμο κύκλωμά του, η χαρακτηριστική του καμπύλη Ι-V, τα ηλεκτρικά του μεγέθη και το αποτέλεσμα σύνδεσης πολλών κυττάρων. Στο Κεφάλαιο 3 περιγράφεται το φαινόμενο hot spot, οι επιπτώσεις που αυτό μπορεί να έχει σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο και πώς αυτό αντιμετωπίζεται. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται η δομή και η λειτουργία που έχει κάθε φωτοβολταϊκός μετατροπέας και παρουσιάζονται οι πιο κοινές τοπολογίες μετατροπέων χωρίς μετασχηματιστή που χρησιμοποιούνται στα φωτοβολταϊκά συστήματα.

4 Στο Κεφάλαιο 5 περιγράφεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης σε ένα διασυνδεμένο φωτοβολταϊκό σύστημα, εξηγείται για ποιους λόγους είναι ανεπιθύμητο και παρουσιάζονται οι τρόποι ανίχνευσης και αποτροπής του. Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται πλήρως όλη η διαδικασία της μελέτης της εγκατάστασης. Γίνεται μελέτη σκίασης, διαστασιολόγηση των φωτοβολταϊκών συστοιχιών και επιλογή του κατάλληλου εξοπλισμού για κάθε τμήμα της εγκατάστασης. Στο Κεφάλαιο 7 γίνεται η μελέτη για την κατασκευή της αντικεραυνικής προστασίας της εγκατάστασης. Με βάση τις αντίστοιχες παραμέτρους, επιλέγεται ο τρόπος που θα κατασκευαστεί το σύστημα προστασίας από τυχόν κεραυνικά πλήγματα. Τέλος στο Παράρτημα φαίνονται πραγματικές φωτογραφίες που έχουν τραβηχτεί με θερμοκάμερα και κάποιες ενδεικτικές μετρήσεις που έγιναν ώστε να ελεγχθεί ότι το σύστημα λειτουργεί σωστά με τη μέγιστη απόδοση.

5 Abstarct The present state was made as part of practical exercise at a company that installs autonomous and grid connected photovoltaic and wind power generating systems in the period of July-October It is a real technical study of a photovoltaic generating power station connected to the grid, with nominal power 100 kwp. The installation of this station was made from the company at field in the area of Andravida. The values, the equipment, the topographic diagram and the photos that this project contains are real elements and the final result of the installation is what was given to the client. Moreover all the photos, the measurements and curves at the end of the project are also real and were taken from the station in order to verify that everything works correctly. In Chapter 1 is made a short reference to solar energy, to the advantages of photovoltaic technology and to the reasons that the use of photovoltaic systems is being more and more introduced in power generation. In Chapter 2 are presented the photovoltaic phenomenon and the basic elements of a solar cell such as its equivalent circuit, its characteristic I-V curve, its electric quantities and the result of many cells connection. In Chapter 3 is described the phenomenon of hot spot, the possible impact that it can have on a photovoltaic module and how it can be faced. In Chapter 4 is described the structure and function that every photovoltaic inverter has and are presented the most common transformerless topologies of the inverters that are used in photovoltaic systems. In Chapter 5 is explained what an islanding condition is at a grid connected photovoltaic system and why it is unwanted and are presented the methods of detection and prevention of such a condition.

6 In Chapter 6 is described the complete procedure of the study of the system installation. Study for shade and photovoltaic arrays dimensioning are made and the appropriate equipment is chosen for every part of the system. In Chapter 7 is made the study for the construction of the installation s lighting protection system. According to the corresponding parameters, is chosen the way that the protection system from any lighting blow will be constructed. Finally in Appendix are shown real photos that have been taken with thermal camera and some indicative measurements that were made to verify that the system works correctly with maximum efficiency.

7 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1..1 Εισαγωγή Κεφάλαιο 2..3 Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Ισοδύναμο Κύκλωμα I-V Χαρακτηριστική Βαθμός Απόδοσης ηλιακού κυττάρου Συστοιχίες κυττάρων Κεφάλαιο Φαινόμενο Hot Spot Εξήγηση του φαινομένου Προσδιορισμός των κυττάρων με την υψηλότερη και τη χαμηλότερη R SH Καθορισμός της χειρότερης περίπτωσης hot spot των κυττάρων που επιλέχθηκαν λόγω συνθηκών σκίασης Δίοδοι παράκαμψης Παρατήρηση της θερμοκρασίας των Φ/Β πλαισίων μίας εγκατάστασης με χρήση θερμοκάμερας... 47

8 Κεφάλαιο Inverters Εισαγωγή Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός μετατροπέα Πλευρά εισόδου του μετατροπέα (Input Side) Κατάσταση λειτουργίας Ελάχιστη κα μέγιστη MPP τάση Μέγιστη τάση λειτουργίας Κατώφλι ισχύος (Power threshold) Μέγιστο φωτοβολταϊκό ρεύμα (I PVmax ) Πλευρά εξόδου του μετατροπέα (Output Side) Ονομαστική ισχύς Ονομαστική AC τάση Ονομαστικό AC ρεύμα Μονοφασική ή τριφασική σύνδεση Απόδοση του μετατροπέα Συνδεσμολογίες Inverter-Πάνελ Δομές Φ/Β αντιστροφέων Τοπολογίες Φ/Β αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή Inverters που προέρχονται από την τοπολογία πλήρους γεφύρας (Full Bridge) Αντιστροφέας H Αντιστροφέας HERIC Αντιστροφέας REFU Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας με DC παράκαμψη (Full Bridge DC ByPass-FB-DCBP)

9 Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας με επαναφορά της μηδενικής τάσης (Full Bridge-Zero Voltage Rectifier) Inverters που προέρχονται από την τοπολογία NPC NPC Inverter Μισής Γέφυρας (NPC Half-Bridge Inverter) Αντιστροφέας NPC της Conergy..80 Κεφάλαιο 5 83 Νησιδοποίηση Εισαγωγή Εξήγηση του φαινόμενο της νησιδοποίησης Για ποιους λόγους η νησιδοποίηση είναι ανεπιθύμητη Ζώνη μη ανίχνευσης (Non Detection Zone-NDZ) Μέθοδοι ανίχνευσης και διακοπής της νησιδοποίησης Επισκόπηση των μεθόδων Επισκόπηση παθητικών μεθόδων Επισκόπηση ενεργών μεθόδων Παρουσίαση των παθητικών μεθόδων Ανίχνευση OUV-OUF Ανίχνευση Άλματος Φάσης (Phase Jump Detection) Ανίχνευση Αρμονικών Τάσης Παρουσίαση των Ενεργών Μεθόδων Μέθοδοι Ολίσθησης Συχνότητας Ενεργός Ολίσθηση Συχνότητας (Active Drift Frequency) Slip-mode Frequency Shift-SMS..105

10 Sandia Frequency Drift Ενεργός ολίσθηση της συχνότητας με παλμικό συντελεστή διάτμησης (Active Frequency Drift with Pulsating Chopping Factor-AFDPCF) Μεταβολή συχνότητας GE (GE Frequency Shift- GEFS) Μεταβολή αέργου ισχύος (Reactive power variation, RPV) Μέθοδος Ολίσθησης Τάσης Μεταβολή Τάσης με Θετική Ανάδραση (Sandia Voltage ShiftSVS) Μέθοδοι Εκτίμησης της Εμπέδησης του Δικτύου Έγχυση αρμονικών (Harmonic Injection-HI) Εκτίμηση της εμπέδησης του δικτύου με ενεργή μεταβολή της άεργου ισχύος (Grid Impedance Estimation by Active Reactive Power Variation-GIE-ARPV) Ανίχνευση νησιδοποίησης βασιζόμενη σε χρήση PLL Κεφάλαιο Μελέτη της Εγκατάστασης Εισαγωγή Επισκόπηση χώρου-μελέτη σκίασης Υπολογισμός Φ/Β μονάδας-διαστασιολόγηση Inverter Φ/Β συστοιχίες. 128

11 6.4 Υπολογισμός καλωδιώσεων DC Καλώδια AC Καλώδια Διατάξεις Προστασίας Προστασία έναντι υπερεντάσεων Ασφάλειες τήξης Διακόπτης διαφορικού ρεύματος-δδρ (Residual Current Device-RCD) Προστασία έναντι υπερτάσεων Προστασία έναντι υπερτάσεων στις Φ/Β συστοιχίες Προστασία έναντι υπερτάσεων στους Inverters Προστασία έναντι υπερτάσεων στα συστήματα επεξεργασίας δεδομένων Γενικά στοιχεία για την επιλογή των εκτροπέων υπέρτασης Κεφάλαιο Αντικεραυνική προστασία της εγκατάστασης Αναγκαιότητα αντικεραυνικής προστασίας σε Φ/Β συστήματα Επιλογή Στάθμης Προστασίας Συχνότητα άμεσων κεραυνικών πληγμάτων σε μία κατασκευή Εγκατάσταση Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας Συλλεκτήριο Σύστημα Σύστημα αγωγών καθόδου Σύστημα γείωσης..170 Παράρτημα

12

13

14

15 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Η ηλιακή ενέργεια είναι μια καθαρή, ανεξάντλητη, ήπια και ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή. Κάθε δευτερόλεπτο, ο ήλιος μετατρέπει 500 εκατομμύρια μετρικούς τόνους υδρογόνου σε ήλιο. Στη γη, η ενέργεια που λαμβάνεται από τον ήλιο κάθε χρόνο περίπου σε 2x10 18 W. Αυτό αντιστοιχεί σε αρκετή ενέργεια ώστε να τροφοδοτηθούν 100 κοινοί λαμπτήρες φωτός για περίπου 5 εκατομμύρια έτη. Ισοδύναμα, η ενέργεια που στέλνει στη γη ο ήλιος, αντιστοιχεί στην ενέργεια που θα παρήγαγαν περισσότεροι από 150 εκατομμύρια μεγάλοι σταθμοί παραγωγής. Ο άνθρωπος εκμεταλλεύεται αυτήν ακριβώς την ηλιακή ενέργεια χρησιμοποιώντας ηλιακά κύτταρα, πλαίσια ηλιακών κυττάρων και κάτοπτρα ώστε να δύναται να παράγει ηλεκτρική ενέργεια και να θερμαίνει νερό καλύπτοντας μέρος των ενεργειακών του αναγκών. Αν και το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε μόλις το 1839, το πρώτο ηλιακό κύτταρο κατασκευάστηκε πολύ αργότερα, το 1954 για διαστημικές εφαρμογές. Στις μέρες μας καθώς το κόστος των φωτοβολταϊκών στοιχείων μειώνεται συνεχώς και σε συνδυασμό με την όλο και αυξανόμενη ευαισθητοποίηση του κοινωνικού συνόλου απέναντι στο περιβάλλον καθώς και τις νομικές δεσμεύσεις των κρατών για χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας, η χρήση των φωτοβολταϊκών συστημάτων εξαπλώνεται ραγδαία καθιστώντας τα ανταγωνιστικά έναντι των συμβατικών πηγών ενέργειας. Πέραν όμως του συνεχώς μειούμενου κόστους τους, τα φωτοβολταϊκά συστήματα καθιερώνονται ολοένα και περισσότερο λόγω των σημαντικών πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν: μηδενική ρύπανση αθόρυβη λειτουργία αξιοπιστία και μεγάλη διάρκεια ζωής (που φθάνει τα 25 χρόνια) απεξάρτηση από την τροφοδοσία καυσίμων για τις απομακρυσμένες περιοχές δυνατότητα επέκτασης ανάλογα με τις ανάγκες ελάχιστη συντήρηση 1

16 Το όφελος για το περιβάλλον που προκύπτει από τη χρήση φωτοβολταϊκών συστημάτων είναι πολύ σημαντικό, αν σκεφτεί κανείς ότι για κάθε κιλοβατώρα από το δίκτυο της ΔΕΗ απαιτείται η χρήση ορυκτών καυσίμων, διαδικασία που επιβαρύνει με αυτόν τον τρόπο την ατμόσφαιρα με ένα τουλάχιστον κιλό διοξείδιο του άνθρακα. Ενδεικτικά αναφέρεται πως ένα φωτοβολταϊκό σύστημα 100 kw, αποτρέπει κάθε χρόνο την έκλυση 140 τόνων διοξειδίου του άνθρακα, όσο δηλαδή θα απορροφούσαν 200 στρέμματα δάσους Πέρα από τα σημαντικότατα περιβαλλοντικά οφέλη όμως, υπάρχουν και οικονομικά οφέλη για δύο σημαντικούς λόγους. Ο πρώτος είναι ότι η επένδυση σε φωτοβολταϊκά συστήματα είναι μια αρκετά ικανοποιητική επένδυση που αποφέρει άμεσα κέρδη. Ο δεύτερος λόγος είναι ότι η μέγιστη παραγωγή ηλιακού ηλεκτρισμού συμπίπτει χρονικά με τις ημερήσιες αιχμές της ζήτησης (ιδίως τους καλοκαιρινούς μήνες), βοηθώντας έτσι στην εξομάλυνση των αιχμών φορτίου, στην αποφυγή black-out και στη μείωση του συνολικού κόστους της ηλεκτροπαραγωγής, δεδομένου ότι η κάλυψη αυτών των αιχμών είναι ιδιαίτερα δαπανηρή. Συμπεραίνει εύκολα λοιπόν κανείς ότι η φωτοβολταϊκή τεχνολογία είναι μία ανερχόμενη τεχνολογία και πολλά υποσχόμενη για την κάλυψη ενεργειακών αναγκών στο μέλλον, δεδομένου ότι ο ήλιος αποτελεί ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Μεγάλο μέλος της έρευνας έχει αφιερωθεί στην τεχνολογία αυτή με κύριο σκοπό την καλύτερη αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και τη βελτίωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών συστημάτων. 2

17 Κεφάλαιο 2 Φωτοβολταϊκή Τεχνολογία 2.1 Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο Υπεύθυνο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στα Φ/Β στοιχεία είναι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Η μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική βασίζεται στις ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών, που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των Φ/Β στοιχείων. Το υλικό που χρησιμοποιείται κατά βάση για να κατασκευαστούν Φ/Β στοιχεία είναι το πυρίτιο (Si) το οποίο σήμερα αποτελεί την πρώτη ύλη για το 90% της βιομηχανίας των Φ/Β. Το πυρίτιο, έχει έμμεσο ενεργειακό διάκενο με σχετικά μικρή τιμή, μόλις 1,1eV. Τα χαρακτηριστικά αυτά δεν το καθιστούν ως τον ιδανικότερο ημιαγωγό για μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας, ωστόσο το πυρίτιο κατέχει κυρίαρχη θέση στην κατασκευή των Φ/Β στοιχείων για τους εξής λόγους: Μπορεί να βρεθεί πολύ εύκολα στη φύση. Είναι το δεύτερο σε αφθονία υλικό που υπάρχει στον πλανήτη μετά το οξυγόνο και εντοπίζεται σχεδόν σε όλα τα είδη πετρωμάτων. Σχεδόν πάντα όμως συναντάται σε μορφή διοξειδίου του πυριτίου (SiO 2 ), επομένως για την αξιοποίησή του απαιτείται επεξεργασία ώστε να αποκτήσει υψηλή καθαρότητα. Έπειτα από την απαιτούμενη επεξεργασία, το πυρίτιο έχει ικανοποιητική καθαρότητα και τελειότητα κρυσταλλικής δομής. Μπορεί εύκολα να λιώσει και να μορφοποιηθεί, καθώς και να μετατραπεί στην μονοκρυσταλλική του μορφή. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του πυριτίου μπορούν να διατηρηθούν μέχρι και στους 125 C, γεγονός που επιτρέπει την χρήση του σε ιδιαίτερα δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες. Αυτός είναι και ο λόγος που τα Φ/Β στοιχεία πυριτίου λειτουργούν ικανοποιητικά σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Αποτελεί το κύριο υλικό στον τομέα της ηλεκτρονικής για αρκετές δεκαετίες. Έτσι η ήδη υπάρχουσα τεχνολογία στην βιομηχανία επεξεργασίας του, συνέβαλε στην ταχεία ανάπτυξη της κατασκευής Φ/Β στοιχείων. 3

18 Το άτομο του πυριτίου έχει 14 ηλεκτρόνια διατεταγμένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε τα 4 εξωτερικά (ηλεκτρόνια σθένους) μπορούν να δοθούν, να γίνουν αποδεκτά ή να μοιρασθούν με ένα άλλο άτομο. Ένας μεγάλος αριθμός ατόμων, μέσω των ηλεκτρονίων σθένους, μπορούν να αλληλοσυνδεθούν με δεσμούς και να σχηματίσουν ένα κρυσταλλικό πλέγμα, δημιουργώντας ένα στερεό. Η κρυσταλλική του δομή απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήμα. Σχήμα 2.1: Τρισδιάστατη αναπαράσταση του κρυσταλλικού πλέγματος του πυριτίου Όταν ηλιακό φως πέσει σε κρυσταλλικό πυρίτιο, είναι δυνατόν να ανακλαστεί, να διαπεράσει τον κρύσταλλο ή να απορροφηθεί. Στην τελευταία περίπτωση και εάν το φως είναι χαμηλής ενέργειας, τα άτομα του πυριτίου ταλαντώνονται γύρω από την σταθερή θέση τους χωρίς να χαλαρώνουν οι δεσμοί μεταξύ τους, ενώ τα ηλεκτρόνια των δεσμών αποκτώντας μεγαλύτερη ενέργεια ανεβαίνουν σε υψηλότερες ενεργειακές στάθμες που δεν είναι ευσταθείς, οπότε τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν σύντομα στις αρχικές χαμηλότερες ενεργειακές στάθμες, αποδίδοντας υπό μορφή θερμότητας την ενέργεια που είχαν κερδίσει. Από την άλλη μεριά, αν το φως έχει αρκετή ενέργεια, είναι δυνατόν να αλλάξει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του κρυστάλλου. Έτσι, το ηλεκτρόνιο ενός δεσμού είναι δυνατόν να αποχωρισθεί τη θέση του στον κρύσταλλο και να μετακινηθεί στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας πίσω στη ζώνη σθένους ένα δεσμό από τον οποίο λείπει ένα ηλεκτρόνιο, που καλείται οπή. 4

19 Οπές στη ζώνη σθένους και ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας είναι ελεύθερα να μετακινηθούν δια μέσω του κρυστάλλου και παίζουν σημαντικό ρόλο στην ηλεκτρική συμπεριφορά των ηλιακών κυττάρων. Τα παραγόμενα, με την βοήθεια του ηλιακού φωτός, ζεύγη ηλεκτρονίωνοπών αποτελούν τη βασική διαδικασία του φωτοβολταϊκού φαινομένου, χωρίς όμως να είναι σε θέση να δώσουν από μόνα τους ρεύμα. Εάν δεν υπήρχε και κάποιος άλλος μηχανισμός τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών θα εκτελούσαν, για σύντομο χρονικό διάστημα, τυχαίους ελιγμούς στον κρύσταλλο και τελικά θα επανέρχονταν στις αρχικές τους θέσεις αποδίδοντας θερμική ενέργεια. Έτσι, για την παραγωγή ρεύματος είναι απαραίτητος και ένας άλλος μηχανισμός, το φράγμα δυναμικού. Κάθε ηλιακό κύτταρο περιέχει ένα φράγμα δυναμικού που διαχωρίζει τα παραγόμενα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, στέλνοντας περισσότερα ηλεκτρόνια στη μία πλευρά του κυττάρου και περισσότερες οπές στην άλλη, έτσι ώστε να υπάρχει μικρή πιθανότητα επανασύνδεσης μεταξύ των. Ο χωρισμός αυτός των φορτίων δημιουργεί μια διαφορά δυναμικού στα δύο άκρα του κυττάρου, που είναι δυνατόν να δώσει ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Σχήμα 2.2: Δισδιάστατη αναπαράσταση του πλέγματος, δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων-οπών με την πρόσπτωση ηλιακού φωτός 5

20 Όπως προαναφέρθηκε το άτομο του πυριτίου έχει 4 ηλεκτρόνια σθένους, καθένα από τα οποία ανήκει σε ένα δεσμό με ένα άλλο άτομο πυριτίου. Εισάγουμε σε ένα καθαρό κρύσταλλο πυριτίου μια πρόσμιξη αντικαθιστώντας ένα άτομο πυριτίου με ένα άτομο από την πέμπτη ομάδα του περιοδικού συστήματος π.χ. φώσφορο, που έχει 5 ηλεκτρόνια σθένους. Το άτομο-πρόσμιξη θα αντικαταστήσει ένα άτομο πυριτίου προσφέροντας 4 ηλεκτρόνια για καθένα από τους 4 δεσμούς με 4 άλλα άτομα πυριτίου, ενώ θα υπάρχει περίσσεια ενός ηλεκτρονίου που δεν θα ανήκει σε δεσμό (Σχήμα 2.3.α). Το επί πλέον ηλεκτρόνιο δε βρίσκεται ούτε στη ζώνη σθένους ούτε στη ζώνη αγωγιμότητας, αλλά σε μια ενδιάμεση στάθμη πολύ κοντά στη ζώνη αγωγιμότητας (Σχ. 2.3.β). Στη στάθμη αυτή, σε θερμοκρασία δωματίου υπάρχει αρκετή θερμική ενέργεια στον κρύσταλλο για να μετακινήσει αυτό το ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας, χωρίς το φόβο να επανασυνδεθεί με κάποια οπή, αφού δεν έχει δημιουργήσει πίσω του κάποια οπή αλλά ένα θετικό ιόν φωσφόρου και είναι πάντα σε ετοιμότητα να συμβάλλει σε κάποιο ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι, ένας κρύσταλλος πυριτίου, στον οποίο ένας μεγάλος αριθμός ατόμων του έχουν αντικατασταθεί με άτομα φωσφόρου, θα έχει πολλά ελεύθερα ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας και ένα αντίστοιχο αριθμό θετικών ιόντων στη κρυσταλλική δομή. Σχήμα 2.3: α) Άτομα φωσφόρου έχουν αντικαταστήσει άτομα πυριτίου. β)επιτρεπόμενες στάθμες στο ενεργειακό χάσμα μεταξύ ζώνης σθένους και ζώνης αγωγιμότητας 6

21 Με αυτόν τον τρόπο, ενώ το σύνολο του κρυστάλλου παραμένει ηλεκτρικά ουδέτερο, οι ηλεκτρικές ιδιότητές του έχουν αλλάξει δραστικά. Προσμίξεις αυτού του που τύπου έχουν ένα επιπλέον ηλεκτρόνιο σθένους καλούνται δότες (DONORS) και ο αντίστοιχος κρύσταλλος καλείται τύπου-n (n-type). Τα παραπάνω αποτελούν ένα μέρος της διαδικασίας για τη δημιουργία του εσωτερικού φράγματος δυναμικού. Εάν τώρα, αντικαταστήσουμε ένα άτομο πυριτίου με ένα άτομο από την τρίτη ομάδα του περιοδικού συστήματος π.χ. βόριο, που έχει 3 ηλεκτρόνια σθένους, το άτομο πρόσμιξη θα προσφέρει τα 3 ηλεκτρόνια σε 3 δεσμούς με 3 άτομα πυριτίου, αλλά από τον τέταρτο δεσμό του αντικαθιστάμενου ατόμου πυριτίου θα λείπει ένα ηλεκτρόνιο δηλαδή θα υπάρχει μια οπή (Σχήμα 2.4.α). Η οπή αυτή βρίσκεται σε μια ενδιάμεση στάθμη πολύ κοντά στη ζώνη σθένους (Σχήμα 2.4.β) που με αντίστοιχη θερμική ενέργεια μετακινείται στη ζώνη σθένους. Σχήμα 2.4: α) Άτομα βορίου έχουν αντικαταστήσει άτομα πυριτίου. β)επιτρεπόμενες στάθμες για πρόσμιξη βορίου Έτσι ένας κρύσταλλος πυριτίου "ντοπαρισμένος" με πολλά άτομα βορίου διαθέτει ένα μεγάλο αριθμό οπών οι οποίες είναι δυνατόν να θεωρηθούν σαν ελεύθερα θετικά φορτία και να μετακινηθούν μέσω του κρυσταλλικού πλέγματος. Προσμίξεις αυτού του τύπου (με 3 ηλεκτρόνια σθένους) καλούνται δέκτες (ACCEPTORS), διότι οι οπές τους δέχονται 7

22 ηλεκτρόνια (ηλεκτρόνια σθένους που ανήκουν σε δεσμούς ή ηλεκτρόνια αγωγιμότητας) και ο αντίστοιχος κρύσταλλος καλείται τύπου-p (p- ΤΥΡΕ). Σε ένα υλικό τύπου-n, τα ηλεκτρόνια (αρνητικά φορτία) αποτελούν τους φορείς πλειονότητας (MAJORITY CARRIERS) ενώ οι οπές τους φορείς μειονότητας (MINORITY CARRIERS). Αντίστροφα, σε ένα υλικό τύπου-p οι οπές (θετικά φορτία) αποτελούν τους φορείς πλειονότητας, ενώ τα ηλεκτρόνια τους φορείς μειονότητας. Αν φέρουμε σε επαφή ένα υλικό τύπου-n και ένα υλικό τύπου-p, η διαχωριστική γραμμή που καλείται επαφή (JUNCTION) αποτελεί την εστία δημιουργίας του φράγματος δυναμικού, που όπως είδαμε αποτελεί ουσιαστική προϋπόθεση για τη λειτουργία του ηλιακού κυττάρου. Όταν λοιπόν τα δυο υλικά έλθουν σε επαφή, ελεύθερα ηλεκτρόνια από το υλικό τύπου-n μεταπηδούν (με τη διαδικασία της διάχυσης) μέσω της επαφής στο υλικό τύπου-p και συνδέονται με αντίστοιχες οπές, αφού το υλικό αυτό διαθέτει μεγάλο αριθμό οπών (Σχήμα 2.5). Σχήμα 2.5: Υλικό τύπου n σε επαφή με υλικό τύπου p. Ηλεκτρόνια και οπές αρχίζουν να μετακινούνται με τη διαδικασία της διάχυσης Αν n είναι η πυκνότητα των ηλεκτρονίων, είναι η μονοδιάστατη βάθμωση της συγκέντρωσης ηλεκτρονίων. Είναι προφανές ότι η ροή των ηλεκτρονίων είναι ανάλογη προς την αρνητική βάθμωση της συγκέντρωσης. Επειδή το ρεύμα είναι ανάλογο προς τη ροή φορτισμένων σωματιδίων, το παραπάνω φαινόμενο συνίσταται σε ένα ρεύμα διάχυσης που η πυκνότητά του δίνεται από τη σχέση: 8

23 Je = q De (2.1) όπου: q = Cb De = σταθερά διάχυσης ηλεκτρονίων Από την άλλη μεριά, οπές από το υλικό τύπου-p μεταπηδούν (με τη διαδικασία της διάχυσης) στο υλικό τύπου-n (στην ουσία ηλεκτρόνια σθένους από το υλικό τύπου-n μεταπηδούν στο υλικό τύπου-p και συνδέονται με οπές) που συνιστούν ένα ρεύμα διάχυσης, η πυκνότητα του οποίου δίνεται από τη σχέση: όπου : P = πυκνότητα οπών D n = σταθερά διάχυσης οπών J n = -q D n (2.2) Αυτή η διαδικασία μεταφοράς των φορτίων δημιουργεί μια ανισορροπία φορτίων στις δυο πλευρές της επαφής: αρνητικά φορτία (επί πλέον ηλεκτρόνια) στην πλευρά τύπου-p της επαφής και θετικά φορτία (ιόντα) στην πλευρά τύπου-n της επαφής (Σχήμα 2.6). Σχήμα 2.6: Θετικά φορτία δημιουργούνται στο υλικό τύπου n και αρνητικά φορτία στο υλικό τύπου -p 9

24 Η διαδικασία αυτή βέβαια δεν συνεχίζεται απεριόριστα. Οι φορτισμένοι φορείς που μεταφέρθηκαν στις δυο πλευρές της επαφής δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο που ενεργεί σαν φράγμα και αντιτίθεται στην παραπέρα ροή των φορέων. Με άλλα λόγια, σε μια στενή περιοχή περί την επαφή (SPACE CHARGE REGION ή DΕΡLΕΤΙΟΝ REGION) δημιουργούνται φορτία χώρου, που έχουν σαν συνέπεια την δημιουργία του φράγματος δυναμικού περί την επαφή, που αντιτίθεται στην παραπέρα διάχυση των φορέων πλειονότητας μέσω της επαφής. Ωστόσο, οι φορείς μειονότητας δεν εμποδίζονται από το φράγμα δυναμικού. Αντίθετα μάλιστα, όταν το κύτταρο δε φωτίζεται, υπάρχει μικρός αριθμός φορέων μειονότητας, όπως ελεύθερα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου-p (Σχ.2.7), τα οποία οδηγούνται από το ηλεκτρικό πεδίο της επαφής στην αντίθετη πλευρά δηλαδή στο υλικό τύπου-n και συνιστούν το ρεύμα ολίσθησης (DRIFT CURRENT) που δίνεται από τη σχέση: όπου: μ e = ευκινησία των ηλεκτρονίων E = ηλεκτρικό πεδίο J e = μ e n E (2.3) Το ίδιο ισχύει και για τις οπές που βρίσκονται στο υλικό τύπου n, που συνιστούν ένα ρεύμα ολίσθησης: J n = q μ n P E (2.4) όπου: μ n = ευκινησία των οπών Το ολικό ρεύμα ολίσθησης προκύπτει σαν άθροισμα των δύο παραπάνω συνιστωσών, οπότε η αγωγιμότητα σ του ημιαγωγού προκύπτει: σ = = q μ e n + q μ n P (2.5) 10

25 Σχήμα 2.7: Η επίδραση του φράγματος δυναμικού Επί πλέον, οι διαδικασίες διάχυσης και ολίσθησης αλληλοσχετίζονται και οι ευκινησίες και οι σταθερές διάχυσης δεν είναι ανεξάρτητες μεταξύ τους αλλά συνδέονται με τις σχέσεις: D e = μ e και D n = μ n (2.6) όπου: Κ = σταθερά BOLTZMAN(= Joule/K ) T = απόλυτη θερμοκρασία [ Κ ] Έτσι, σε συνθήκες ισορροπίας όταν το κύτταρο δεν φωτίζεται λίγοι φορείς πλειονότητας που αποκτούν τυχαία αρκετή ενέργεια ώστε να διασχίσουν το φράγμα συνιστούν ένα ρεύμα διάχυσης που αντισταθμίζεται από ίσο και αντίθετο ρεύμα ολίσθησης που οφείλεται σε φορείς μειονότητας, οπότε τελικά δεν υπάρχει ρεύμα στον κρύσταλλο. Τα παραπάνω αποτελούν την αρχή κατασκευής και κατ' επέκταση τη βάση για την αρχή λειτουργίας τόσο μιας διόδου επαφής p-n (όπως είναι ένα ηλιακό κύτταρο όταν δεν φωτίζεται) όσο και του ηλιακού κυττάρου όταν φωτίζεται. 11

26 Οι βασικές εξισώσεις που περιγράφουν περιπτώσεις είναι οι ακόλουθες: και τις δύο αυτές α) Ο νόμος του GAUSS σε διαφορική μορφή στην περιοχή της επαφής: = (2.7) όπου: ρ = q (p n + N + D - N - A ) N + D ~ N D = πυκνότητα στους δότες N + Α ~ N A = πυκνότητα στους δέκτες β) Οι εξισώσεις πυκνότητας ρεύματος: Je = q μ e n Ε + q De (Ρεύμα διάχυσης) (2.8) J n = q μ n P E q D n (Ρεύμα ολίσθησης) (2.9) γ) Οι εξισώσεις συνεχείας. Για έναν όγκο διατομής Α και μήκους δx : ( ό ώ ό ί ) ( ) = ( ) ( ) που με σύμβολα μεταφράζονται στις δύο παρακάτω εξισώσεις για ηλεκτρόνια και για οπές: = U G (2.10) = -(U G) (2.11) 12

27 Αν και οι επί μέρους μηχανισμοί (φυσικοί και μαθηματικοί) είναι αρκετά πολύπλοκοι, εν τούτοις κάνοντας ορισμένες παραδοχέςπροσεγγίσεις είναι δυνατόν να καταλήξει κανείς σχετικά εύκολα στη λύση των παραπάνω εξισώσεων. Έτσι, στην περίπτωση ενός κυττάρου που δεν φωτίζεται (G = 0) το αποτέλεσμα μιας τέτοιας ανάλυσης δίνει την παρακάτω εξίσωση, που αποτελεί τη βασική εξίσωση μιας διόδου επαφής p-n: I = I0 ( 1) (2.12) όπου: I = το ρεύμα του κυττάρου V = η τάση του κυττάρου I0 = ρεύμα κόρου της διόδου που δίνεται από τη σχέση: I0 = Α ( + ) (2.13) όπου : Α = διατομή του κυττάρου = n = P = ενδογενής συγκέντρωση ηλεκτρονίων (οπών) σε καθαρό κρύσταλλο πυριτίου L e = μήκος διάχυσης ηλεκτρονίων = e = διάρκεια ζωής των ηλεκτρονίων σα φορέων μειονότητας = = ο χρόνος μεταξύ της δημιουργίας ενός φορέα σε υλικό που αποτελεί φορέα μειονότητας και της επανασύνδεσης με φορέα πλειονότητας. L n = μήκος διάχυσης οπών = n = διάρκεια ζωής οπών σα φορέων μειονότητας Στην περίπτωση τώρα που το ηλιακό κύτταρο φωτίζεται (G 0), φωτόνια με ενέργεια (E = h f = h c /λ) μεγαλύτερη ή ίση από το ενεργειακό χάσμα Εg του ημιαγωγού (ενεργειακό χάσμα είναι η διαφορά ενέργειας μεταξύ του πάνω μέρους της ζώνης σθένους και του κάτω μέρους της ζώνης αγωγιμότητας, είναι δε η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για να ελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο, σταθερή για κάθε υλικό, μετράται σε μονάδες ev και στη περίπτωση του πυριτίου είναι 1.1eV όπως έχουμε αναφέρει ) δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. 13

28 Έστω ότι ένα τέτοιο ζεύγος δημιουργείται στο υλικό τύπου-p (Σχήμα 2.8). Το ηλεκτρόνιο του ζεύγους έχει ένα σχετικά μικρό χρονικό διάστημα που μπορεί να είναι ελεύθερο, διότι είναι πολύ πιθανό να επανασυνδεθεί με μια από τις πολυπληθείς οπές που υπάρχουν στο υλικό τύπου-p. Τα ηλιακά κύτταρα εν τούτοις σχεδιάζονται κατά τέτοιο τρόπο ώστε το ηλεκτρόνιο να φθάσει στην περιοχή της επαφής πριν του δοθεί η ευκαιρία επανασύνδεσης με κάποια οπή, οπότε θα αποδώσει την ενέργεια του υπό μορφή θερμότητας χωρίς να συμβάλλει στο φωτόρευμα που μας ενδιαφέρει. Από τη στιγμή που το ελεύθερο ηλεκτρόνιο θα βρεθεί στο πεδίο της επαφής, επιτυγχάνεται από το φράγμα δυναμικού προς το υλικό τύπου-n, όπου υπάρχουν ελάχιστες οπές και δεν υπάρχει μεγάλος κίνδυνος επανασύνδεσης, επί πλέον δε υπάρχει μικρή πιθανότητα επιστροφής στο υλικό τύπου-p διότι πρέπει να υπερνικήσει το φράγμα δυναμικού. Από την άλλη πλευρά, η οπή του ζεύγους παραμένει στο υλικό τύπου-p, διότι απωθείται από το φράγμα της επαφής. Ανάλογα συμβαίνουν όταν το φως παράγει ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών στο υλικό τύπου-n. Σχήμα 2.8: Το ηλιακό φως δημιουργεί ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, ενώ το φράγμα δυναμικού στέλνει τα ηλεκτρόνια στο υλικό τύπου n και τις οπές στο υλικό τύπου p. 14

29 Η διαδικασία αυτή διαχωρισμού των φορτίων που παράγονται σε ένα φωτιζόμενο ηλιακό κύτταρο, δημιουργεί πλεόνασμα αρνητικών φορτίων στο υλικό τύπου-n και θετικών φορτίων στο υλικό τύπου-p. Έτσι, αν συνδέσουμε την πλευρά τύπου-n με την πλευρά τύπου-p του κυττάρου μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος θα έχουμε ροή ρεύματος μέσω του κυκλώματος (Σχήμα 2.9). Αρνητικά φορτία ρέουν από το ηλεκτρόδιο που βρίσκεται στο υλικό τύπου-n, μέσω του φορτίου (παράγοντας ωφέλιμο έργο στο φορτίο) στο υλικό τύπου-p, όπου επανασυνδέονται με οπές κοντά στο ηλεκτρόδιο. Σχήμα 2.9: Φως παράγει ζεύγη ηλεκτρονίων οπών, το φράγμα δυναμικού διαχωρίζει τους φορείς στις δύο απέναντι πλευρές του κυττάρου, δημιουργώντας μία τάση που δίνει ρεύμα σε ένα εξωτερικό κύκλωμα Η μαθηματική ανάλυση των φυσικών διεργασιών που αναπτύχθηκαν παραπάνω για την περίπτωση φωτιζόμενου ηλιακού κυττάρου στηρίζεται στις ίδιες εξισώσεις( (2.7) - (2.11) ) με τις οποίες προέκυψε η εξίσωση μιας διόδου p-n, με τη διαφορά ότι εδώ ο ρυθμός παραγωγής είναι G 0. Η επεξεργασία των εξισώσεων αυτών οδηγεί στη βασική εξίσωση του ηλιακού κυττάρου: I = I0 ( 1) IL (2.14) 15

30 όπου το Ι0 δίνεται από την εξίσωση (2.13) και ΙL είναι το φωτόρευμα (δηλαδή το ρεύμα που παράγεται λόγω του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός επί του κυττάρου) το οποίο δίνεται από τη σχέση: ΙL = q A G (L e + W + L h ) (2.15) όπου : W = εύρος της επαφής (Depletion Region) G = ρυθμός παραγωγής που για το ηλιακό φως δίνεται από τη σχέση: = 1 λ λ λ λ (2.16) που: x = απόσταση από την πάνω επιφάνεια του κυττάρου R = συντελεστής ανάκλασης = συντελεστής απορρόφησης = προσπίπτουσα ροή φωτονίων ανά μονάδα μήκους κύματος λ = μήκος κύματος Η γραφική παράσταση της 2.14 φαίνεται στο Σχήμα 2.10, στο οποίο παρατηρούμε ότι η χαρακτηριστική καμπύλη στην περίπτωση που το κύτταρο φωτίζεται (εξ.2.14), είναι απλώς η χαρακτηριστική καμπύλη όταν το κύτταρο δε φωτίζεται (εξ.2.12) μετατοπισμένη προς τα κάτω κατά ΙL. Έτσι προκύπτει μια καμπύλη στο τέταρτο τεταρτημόριο, που σημαίνει παραγωγή ισχύος. Σχήμα 2.10: Χαρακτηριστική καμπύλη διόδου p-n όταν δε φωτίζεται και όταν φωτίζεται (ηλιακό κύτταρο). 16

31 2.2 Ισοδύναμο Κύκλωμα I-V Χαρακτηριστική Η βασική Η βασική εξίσωση (2.14) του ηλιακού κυττάρου που προέκυψε θεωρητικά δεν αντικατοπτρίζει, με ικανοποιητική ακρίβεια, την πραγματική I-V χαρακτηριστική καμπύλη ενός κυττάρου σε πρακτικούς σκοπούς. Πειραματικές παρατηρήσεις έχουν οδηγήσει στη βελτίωση της εξίσωσης αυτής με τη χρησιμοποίηση τριών πρόσθετων παραμέτρων A, RS και RSH. Επί πλέον έχει επικρατήσει, για λόγους κυκλωματικής ανάλυσης, η αναπαράσταση της I-V χαρακτηριστικής του κυττάρου να γίνεται στο πρώτο τεταρτημόριο (Σχ. 2.12). Οι δύο τελευταίες παρατηρήσεις οδηγούν στην παρακάτω εξίσωση για το ηλιακό κύτταρο: I = IL I0 { [ ] 1} (2.17) όπου: I = ρεύμα στην έξοδο του κυττάρου IL = φωτόρευμα I0 = ρεύμα κόρου διόδου q = φορτίο ηλεκτρονίου V = τάση στην έξοδο του κυττάρου RS = σε σειρά αντίσταση του κυττάρου. Παριστάνει σε συγκεντρωμένη μορφή όλα τα κατανεμημένα στοιχεία αντίστασης κατά τη ροή των φορέων στον κυρίως ημιαγωγό, την επιφανειακή ροή στον ημιαγωγό (συνήθως τύπου n) που βρίσκεται στην πλευρά που προσπίπτει το φως και αποτελείται από πολύ λεπτό στρώμα, την ενδοεπιφάνεια μεταξύ ημιαγωγού-ωμικής επαφής και την ωμική επαφή. V+IRS = τάση της διόδου επαφής μέσα στο κύτταρο A = σταθερά με τιμές μεταξύ 1 και 2. Οφείλεται σε φαινόμενα επανασύνδεσης που συμβαίνουν στην περιοχή της επαφής και τα οποία κατά την παραγωγή της θεωρητικής εξίσωσης παραλήφθηκαν διότι το εύρος W της περιοχής αυτής θεωρήθηκε αμελητέο. Κ = σταθερά BOLTZMAN(= Joule/K ) Τ = απόλυτη θερμοκρασία RSH = παράλληλη αντίσταση. Οφείλεται σε διαρροές των φορέων που συμβαίνουν είτε στην επαφή p-n (επανασύνδεση,) είτε στην εξωτερική παράπλευρη επιφάνεια του κυττάρου (επιφανειακή διαρροή), είτε σε άλλες ανωμαλίες του κρυστάλλου και δεν είναι ομοιόμορφα κατανεμημένες σε όλη την επιφάνεια του κυττάρου ούτε μεταξύ δύο όμοιων κυττάρων. 17

32 Η εξίσωση (2.17) αποτελεί το μοντέλο του ηλιακού κυττάρου, που υπό μορφή ισοδυνάμου κυκλώματος φαίνεται στο επόμενο σχήμα: Σχήμα 2.11: Ισοδύναμο κύκλωμα ηλιακού κυττάρου Η γραφική παράσταση μεταξύ ρεύματος στην έξοδο και τάσεως στην έξοδο ενός ηλιακού κυττάρου καλείται I-V χαρακτηριστική και έχει επικρατήσει να παριστάνεται στο πρώτο τεταρτημόριο. Μια τέτοια αντιπροσωπευτική καμπύλη φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα, μαζί με την αντίστοιχη P-V χαρακτηριστική: Σχήμα 2.12: I-V και η αντίστοιχη P-V χαρακτηριστική ηλιακού κυττάρου 18

33 Οι βασικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν την I-V χαρακτηριστική ενός ηλιακού κυττάρου είναι οι εξής: Το ρεύμα βραχυκυκλώσεως Ι sc : Είναι το ρεύμα για V=0. Αν θεωρήσουμε την RS πολύ μικρή, είναι ίσο με το φωτόρευμα IL. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος V oc : Είναι η τάση για Ι=0. Αν θεωρήσουμε την RSH πολύ μεγάλη, από την (2.17) προκύπτει: V oc = ln ( 0 1) (2.18) Το σημείο μέγιστης ισχύος εξόδου P mp : Στο σημείο αυτό αντιστοιχεί ρεύμα I mp και τάση V mp. Βρίσκεται στο σημείο εκείνο, από το οποίο μπορούμε να κατασκευάσουμε το ορθογώνιο με τη μεγαλύτερη επιφάνεια μέσα στην I-V καμπύλη και αντιστοιχεί στη μέγιστη παραγωγή ισχύος από το ηλιακό κύτταρο. Ο συντελεστής πληρώσεως FF (Fill Factor), που ορίζεται από τη σχέση: FF = (2.19) και είναι ένα μέτρο για το πόσο τετράγωνη είναι η I-V καμπύλη. Τυπικές τιμές βρίσκονται μεταξύ 0.7 και Είναι συνάρτηση μόνο της τάσης V oc και αν ορίσουμε μία κανονικοποιημένη τάση U oc = V oc / (A K T/q), η ιδανική (μέγιστη) τιμή του δίνεται από την εμπειρική σχέση: FF opt =. για U oc >10 (2.20) Στο σημείο αυτό πρέπει να τονισθεί ότι η I-V καμπύλη εξαρτάται τόσο από τη ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (W/m 2 ) όσο και από τη θερμοκρασία ( C). Ένταση ακτινοβολίας: Όταν μεταβάλλεται η ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (διατηρώντας σταθερά τη θερμοκρασία του κυττάρου και τη φασματική κατανομή της ακτινοβολίας), μεταβάλλεται και η I-V χαρακτηριστική του κυττάρου (Σχ.2.13) και μάλιστα η απόκριση είναι πολύ γρήγορη (σταθερά χρόνου της τάξεως των μsec). Για τους 19

34 περισσότερους τύπους ηλιακών κυττάρων, που έχουν σχεδιασθεί για λειτουργία σε ένταση ακτινοβολίας μίας περίπου ηλιακής σταθεράς, η μορφή της I-V καμπύλης δε μεταβάλλεται ουσιαστικά με την ένταση στην περιοχή ηλιακές σταθερές, το ρεύμα Ι sc πρακτικά μεταβάλλεται αναλογικά με την ένταση, η τάση V oc μεταβάλλεται λιγότερο(λογαριθμική εξάρτηση), ενώ η RS παραμένει σχεδόν σταθερή. Σχήμα 2.13: Ι-V χαρακτηριστικές ενός Φ/Β πλαισίου για διάφορες τιμές προσπίπτουσας ακτινοβολίας (για σταθερή θερμοκρασία 25 C) Θερμοκρασία: Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία του κυττάρου προκαλούνται οι εξής μεταβολές στις παραμέτρους της I-V χαρακτηριστικής, οι οποίες φαίνονται και στο Σχήμα 2.14: Το ρεύμα Ι sc αυξάνεται ελαφρά (εξαρτάται βέβαια και από την ένταση της ακτινοβολίας). Η αύξηση οφείλεται σε μεταβολή της δυνατότητας συλλογής των φορέων, αφού με την αύξηση της θερμοκρασίας μειώνεται το ενεργειακό χάσμα. Τυπικές τιμές: = 0.01[mA cm -2 / C] ή 0.1%/ C Η τάση V oc μειώνεται. Αυτό οφείλεται σε μεταβολή των χαρακτηριστικών αγωγής της διόδου. Τυπικές τιμές: = -2.2[mV/ C] ή -0.4/ C 20

35 Η ισχύς P mp μειώνεται, ενώ μεταβάλλεται και η μορφή της καμπύλης (το γόνατο τη καμπύλης γίνεται πιο στρογγυλεμένο με αύξηση της θερμοκρασίας). Τυπικές τιμές: = -0.4 έως 0.5%/ C Σχήμα 2.14: I-V χαρακτηριστικές ενός Φ/Β πλαισίου για διάφορες τιμές θερμοκρασίας (για σταθερή ακτινοβολία 1000W/m 2 ) Κατόπιν των ανωτέρω, ένα ηλιακό κύτταρο συνηθίζεται να χαρακτηρίζεται από την ισχύ εξόδου του σε μία προκαθορισμένη θερμοκρασία (συνήθως 25 C) και ακτινοβολία 1000 W/m 2. Έτσι, το μέγεθος μιας φωτοβολταϊκής γεννήτριας συνήθως χαρακτηρίζεται από τα Watt αιχμής (Watt Peak, W p ) που μπορεί να παράγει. 21

36 2.3 Βαθμός απόδοσης ηλιακού κυττάρου Ο βαθμός απόδοσης του ηλιακού κυττάρου δίνεται από τη σχέση: n = = = (2.21) όπου είναι η ολική ισχύς της προσπίπτουσας στο κύτταρο ακτινοβολίας. Ο βαθμός απόδοσης των ηλιακών κυττάρων του εμπορίου βρίσκεται στην περιοχή 12% μέχρι 15%, ενώ σε πειραματικά μοντέλα έχουν επιτευχθεί μεγαλύτερες τιμές. Οι παράγοντες που είναι υπεύθυνοι για τη σχετικά χαμηλή τιμή (τόσο θεωρητική όσο και πρακτική) του βαθμού απόδοσης είναι: Ανάκλαση: Μη επεξεργασμένη επιφάνεια πυριτίου ανακλά ένα ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας της τάξεως του 30%. Επεξεργασία της επιφάνειας με χημικά μέσα ή/και επίστρωση με αντιανακλαστικά υλικά περιορίζει δραστικά τις ανακλάσεις μέχρι την τάξη του 3%. Σκίαση από τις επαφές: Η ανάγκη της κατασκευής των ηλεκτροδίων τόσο στην επιφάνεια του υλικού τύπου p όσο και του υλικού τύπου n συνεπάγεται τη δημιουργία ενός μεταλλικού πλέγματος επαφών στην επιφάνεια του κυττάρου που εκτίθεται στο ηλιακό φως. Αυτό γίνεται διότι εφ όσον η αντίσταση στην επιφανειακή κίνηση των φορέων στο πάνω επιφανειακό στρώμα του κυττάρου είναι μεγάλη, πρέπει να υπάρχουν πολλά σημεία απαγωγής των φορέων (ηλεκτρικές επαφές) μες σκοπό να ελαχιστοποιηθούν τα ωμικά φαινόμενα. Το αποτέλεσμα για τα ηλεκτρόδια είναι μία γεωμετρία μεταλλικού πλέγματος στην πάνω επιφάνεια του κυττάρου που έχει σα συνέπεια ένα ποσοστό 5-15% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας να εκτρέπεται. Ατελής εκμετάλλευση της ενέργειας των φωτονίων: Ως γνωστόν η ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στο έδαφος έχει διαφορετικές εντάσεις σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, δηλαδή στον κρύσταλλο προσπίπτουν φωτόνια που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα τιμών ενέργειας (h f), τα οποία είναι δυνατόν: 22

37 α) Να διαπεράσουν το κύτταρο, αν μάλιστα το πάχος του είναι αρκετά μικρό. β) Να απορροφηθούν, παράγοντας μόνο θερμότητα (αν h f<eg ) υπό μορφή ταλαντώσεων των ατόμων γ) Να δημιουργήσουν ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών (αν h f=eg) δ) Να δημιουργήσουν ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών και η επιπλέον ενέργειά τους να μετατραπεί σε θερμότητα ( αν h f>eg) Ο παράγοντας αυτός μόνο, με τους 4 μηχανισμούς του, περιορίζει τη μέγιστη δυνατή απόδοση στο 44%. Επανασύνδεση: Αυτή μπορεί να συμβεί με διάφορους μηχανισμούς στον κυρίως όγκο του ημιαγωγού στις επιφάνειες και σε ατέλειες του υλικού. Αντίσταση: Μη ικανοποιητικές τιμές τόσο της Rs όσο και της RSH τείνουν να ελαττώσουν τον συντελεστή FF, ενώ σε ακραίες περιπτώσεις ακόμη και τα ISC, VOC με τελική συνέπεια τη μείωση της απόδοσης. Ωστόσο, όπως φαίνεται και στις γραφικές που ακολουθούν, ο καθορισμός της Rs έχει μεγ λ ερη σημ σ γι ις I-V κ ι P-V σε σχέση με ην RSH. Σχήμα 2.15: Επίδραση της μεταβολής της RS στη I-V χαρακτηριστική 23

38 Σχήμα 2.16: Επίδραση της μεταβολής της RSH στη I-V χαρακτηριστική Σχήμα 2.17: Επίδραση της μεταβολής της RS στην P-V χαρακτηριστική 24

39 Σχήμα 2.18: Επίδραση της μεταβολής της RSH στην P-V χαρακτηριστική Θερμοκρασία: Οι φυσικοί μηχανισμοί που καθορίζουν τη σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και βαθμού απόδοσης είναι αρκετά πολύπλοκοι. Πάντως οι αρκετά υψηλές και οι αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες τείνουν να μειώσουν σημαντικά το βαθμό απόδοσης. Σχήμα 2.19: Επίδραση της αύξησης της θερμοκρασίας του κυττάρου στο βαθμό απόδοσής του 25

40 2.4 Συστοιχίες κυττάρων Υπάρχουν διάφορα κατασκευαστικά στάδια ομαδοποίησης κυττάρων. Τη μικρότερη δομική μονάδα ομαδοποιημένων κυττάρων αποτελεί το πλαίσιο, που είναι ένα σύνολο κυττάρων, ηλεκτρικών συνδέσεων κ.λ.π. κατάλληλα συσκευασμένων ώστε να προστατεύονται από το περιβάλλον, που δίνει κάποια DC ισχύ όταν προσπίπτει σε αυτό ηλιακό φως. Ακολουθεί το πάνελ (panel) το οποίο είναι ένα σύνολο από δύο ή περισσότερα πλαίσια συνδεδεμένα μεταξύ τους τόσο από μηχανική όσο και από ηλεκτρική άποψη, που δίνουν μία μονάδα έτοιμη για εγκατάσταση. Τέλος, η συστοιχία (array) είναι ένα μηχανικά ολοκληρωμένο σύνολο από panels μαζί με την κατασκευή στήριξης και ό,τι άλλο είναι απαραίτητο για να αποτελέσει μία ανεξάρτητη μονάδα Φ/Β παραγωγής ισχύος. Είναι γνωστό ότι υπό ιδανικές συνθήκες δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές τάσης σε σειρά προστίθενται, ενώ δύο ή περισσότερες ίδιες πηγές ρεύματος παράλληλα προστίθενται. Έτσι, μόνο για ηλιακά κύτταρα με ακριβώς ίδια χαρακτηριστικά, η μέγιστη ισχύς που παίρνουμε από μία συστοιχία κυττάρων θα ισούται με το άθροισμα των μεγίστων ισχύων που παίρνουμε χωριστά από κάθε κύτταρο της συστοιχίας. Με βάση τα παραπάνω προκύπτει πως εάν n κύτταρα συνδεθούν σε σειρά, η ισχύς εξόδου θα είναι η ίδια με την ισχύ που θα πάρουμε εάν αυτά συνδεθούν παράλληλα. Στην πρώτη περίπτωση το ρεύμα της αλυσίδας ισούται με το ρεύμα βραχυκύκλωσης του ενός κυττάρου, αφού όλα τα κύτταρα της αλυσίδας διαρρέονται από το ίδιο ρεύμα, όμως η τάση εξόδου θα ισούται με το άθροισμα των επιμέρους τάσεων των κυττάρων που αποτελούν την αλυσίδα (Σχήμα 2.20). Συνεπώς η ισχύς εξόδου θα είναι Pσειρ.= Ι SC Vσειρ.= Ι SC n Vout= n Ι SC Vout. Στη δεύτερη περίπτωση όλα τα κύτταρα θα βρίσκονται υπό τάση Vout, εφ όσον θα είναι συνδεδεμένα παράλληλα, το συνολικό ρεύμα όμως θα ισούται με το άθροισμα των ρευμάτων του καθενός κυττάρου (Σχήμα 2.21). Έτσι η ισχύς εξόδου θα είναι: Pπαράλ.= Vπαράλ. Ιout = Vout. Ι SC = n Ι SC Vout. Η ισχύς εξόδου λοιπόν είναι η ίδια. 26

41 Σχήμα 2.20: Ρεύμα και τάση εξόδου 3 κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά Σχήμα 2.21: Ρεύμα και τάση εξόδου 3 κυττάρων συνδεδεμένων παράλληλα Έτσι αν πλήθος κυττάρων συνδυαστούν σε παράλληλες αλυσίδες, η συνολική καμπύλη I-V προκύπτει προσθέτοντας πρώτα τις επιμέρους τάσεις των κυττάρων σε σειρά που αποτελούν μία αλυσίδα για να βρούμε τη συνολική τάση κι έπειτα προσθέτοντας το ρεύμα όλων των αλυσίδων για να βρούμε το συνολικό ρεύμα. Η διαδικασία αυτή φαίνεται στο Σχήμα που ακολουθεί. 27

42 Σχήμα 2.22: I-V χαρακτηριστική ίδιων κυττάρων συνδεδεμένων σειριακά και παράλληλα Με βάση τα παραπάνω παρατίθεται ένα σύνολο I-V χαρακτηριστικών διάφορων σειριακών και παράλληλων συνδυασμών κυττάρων: Σχήμα 2.23: I-V χαρακτηριστικές μερικών συνδυασμών σε σειρά και παράλληλων κυττάρων 28

43 Ωστόσο στην πράξη τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά, καθώς για διάφορους λόγους τα κύτταρα μίας συστοιχίας δεν έχουν τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά. Οι αιτίες της μη προσαρμογής των χαρακτηριστικών των κυττάρων μίας συστοιχίας, είτε ενυπάρχουν και οφείλονται σε κατασκευαστικούς λόγους κατά τη μαζική παραγωγή τους, είτε προκύπτουν κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους. Στις αιτίες που προκύπτουν κατά τη λειτουργία, πρωτεύουσα θέση κατέχει η μερική ή ολική σκίαση ενός ή περισσότερων κυττάρων η οποία μπορεί να οφείλεται σε σύννεφα, δέντρα, κτίρια, πουλιά κλπ. Άλλη αιτία είναι η θραύση ενός ή περισσότερων κυττάρων και μπορεί να οφείλεται σε διαφορετική διαστολή μεταξύ του κυττάρου και του υλικού πάνω στο οποίο στηρίζεται, σε χαλάζι, σε ελαττωμένη αντοχή που προέκυψε κατά τη διάρκεια της κατασκευής του ή της ενσωμάτωσής του στο πλαίσιο. Μία άλλη αιτία μπορεί να είναι ανοιχτοκυκλωμένες ηλεκτρικές συνδέσεις που οφείλονται σε διαφορετική θερμική διαστολή. Όπως αναφέραμε, οι τάσεις σε σειρά προστίθενται, ενώ παράλληλα είναι ισοδύναμες με την τιμή της μικρότερης τάσης. Επί πλέον ρεύματα παράλληλα προστίθενται, ενώ σε σειρά είναι ισοδύναμα με την τιμή του μικρότερου ρεύματος. Ενδεικτικά παραδείγματα φαίνονται στο παρακάτω Σχήμα: Σχήμα 2.24: Συνδυασμός πηγών τάσης και ρεύματος με διαφορετικά χαρακτηριστικά, σε σειρά και παράλληλα Έτσι εάν δύο κύτταρα με ανόμοια χαρακτηριστικά συνδεθούν σε σειρά, η συμπεριφορά τους που απαιτεί I 1 =I 2 περιγράφεται αν αθροίσουμε τις τάσεις των δύο κυττάρων για τις διάφορες τιμές του ρεύματος. Το κύτταρο 1 με τη μικρότερη έξοδο περιορίζει την έξοδο του κυττάρου 2 με τη μεγαλύτερη έξοδο, σε ποσοστό που εξαρτάται από τα ανάστροφα χαρακτηριστικά του κυττάρου 1. 29

44 Κατά συνέπεια, όταν συνδέουμε σε σειρά κύτταρα των οποίων τα ρεύματα βραχυκυκλώσεως διαφέρουν για κάποιον από τους λόγους που αναφέραμε παραπάνω, προκύπτει περιορισμός του συνολικού ρεύματος βραχυκύκλωσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα Με ανάλογο τρόπο, όταν συνδέουμε παράλληλα κύτταρα με διαφορετική τάση εξόδου, η συνολική τάση εξόδου περιορίζεται, λόγω του κυττάρου με τη χαμηλότερη έξοδο, όπως φαίνεται στο Σχήμα Επομένως η I-V χαρακτηριστική ενός συνόλου κυττάρων που δεν έχουν ακριβώς ίδια χαρακτηριστικά δεν εξάγεται με απλές προσθέσεις. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η χαρακτηριστική I-V δύο ηλιακών κυττάρων με ανόμοια χαρακτηριστικά που συνδέονται σε σειρά. Σχήμα 2.25: Σειριακή σύνδεση δύο ανόμοιων ηλιακών κυττάρων και η επίδραση στη συνολική τάση. Σχήμα 2.26:Μία προσεγγιστική μέθοδος για την εκτίμηση του συνολικού Isc δύο ανόμοιων κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά. Η χαρακτηριστική του ενός κυττάρου αντιστρέφεται ως προς τον άξονα του ρεύματος και η προβολή του σημείου τομής των δύο καμπυλών στον άξονα αυτόν αντιστοιχεί στο συνολικό Isc. 30

45 Αντίστοιχα παρουσιάζεται και η χαρακτηριστική I-V δύο ηλιακών κυττάρων με ανόμοια χαρακτηριστικά συνδεμένων παράλληλα. Σχήμα 2.27: Παράλληλη σύνδεση δύο ανόμοιων ηλιακών κυττάρων και η επίδραση στο συνολικό ρεύμα. Σχήμα 2.28:Μία προσεγγιστική μέθοδος για την εκτίμηση της συνολικής Voc δύο ανόμοιων κυττάρων συνδεδεμένων παράλληλα. Η χαρακτηριστική του ενός κυττάρου αντιστρέφεται ως προς τον άξονα της τάσης και η προβολή του σημείου τομής των δύο καμπυλών στον άξονα αυτόν αντιστοιχεί στο συνολικό Voc. 31

46 Για την ανάλυση μίας συστοιχίας τέτοιων κυττάρων τα μοντέλα των επί μέρους κυττάρων συνδέονται ηλεκτρικά σε σειρά και παράλληλα αντίστοιχα, με τη βοήθεια ενός επιπρόσθετου R-L-C κυκλώματος που παριστά τις ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ κυττάρων, πλαισίων κτλ. Μία τέτοια ανάλυση και στις πιο απλές περιπτώσεις καταφεύγει στη βοήθεια υπολογιστή. Συμπερασματικά, ισχυρές αποκλίσεις από την προσαρμογή των χαρακτηριστικών των κυττάρων μίας συστοιχίας, είναι δυνατόν να προκαλέσουν απώλεια της ικανότητας παραγωγής ισχύος από τα καλύτερα από άποψη χαρακτηριστικών κύτταρα. Η μη προσαρμογή δηλαδή των χαρακτηριστικών των κυττάρων μίας συστοιχίας συνεπάγεται ότι η συνολική ισχύς εξόδου θα είναι μικρότερη από το άθροισμα των ισχύων των επί μέρους κυττάρων. Η απώλεια αυτή ισχύος που καλείται απώλεια προσαρμογής (mismatch loss) είναι ένα φαινόμενο με μεγάλο ενδιαφέρον, ιδιαίτερα για κύτταρα συνδεδεμένα σε σειρά. Το Σχήμα που ακολουθεί δείχνει την I-V χαρακτηριστική μίας αλυσίδας από 48 blocks (ένας αριθμός κυττάρων συνδεδεμένων παράλληλα αποτελεί ένα block) στην οποία διάφορα blocks σκιάζονται, καθένα σε διαφορετικό ποσοστό, ενώ το περισσότερο σκιασμένο block φωτίζεται σε ποσοστό r. Η γραφική λύση δίνεται για διάφορες τιμές του r (διακεκομμένες καμπύλες). Οι αντίστοιχες συνεχείς καμπύλες προκύπτουν από πειραματικές μετρήσεις. Σχήμα 2.29: I-V χαρακτηριστική μερικώς σκιασμένης αλυσίδας Η μη προσαρμογή των χαρακτηριστικών των κυττάρων μίας συστοιχίας, εκτός από μείωση της ισχύος εξόδου, είναι δυνατόν να προκαλέσει και ένα άλλο φαινόμενο ιδιαίτερα σημαντικό, που καλείται φαινόμενο hot spot, το οποίο μπορεί να είναι καταστροφικό για τα κύτταρα. Το φαινόμενο αυτό θα αναλυθεί στο επόμενο Κεφάλαιο. 32

47 Κεφάλαιο 3 Φαινόμενο Hot Spot 3.1 Εξήγηση του φαινομένου Για διάφορες αιτίες τα κύτταρα ενός πλαισίου ή μιας συστοιχίας δεν έχουν τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά, αλλά παρουσιάζουν μια στατιστική κατανομή των παραμέτρων τους. Οι αιτίες της μη προσαρμογής των χαρακτηριστικών των κυττάρων είτε ενυπάρχουν και οφείλονται σε κατασκευαστικούς λόγους κατά τη μαζική παραγωγή τους, είτε προκύπτουν κατά τη λειτουργία τους. Ολική ή μερική σκίαση ενός ή περισσότερων κυττάρων μπορεί να οφείλεται σε δένδρα, κτίρια, πουλιά κ.λπ. Άλλη αιτία είναι η θραύση ενός ή περισσότερων κυττάρων και μπορεί να οφείλεται σε διαφορετική διαστολή μεταξύ του κυττάρου και του υλικού πάνω στο οποίο στηρίζεται, σε χαλάζι ή σε ελαττωμένη αντοχή που προέκυψε κατά τη διάρκεια της κατασκευής του ή της ενσωμάτωσής του στο πλαίσιο. Η μη προσαρμογή των χαρακτηριστικών των κυττάρων μίας συστοιχίας εκτός από μείωση της ισχύος εξόδου όπως αναφέρθηκε, είναι δυνατόν να προκαλέσει και το φαινόμενο hot spot το οποίο οφείλεται σε ανάστροφη πόλωση ενός ή περισσότερων κυττάρων και συνεπάγεται ην υπερθέρμανσή τους, η οποία πολλές φορές μπορεί να είναι καταστροφική. Το φαινόμενο hot spot λαμβάνει χώρα όταν ένα (ή περισσότερα) ηλιακό κύτταρό ενός πλαισίου παράγει μικρότερο ρεύμα από το ρεύμα της αλυσίδας στην οποία βρίσκεται. Αυτό οφείλεται σε ολική ή μερική σκίαση του κυττάρου, σε πιθανή ζημιά που μπορεί να έχει υποστεί ή σε μη προσαρμογή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των ηλιακών κυττάρων, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Επομένως το φαινόμενο hot spot συμβαίνει όταν το ρεύμα της αλυσίδας, δηλαδή το ρεύμα βραχυκύκλωσης των υπολοίπων κυττάρων υπερβαίνει το ρεύμα βραχυκύκλωσης του σκιασμένου ή ελαττωματικού κυττάρου (ή ομάδας κυττάρων) εντός του πλαισίου. Όταν π.χ. μία αλυσίδα από κύτταρα βραχυκυκλωθεί, τα καλά κύτταρα προσπαθούν να επιβάλλουν στο χειρότερο από άποψη χαρακτηριστικών ή σκιασμένο κύτταρο μεγαλύτερο ρεύμα απ ότι αυτό μπορεί να δώσει. 33

48 Τότε, το ελαττωματικό κύτταρο (ή κύτταρα) πολώνεται ανάστροφα με αποτέλεσμα να η τάση στα άκρα του να είναι ίση και αντίθετη με το άθροισμα των τάσεων των υπολοίπων κυττάρων της αλυσίδας, σύμφωνα με τον κανόνα τάσεων του Kirchhoff, όπως φαίνεται και στο παρακάτω Σχήμα: Σχήμα 3.1: Ανάστροφη πόλωση του ελαττωματικού κυττάρου σε μία βραχυκυκλωμένη αλυσίδα Υπό αυτές τις συνθήκες, το ελαττωματικό που πλέον λειτουργεί σα μία δίοδος ανάστροφα πολωμένη, αντί να παράγει, καταναλώνει ισχύ. Έτσι, είναι δυνατόν στο κύτταρο αυτό να καταναλώνεται ισχύς ίση με αυτήν που μπορούν να παράγουν τα υπόλοιπα κύτταρα της αλυσίδας. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να προκαλέσει υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας τοπικά στο ελαττωματικό κύτταρο με πιθανό αποτέλεσμα τη θραύση του πλαισίου ή ακόμα και την πλήρη καταστροφή του. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να φανεί μελετώντας την τυπική I-V χαρακτηριστική ενός ηλιακού κυττάρου σε όλο το εύρος τάσης. Σχήμα 3.2: I-V χαρακτηριστική ενός ηλιακού κυττάρου σε όλο το εύρος τάσης 34

49 Όπως προκύπτει και από το Σχήμα 3.2, για ορθή πόλωση η χαρακτηριστική εκτείνεται έως την τιμή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος, δηλαδή έως τα 0.6 V περίπου, ενώ στην περιοχή ανάστροφης πόλωση είναι πολύ πιο εκτενής, περιορίζεται δε από την τάση κατάρρευσης. Ειδικότερα, αν P s : η ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω σε ένα κύτταρο, P E :η ηλεκτρική ισχύς που δίνεται στη έξοδο του κυττάρου, που προκύπτει σαν το γινόμενο του ρεύματος επί την τάση στην έξοδο και P R : ισχύς που συνεισφέρει στη θέρμανση του κυττάρου, διακρίνουμε τις εξής περιπτώσεις: Για θετική τάση στην έξοδο του κυττάρου, το ρεύμα και η ισχύς στην έξοδο μεταβάλλονται σα συνάρτηση της τάσης όπως φαίνεται στα Σχήματα α) και β) αντίστοιχα, ενώ για το ενεργειακό ισοζύγιο ισχύει η εξίσωση P R = P s - P E και όπως φαίνεται στο Σχήμα γ) όταν το κύτταρο λειτουργεί στο σημείο μέγιστης ισχύος, η καμπύλη P R (V) παρουσιάζει ελάχιστο. Σχήμα 3.3 : Σχέσεις μεταξύ της τάσεως και της ισχύος σε ένα κύτταρο 35

50 Για αρνητική τάση στην έξοδο του κυττάρου (κύτταρο ανάστροφα πολωμένο), η ισχύς στην έξοδο του κυττάρου είναι αρνητική, που σημαίνει πως το κύτταρο καταναλώνει ισχύ. Για το ενεργειακό ισοζύγιο ισχύει η εξίσωση P R = P s - (-P E ) = P s + P E και όπως φαίνεται στο Σχήμα γ) η P R αυξάνεται όσο η ανάστροφη πόλωση αυξάνεται. Στην περίπτωση πλήρως σκιασμένου κυττάρου ισχύει P s =0, επομένως P R = P E και κατά συνέπεια η καμπύλη P R (V) υφίσταται μόνο στα αριστερά της αρχής των αξόνων. Για μικρές τιμές ανάστροφης τάσης, το ρεύμα είναι προσεγγιστικά γραμμική συνάρτηση της τάσης (Ωμική συμπεριφορά). Καθώς η τιμή της ανάστροφης τάσης αυξάνεται και η επαφή καταρρέει και άγει μεγάλο ρεύμα το οποίο συγκεντρώνεται τοπικά με αποτέλεσμα μεγάλη κατανάλωση ισχύος και εστιακή αύξηση της θερμοκρασίας. Αν η τιμή του ρεύματος ξεπεράσει μία κρίσιμη τιμή, τότε προκαλείται στο κύτταρο μη αναστρέψιμη ζημιά. Η αύξηση της έντασης του ρεύματος τοπικά σε ένα κύτταρο προκαλεί υπερθέρμανση με θερμοκρασίες άνω των 150 ºC οι οποίες υπερβαίνουν την κρίσιμη θερμοκρασία κυττάρων των εμπορικά διαθέσιμων πλαισίων. 3.2 Προσδιορισμός των κυττάρων με την υψηλότερη και τη χαμηλότερη R SH Τα ανάστροφα χαρακτηριστικά των ηλιακών κυττάρων μπορεί να διαφέρουν σημαντικά. Ορισμένα κύτταρα μπορεί να έχουν υψηλή R SH, περίπτωση κατά την οποία η επίδοση σε ανάστροφη πόλωση περιορίζεται από την τάση, ενώ άλλα κύτταρα έχουν χαμηλή R SH, όπου η επίδοση σε συνθήκες ανάστροφης πόλωσης περιορίζεται από το ρεύμα. Έντονα προβλήματα hot spot δύναται να παρουσιαστούν σε αυτούς τους δύο τύπους κυττάρων, με διαφορετικό όμως τρόπο στον καθένα. 36

51 Συγκεκριμένα: Για τα κύτταρα με χαμηλή R SH : Στα κύτταρα αυτά το φαινόμενο hot spot είναι τοπικό, καθώς η υπερθέρμανση οφείλεται στο ότι μεγάλη ποσότητα ρεύματος ρέει σε μία μικρή περιοχή. Τα κύτταρα με τη χαμηλότερη R SH έχουν πολύ μεγάλη πιθανότητα να παρουσιάσουν υπερβολικά υψηλές θερμοκρασίες σε περιορισμένες περιοχές, όταν βρεθούν σε συνθήκες ανάστροφης πόλωσης. Η χειρότερη κατάσταση σκίασης είναι συμβαίνει όταν ολόκληρο το κύτταρο (ή ένα πολύ μεγάλο τμήμα του) σκιάζεται. Εφ όσον το φαινόμενο είναι τοπικό, η υπερθέρμανση σε αυτόν τον τύπο κυττάρων λαμβάνει χώρα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Για τα κύτταρα με υψηλή R SH : Τα κύτταρα αυτά περιορίζουν τη ροή του ανάστροφου ρεύματος, με αποτέλεσμα την κατανάλωση ηλεκτρικής ισχύος (μετατροπή μεγάλου μέρους της ηλεκτρικής ισχύος σε θερμική) και επομένως την έκλυση θερμότητας. Προφανώς τα κύτταρα με την υψηλότερη R SH θα παρουσιάζουν και τη μεγαλύτερη κατανάλωση ισχύος. Η χειρότερη κατάσταση σκίασης συμβαίνει όταν ένα μικρό μόνο τμήμα του κυττάρου σκιάζεται, καθώς τότε το κύτταρο θερμαίνεται περισσότερο. Η εμπειρία έχει δείξει πως όταν σκιάζεται ένα μικρό ποσοστό της επιφάνειας του κυττάρου, τότε αυξάνεται το ρεύμα του σε ανάστροφη πόλωση και επομένως και η θερμοκρασία του. Αντιθέτως, σε περίπτωση πλήρους σκίασης ή σκίασης σε μεγάλο ποσοστό σε ένα κύτταρο με υψηλή R SH, το μεγαλύτερο μέρος του ανάστροφου ρεύματος ρέει μέσω της διόδου παράκαμψης κι έτσι το κύτταρο καταναλώνει ελάχιστη ισχύ. Καθώς η εξάπλωση της θερμότητας θα είναι ομοιόμορφη σε όλη την περιοχή του κυττάρου, θα περάσει κάποιος χρόνος μέχρι το κύτταρο να θερμανθεί σε τέτοιο βαθμό ώστε να πάθει κάποια βλάβη. Το σημαντικότερο τεχνικό ζήτημα για τον κατασκευαστή είναι να εντοπιστούν τα κύτταρα τα οποία έχουν είτε τις υψηλότερες είτε τις χαμηλότερες R SH και έπειτα να καθοριστούν οι χειρότερες συνθήκες σκίασης για τα κύτταρα αυτά. 37

52 Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις για τον καθορισμό των κυττάρων με την υψηλότερη και τη χαμηλότερη R SH. Σε περίπτωση που οι δίοδοι παράκαμψης μπορούν να αφαιρεθούν από τα πάνελ, τα κύτταρα με χαμηλή R SH μπορούν να εντοπιστούν, πολώνοντας αντίστροφα κάθε αλυσίδα και χρησιμοποιώντας μία κάμερα με υπέρυθρες, ώστε να παρατηρηθούν τα σημεία στα οποία υπάρχει μεγάλη αύξηση της θερμοκρασίας. Εάν επίσης το κύκλωμα των κυττάρων είναι προσβάσιμο, τότε μπορεί να μετρηθεί άμεσα το ρεύμα σε ένα σκιασμένο κύτταρο. Ωστόσο στα περισσότερα πάνελ οι δίοδοι παράκαμψης είναι μη μεταθετές και επιπρόσθετα το κύκλωμα των κυττάρων δεν είναι πάντα προσβάσιμο. Ως εκ τούτου απαιτείται μία μη παρεμβατική μέθοδος η οποία να μπορεί να εφαρμοστεί σε όλα τα πάνελ. Η επιλεχθείσα μέθοδος βασίζεται στη μελέτη της I-V καμπύλης του εξεταζόμενου πάνελ, στο οποίο σκιάζεται σε ίδιο ποσοστό, ξεχωριστά κάθε κύτταρο στη σειρά. Για κάθε σκιασμένο κύτταρο λαμβάνεται και η αντίστοιχη I-V καμπύλη του πάνελ. Το σύνολο των καμπυλών που λαμβάνονται, απεικονίζεται σε κοινούς άξονες V-I, συγκρινόμενο με τη χαρακτηριστική I-V του πάνελ υπό συνθήκες μηδενικής σκίασης (κόκκινη καμπύλη), όπως φαίνεται παρακάτω: Σχήμα 3.4: Χαρακτηριστικές I-V ενός πάνελ για διαδοχική σκίαση σε ένα κύτταρο κάθε φορά Στο παραπάνω διάγραμμα, κάθε καμπύλη που έχει ληφθεί παρουσιάζει ένα σημείο καμπής (σπάσιμο). To σημείο αυτό δείχνει τη στιγμή κατά την οποία η δίοδος παράκαμψης αρχίζει να άγει. Ορίζουμε ως I mp το ρεύμα του μελετώμενου πάνελ, όταν το πλαίσιο δε σκιάζεται και παράγει τη μέγιστη ισχύ. 38

53 Τότε στο κύτταρο με τη χαμηλότερη R SH αντιστοιχεί η καμπύλη η οποία σπάει σε τιμή ρεύματος η οποία είναι η πλησιέστερη στο I mp. Αντίστοιχα η καμπύλη που σπάει σε τιμή ρεύματος που είναι η πιο μακρινή στο I mp προκύπτει από τη σκίαση του κυττάρου με την υψηλότερη R SH. Η διαδικασία που μόλις περιγράφηκε έχει το πλεονέκτημα πως μπορεί να εφαρμοστεί με τον ίδιο τρόπο σε κάθε πλαίσιο, οποιαδήποτε συνδεσμολογία και αν έχει χρησιμοποιηθεί για τα κύτταρά του(πόσα είναι συνδεδεμένα παράλληλα και πόσα σε σειρά). Επιπλέον, η αξιοπιστία των αποτελεσμάτων της μεθόδου αυτής είναι ανεξάρτητη από το κύκλωμα των κυττάρων σε κάθε πλαίσιο και από το πώς είναι διευθετημένες οι δίοδοι παράκαμψης. 3.3 Καθορισμός της χειρότερης περίπτωσης hot spot των κυττάρων που επιλέχθηκαν λόγω συνθηκών σκίασης. Εκτός από το επίπεδο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, η καταναλισκόμενη ισχύς σε ένα σκιασμένο κύτταρο εξαρτάται άμεσα και από το βαθμό σκίασής του. Το επόμενο βήμα που πρέπει να ακολουθηθεί, είναι ο προσδιορισμός η χειρότερη περίπτωση σκίασης για τα κύτταρα με τις υψηλότερες και χαμηλότερες R SH, τα οποία έχουν εντοπισθεί από την προηγούμενη διαδικασία. Υπάρχουν δύο προσεγγίσεις για τον καθορισμό των χειρότερων συνθηκών σκίασης. 1) Εάν το κύκλωμα των κυττάρων ενός πλαισίου είναι προσβάσιμο, τότε το ρεύμα που διαρρέει ένα σκιασμένο κύτταρο μπορεί να μετρηθεί απευθείας. Ανάλογα με το ποσοστό σκίασης, λαμβάνεται και μία διαφορετική τιμή ρεύματος βραχυκύκλωσης I SC του κυττάρου που εξετάζεται. Αρχικά το κύτταρο σκιάζεται πλήρως (100%) και σταδιακά το ποσοστό σκίασης μειώνεται. σκιάζεται Το χειρότερο ποσοστό σκίασης του κυττάρου, είναι εκείνο για το οποίο η τιμή του I SC συμπίπτει όσο δυνατόν περισσότερο με την τιμή του I mp (όπως αυτό ορίστηκε στην προηγούμενη ενότητα). 39

54 2) Εάν το κύκλωμα των κυττάρων του πλαισίου δεν είναι προσβάσιμο, δεν μπορούν να γίνουν απευθείας μετρήσεις στο ρεύμα βραχυκύκλωσής του, καθώς σε περίπτωση που το κύτταρο σκιάζεται, το ανάστροφο ρεύμα θα ρέει μέσω των διόδων παράκαμψης όπως θα αναλυθεί παρακάτω. Η προτεινόμενη διαδικασία έχει ως εξής: Σκιάζεται ξεχωριστά καθένα από τα κύτταρα που έχουν επιλεχτεί να εξεταστούν με βάση την προηγούμενη ενότητα, σε διαφορετικά ποσοστά σκίασης, για παράδειγμα 100%, 75%, 50%, 25%, 10% και λαμβάνεται η αντίστοιχη I-V καμπύλη του πλαισίου για κάθε ποσοστό σκίασης, σε κοινούς άξονες V,I. Η απεικόνιση των I-V καμπυλών για τα ποσοστά σκίασης που αναφέρθηκαν, φαίνεται στο σχήμα που ακολουθεί: Σχήμα 3.5: I-V χαρακτηριστική ενός πλαισίου για διαφορετικά ποσοστά σκίασης σε συγκεκριμένο κύτταρο Με βάση αυτήν την απεικόνιση, μπορούμε να προσδιορίσουμε τη χειρότερη περίπτωση σκίασης με παρόμοια αρχή με αυτήν που ακολουθείται και στην Περίπτωση 1), δηλαδή: η χειρότερη περίπτωση σκίασης αντιστοιχεί στην καμπύλη I-V για την οποία το ρεύμα του σκιασμένου πλαισίου στο σημείο που η δίοδος αρχίζει να άγει, συμπίπτει περισσότερο με το ρεύμα I mp που θα έχει το πλαίσιο στο σημείο μέγιστης ισχύος του όταν δε σκιάζεται καθόλου. 40

55 3.4 Δίοδοι παράκαμψης Το Σχήμα που ακολουθεί αντιστοιχεί στην περίπτωση δύο κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά, εκ των οποίων το κύτταρο #1 σκιάζεται μερικώς, ενώ το #2 είναι πλήρως φωτισμένο. Η χαρακτηριστική I-V του Σχήματος 3.6 α) αντιστοιχεί στην περίπτωση που το κύτταρο #1 έχει μεγάλη τάση κατάρρευσης στην ανάστροφη πόλωση, ενώ η I-V του Σχήματος 3.6 β) αντιστοιχεί στην περίπτωση που το κύτταρο #1 έχει μικρή (σχεδόν μηδενική) τάση κατάρρευσης στην ανάστροφη πόλωση. Σχήμα 3.6: Χαρακτηριστική I-V δύο κυττάρων συνδεδεμένων σε σειρά εκ των οποίων το ένα σκιάζεται Μελετώντας τα δύο σχήματα μπορούμε να βγάλουμε ένα συμπέρασμα για το πώς μπορούμε να μειώσουμε την απώλεια ισχύος σε περίπτωση σκίασης. Αν δηλαδή ένα κύτταρο ή ένα block μίας αλυσίδας αποτελούμενης από κύτταρα ή blocks σκιάζεται, μπορούμε να μειώσουμε την απώλεια ισχύος αν χρησιμοποιήσουμε κύτταρα με μικρή τάση κατάρρευσης στην ανάστροφη πόλωση. Το συμπέρασμα αυτό οδήγησε στην ιδέα να δημιουργηθεί τεχνητά αυτή η επιθυμούμενη μικρή τάση κατάρρευσης με τη βοήθεια διόδων παράκαμψης. Στην ουσία η παρουσία της διόδου παράκαμψης περιορίζει την τάση στα άκρα ενός κυττάρου ανάστροφα πολωμένου στα 0.7 V, ώστε να καταναλώνεται λιγότερη ισχύς, όπως φαίνεται και στο Σχήμα που ακολουθεί: 41

56 Σχήμα 3.7: Χαρακτηριστική Ι-V ενός ηλιακού κυττάρου χωρίς (κόκκινη καμπύλη) και με δίοδο παράκαμψης (μπλε καμπύλη) Οι δίοδοι παράκαμψης συνδέονται, παράλληλα σε ηλιακά κύτταρα, ή σε Blocks από ηλιακά κύτταρα, ή σε αλυσίδες από Blocks. Το σχήμα που ακολουθεί, στο οποίο απεικονίζονται 2 κύτταρα συνδεδεμένα σε σειρά, είναι αντιπροσωπευτικό. Σχήμα 3.8: Δύο κύτταρα σε σειρά με τις αντίστοιχες διόδους παράκαμψης συνδεδεμένες παράλληλα σε αυτά 42

57 Θεωρούμε ότι το πάνω κύτταρο φωτίζεται πλήρως, άρα η δίοδος παράκαμψής του η οποία είναι ανάστροφα πολωμένη, δεν έχει καμία επίδραση. Θεωρούμε ωστόσο ότι ξαφνικά το κάτω κύτταρο σκιάζεται (ή για οποιονδήποτε λόγο έχει ανοιχτοκυκλωθεί), άρα πολώνεται ανάστροφα και αυτόματα η δίοδος παράκαμψης που είναι συνδεδεμένη παράλληλα σε αυτό, πολώνεται ορθά. Έτσι μέσω αυτής, επιτρέπεται η ροή του ρεύματος από το φωτιζόμενο κύτταρο προς τους ζυγούς, όπως φαίνεται στο παρακάτω Σχήμα: Σχήμα 3.9: Ροή ρεύματος σε δύο κύτταρα σε σειρά όταν το ένα εξ αυτών είναι ανάστροφα πολωμένο Στο σημείο αυτό θα εξετάσουμε ένα παράδειγμα μίας μερικώς σκιασμένης αλυσίδας από 48 blocks σε σειρά, που καθένα αποτελείται από 8 παράλληλα κύτταρα που φωτίζονται με κάποια ένταση ακτινοβολίας. Εξετάζουμε 3 περιπτώσεις με ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Θα συγκρίνουμε τις χαρακτηριστικές εξόδου της αλυσίδας για καθεμία από αυτές τις περιπτώσεις όταν τα κύτταρα διαθέτουν δίοδο παράκαμψης και όταν δε διαθέτουν. Αναφέρεται ότι αν η ολική ενεργός επιφάνεια του κυττάρου είναι A t και το φωτιζόμενο τμήμα της είναι Α i, το ρεύμα βραχυκύκλωσης στην έξοδο του μερικώς σκιασμένου κυττάρου είναι r I L όπου r = Α i /A t και I L το ρεύμα βραχυκύκλωσης του κυττάρου όταν αυτό δε σκιάζεται. 43

58 Περίπτωση Α: Σε κάθε block σκιάζεται ο ίδιος αριθμός κυττάρων ή επιφάνεια κυττάρων. Χωρίς διόδους παράκαμψης: Η περίπτωση αυτή είναι απλή και δεν παρουσιάζει δυσκολία στην κατασκευή της αντίστοιχης I-V καμπύλης γιατί ο λόγος r είναι ο ίδιος σε όλες τις εξισώσεις των S=48 blocks. Με διόδους παράκαμψης: Επειδή η περίπτωση αυτή είναι ανεξάρτητη από τα χαρακτηριστικά στην ανάστροφη πόλωση, τα αποτελέσματα είναι τα ίδια αυτά που εξάγονται εάν δεν υπήρχαν δίοδοι παράκαμψης. Περίπτωση Β: Ένα block είναι πλήρως σκιασμένο ενώ τα υπόλοιπα φωτίζονται. Χωρίς διόδους παράκαμψης: Στην περίπτωση αυτή η έξοδος της αλυσίδας είναι μηδέν. Με διόδους παράκαμψης: Η καμπύλη για την αλυσίδα προκύπτει από το άθροισμα των S-1=47 πλήρως φωτιζόμενων κυττάρων συν ένα σκιασμένο block., όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.10 για r=0, εφόσον το block σκιάζεται πλήρως. Πρέπει να τονισθεί ότι χάνεται μόνο η ισχύς (και η πτώση τάσης) που καταναλώνεται στη δίοδο. Η καμπύλη για όλες τις περιπτώσεις έχει προκύψει από πειραματικά δεδομένα. Σχήμα 3.10: I-V χαρακτηριστική για αλυσίδα blocks με διόδους παράκαμψης όταν ένα block σκιάζεται σε διάφορα ποσοστά και τα υπόλοιπα blocks φωτίζονται πλήρως 44

59 Περίπτωση Γ: Διάφορα blocks σκιάζονται, καθένα σε διαφορετικό ποσοστό, ενώ το περισσότερο σκιασμένο block φωτίζεται σε ποσοστό r. Χωρίς διόδους παράκαμψης: Στην περίπτωση αυτή, το περισσότερο σκιασμένο block περιορίζει τη συνολική έξοδο της αλυσίδας. Επομένως η έξοδος είναι ίση με S-1=47 blocks συν ένα σκιασμένο block. Η γραφική λύση αυτού του αθροίσματος δίνεται (για διακεκομμένες καμπύλες) για διάφορες τιμές του r στο Σχήμα Οι αντίστοιχες συνεχείς γραμμές προκύπτουν από πειραματικές μετρήσεις. Σχήμα 3.11: I-V χαρακτηριστική για αλυσίδα blocks χωρίς διόδους παράκαμψης όταν διάφορα blocks σκιάζονται, καθένα σε διαφορετικό ποσοστό, ενώ το περισσότερο σκιασμένο block φωτίζεται σε ποσοστό r. 45

60 Με διόδους παράκαμψης: Η καμπύλη I-V φαίνεται στο Σχήμα Σχήμα 3.12: I-V χαρακτηριστική για αλυσίδα blocks με διόδους παράκαμψης όταν διάφορα blocks σκιάζονται, καθένα σε διαφορετικό ποσοστό, ενώ το περισσότερο σκιασμένο block φωτίζεται σε ποσοστό r. Γενικότερα μπορούμε να παρατηρήσουμε πως εάν block μίας αλυσίδας σκιάζεται πλήρως, η I-V καμπύλη μετατοπίζεται στον άξονα της τάσης κατά ΔV=U+Vd, όπου U είναι η φωτοβολταϊκή τάση του block όταν φωτίζεται πλήρως και Vd είναι η πτώση τάσεως στη δίοδο που συνδέεται παράλληλα στο σκιασμένο block. 46

61 3.5 Παρατήρηση της θερμοκρασίας των Φ/Β πλαισίων μίας εγκατάστασης με χρήση θερμοκάμερας Όπως θα δείξουμε στο Κεφάλαιο 6, όπου γίνεται ανάλυση της μελέτης για την εγκατάσταση, όλα τα Φ/Β πλαίσια μίας εγκατάστασης θα πρέπει να τοποθετηθούν μέσα σε ένα τμήμα του διαθέσιμου χώρου στο οποίο θα υπάρχει μηδενική σκίαση ολόκληρο το χρόνο, προς αποφυγή φαινομένων hοt spot. Ωστόσο όπως αναφέραμε, τέτοια φαινόμενα μπορεί να προκύψουν και κατά τη διάρκεια της λειτουργίας της εγκατάστασης για λόγους που δεν έχουν σχέση με σκίαση. Για το λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητη η τακτική παρακολούθηση της θερμοκρασίας Φ/Β εγκατάστασης με χρήση θερμοκάμερας ώστε να εντοπιστούν και να αντιμετωπιστούν εγκαίρως τυχόν καταστάσεις φαινομένων hot spot. Στη συνέχεια παρατίθενται ορισμένες φωτογραφίες που έχουν ληφθεί με θερμοκάμερα και με όργανα καταγραφής της θερμοκρασίας σε πάνελ που λειτουργούν σωστά και σε άλλα που έχουν εμφανίσει είτε τοπικά είτε εκτεταμένα φαινόμενα hot spot. Εικόνα 3.1: Φωτογραφία πάνελ που δεν έχει εμφανίσει φαινόμενο hot spot 47

62 Εικόνα 3.2: Φωτογραφία πάνελ που έχει εμφανίσει τοπικό φαινόμενο hot spot Για την περίπτωση της Εικόνας 3.2 παρατίθεται και το αντίστοιχο διάγραμμα θερμοκρασίας δύο τμημάτων του πάνελ, στο οποίο φαίνεται καθαρά η τοπική αύξηση θερμοκρασίας λόγω hot spot στο συγκεκριμένο σημείο αλλά και η επίδραση γενικότερα στη θερμοκρασία όλης της αλυσίδας που περιέχει το ελαττωματικό κύτταρο. Σχήμα 3.13: Διάγραμμα θερμοκρασίας δύο τμημάτων του πάνελ για την περίπτωση της Εικόνας

63 Εικόνα 3.3: Φωτογραφία πάνελ με εμφάνιση hot spot σε πολλά κύτταρα Η φωτογραφία που ακολουθεί δείχνει μία ομάδα από 4 πάνελ που δεν έχουν εμφανίσει φαινόμενο hot spot, ωστόσο όλα στο ίδιο σημείο έχουν εμφανίσει τοπική αύξηση της θερμοκρασίας λόγω των κουτιών διακλάδωσης στο πίσω μέρος τους. Εικόνα 3.4: Φωτογραφία ομάδας πάνελ με τοπική τοπική αύξηση της θερμοκρασίας λόγω των κουτιών διακλάδωσης στο πίσω μέρος τους. 49

64 Τέλος φαίνεται η παρουσίαση φαινομένου hot spot σε ένα σημείο ενός πάνελ λόγω ύπαρξης σκόνης στο προστατευτικό γυαλί καθώς και το τρισδιάστατο διάγραμμα θερμοκρασίας του πάνελ, στο οποίο φαίνεται καθαρά η αυξημένη θερμοκρασία σε ένα μεγάλο τμήμα του. Εικόνα 3.5: Εμφάνιση hot spot λόγω σκόνης στο προστατευτικό γυαλί Σχήμα 3.14: Τρισδιάστατο διάγραμμα θερμοκρασίας πάνελ με σκόνη τοπικά πάνω στο προστατευτικό γυαλί 50

65 Με τη βήθεια της θερμοκάμερας, εκτός από την καταγραφή κάποιου φαινμένυ hot spot, μπορούμε να δούμε και την ορθή λειτουργία των διόδων παράκαμψης ενός πάνελ. Σε περίπτωση που παρουσιαστεί πρόβλημα σε κάποιο κύτταρο ή ομάδα κυττάρων, οι δίοδοι πρέπει να άγουν το ρεύμα των προβληματικών κυττάρων. Αυτό θα έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας τους. Η περίπτωση αυτή φαίνεται στην επόμενη εικόνα, όπου έχουν ενεργοποιηθεί όλες οι δίοδοι παράκαμψης ενός πάνελ. Εικόνα 3.6: Φωτογραφία πάνελ με αναμμένες τις διόδους παράκαμψης όλων των block 51

66 52

67 Κεφάλαιο 4 Inverters 4.1 Εισαγωγή Το κύριο στοιχείο κάθε ΦΒ συστήματος διασυνδεδεμένου με το δίκτυο είναι ο Φ/Β αντιστροφέας (inverter). Η κύρια λειτουργία του inverter είναι η μετατροπή του συνεχούς ρεύματος (Direct Current-DC), που παράγεται από την Φ/Β συστοιχία, σε εναλλασσόμενο ρεύμα (Alternating Current-AC), που παρέχει ισχύ στο δίκτυο. Στις μέρες μας η συμβολή της Φ/Β τεχνολογίας στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι χαμηλή, όμως λόγω των συνεχώς μειούμενων τιμών των Φ/Β συστημάτων η τεχνολογία αυτή κερδίζει έδαφος, καθιστώντας τη Φ/Β βιομηχανία όλο και πιο επικρατή και αναπτυσσόμενη. Προκειμένου η Φ/Β τεχνολογία να καθιερωθεί και να αποτελέσει σημαντική πηγή ενέργειας στο μέλλον, είναι πολύ σημαντικό να επιτευχθεί μείωση του κόστους παραγωγής των Φ/Β συστημάτων και παράλληλη αύξηση της αποδοτικότητας και της αξιοπιστίας τους. Γνωρίζοντας ότι το κόστος των inverter αποτελεί περίπου το 15-25% του συνολικού κόστους ενός Φ/Β συστήματος και η λειτουργία τους είναι ένας πολύ σημαντικός γνώμονας για την αξιοπιστία του συστήματος, είναι προφανές ότι οποιεσδήποτε βελτιώσεις στα χαρακτηριστικά των inverter αποτελούν καθοριστικό παράγοντα για την εξέλιξη και το μέλλον των Φ/Β συστημάτων. Για το λόγο αυτό αρχικά θα παρουσιάσουμε τα βασικά μεγέθη ενός inverter, τόσο στην πλευρά εισόδου όσο και στην πλευρά εξόδου του. Έπειτα θα αναφερθούμε στις βασικές λειτουργίες τις οποίες πραγματοποιεί κάθε inverter σε ένα Φ/Β σύστημα καθώς και στους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί αυτός να συνδεθεί με τα Φ/Β πάνελ, ανάλογα με την περίσταση. Τέλος θα μελετήσουμε τις πιο διαδεδομένες τοπολογίες inverter, τη λειτουργία και τους περιορισμούς της κάθε τοπολογίας καθώς και πώς γίνεται έλεγχος των διαφόρων μεγεθών ώστε να αποφευχθούν τυχόν σφάλματα. 53

68 4.2 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός μετατροπέα Αρχικά θα αναφερθούμε σε ορισμένα βασικά ηλεκτρικά χαρακτηριστικά ενός inverter που χρειάζονται κυρίως για τη διαστασιολόγηση του συστήματος και την εκτίμηση της απόδοσής του Πλευρά εισόδου του μετατροπέα. ( Input side) Επί της ουσίας πρόκειται για την πλευρά του μετατροπέα που συνδέεται με την έξοδο της φωτοβολταϊκής συστοιχίας, η οποία παρέχει ισχύ υπόdc τάση και ρεύμα. Έτσι λοιπόν τα μεγέθη που θα παραθέσουμε σε αυτήν την ενότητα αναφέρονται στην DC πλευρά της συσκευής, δηλαδή σε συνεχές ρεύμα και τάση Κατάσταση λειτουργίας Ο μετατροπέας έχει ενσωματωμένες στην είσοδο του ηλεκτρονικές διατάξεις που επεξεργάζονται κατάλληλα το ρεύμα και την τάση εξόδου της Φ/Β συστοιχίας ώστε για κάθε χρονική στιγμή να απορροφάται η μέγιστη ισχύς από τη συστοιχία. Η παραγωγή και κατά συνέπεια η απορρόφηση μέγιστης ισχύος όπως είδαμε αντιστοιχεί στο MPP(Max Power Point) σημείο λειτουργίας. Με τη χρήση τέτοιων διατάξεων το σημείο λειτουργίας διατηρείται σταθερά στο MPP, προφανώς για τις εκάστοτε συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας. Η κατάσταση λειτουργίας του inverter επομένως λαμβάνεται να αντιστοιχεί πάντα στο MPP Ελάχιστη και μέγιστη MPP τάση Οι δύο αυτές χαρακτηριστικές τιμές της τάσης ορίζουν ένα παράθυρο τάσης, με άνω και κάτω όριο τάσης, μέσα στο οποίο ο inverter δύναται να αναζητήσει το MPP. Όταν καθορίζουμε την τάση ΜPP εξόδου της Φ/Β συστοιχίας, αυτή θα πρέπει να βρίσκεται μέσα στο παράθυρο τάσης του μετατροπέα. Το ΜPP όπως είδαμε καθορίζεται από την ρεύμα IMPP και την τάση VMPP. Τα μεγέθη αυτά παρέχονται από τους κατασκευαστές των πλαισίων αλλά αναφέρονται στις πρότυπες συνθήκες ελέγχου όπου η θερμοκρασία λειτουργίας των κυττάρων λαμβάνεται 25ºC. Στις πραγματικές συνθήκες όμως η θερμοκρασία λειτουργίας είναι συνήθως αρκετά μεγαλύτερη και 54

69 το MPP μετατοπίζεται. Έτσι μια καλή προσέγγιση για τον υπολογισμό του MPP της Φ/Β γεννήτριας ώστε να εξεταστεί αν αυτό βρίσκεται μέσα στο παράθυρο τάσης του inverter, είναι να λαμβάνεται η θερμοκρασία λειτουργίας τουλάχιστον 50 ºC με 60 ºC Μέγιστη τάση λειτουργίας Είναι η απόλυτη μέγιστη DC τάση κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες που μπορεί να δεχθεί στην είσοδό του ο μετατροπέας. Η μέγιστη τάση εξόδου της συστοιχίας δεν πρέπει να υπερβαίνει αυτή την τιμή. Πρέπει λοιπόν να εξετάζεται εάν η Voc της συστοιχίας είναι μικρότερη από το συγκεκριμένο όριο τάσης Κατώφλι ισχύος (Power threshold) Είναι η ελάχιστη ισχύς εισόδου που χρειάζεται ο inverter για να λειτουργήσει. Μπορεί να θεωρηθεί ότι είναι η ισχύς που καταναλώνει ο ίδιος ο inverter για τη λειτουργία του Μέγιστο φωτοβολταϊκό ρεύμα (I PVmax ) Είναι το απόλυτο μέγιστο αποδεκτό ρεύμα στην είσοδο του inverter. Για τη διαστασιολόγηση του συστήματος υπάρχει η απαίτηση το IMPP της συστοιχίας να είναι μικρότερο από την παραπάνω τιμή Πλευρά εξόδου του μετατροπέα (Output Side) Είναι η πλευρά του μετατροπέα που συνδέεται στο δίκτυο ή εν γένει στο φορτίο που τροφοδοτεί. Προφανώς στην πλευρά εξόδου έχουμε AC τάση και ρεύμα. Τα χαρακτηριστικά μεγέθη επομένως που παρουσιάζονται σε αυτήν την ενότητα αναφέρονται στην AC πλευρά του μετατροπέα Ονομαστική ισχύς Η ονομαστική ισχύς είναι ένα από τα πιο σημαντικά χαρακτηριστικά μεγέθη ενός inverter και ορίζεται ως η ισχύς που μπορεί αυτός να παρέχει διαρκώς στο δίκτυο. 55

70 Ονομαστική AC τάση Είναι η τάση υπό την οποία παρέχει την ονομαστική ισχύ του ο inverter στην έξοδό του. Εξαρτάται από την τάση του δικτύου για την οποία είναι σχεδιασμένος να συνδέεται ο inverter Ονομαστικό AC ρεύμα ισχύ. Είναι το ρεύμα που δίνει στην έξοδο του ο inverter για ονομαστική Μονοφασική ή τριφασική σύνδεση Αναφέρεται στον τρόπο σύνδεσης του μετατροπέα στην έξοδο του. Συνήθως έχουμε μονοφασική σύνδεση για μετατροπείς μικρότερους των 3kW ενώ τριφασική σύνδεση για μεγαλύτερους μετατροπείς Απόδοση του μετατροπέα Είναι ο λόγος της ισχύος στην έξοδο του μετατροπέα προς την ισχύ στην είσοδό του. Γενικά οι μετατροπείς χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση (93%-98%) η οποία όμως εξαρτάται από την στιγμιαία ισχύ. Υπάρχει η απαίτηση ένας μετατροπέας να έχει μεγάλη απόδοση ακόμα και για μικρή ισχύ λειτουργίας, συγκεκριμένα 90%, για 10% της ονομαστικής του ισχύος. Σημειώνεται ότι οι κατασκευαστές δίνουν την ευρωπαϊκή απόδοση, η οποία περιγράφει την απόδοση της συσκευής για τη μέση παραγωγή ισχύος σε συνθήκες λειτουργίας ενός έτους. 56

71 4.3 Συνδεσμολογίες Inverter-Πάνελ Θεωρώντας τους inverters και τα Φ/Β πλαίσια ως ένα σύστημα, υπάρχουν τέσσερις διαφορετικοί τρόποι σύνδεσης μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.1. Ως γνωστόν, πολλά πάνελ μπορούν να συνδεθούν σε σειρά δημιουργώντας μία αλυσίδα (string), ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη ισχύς εξόδου. Η τάση εξόδου για μία αλυσίδα από πάνελ μπορεί να είναι μεταξύ 150 και 1000 V στα σημερινά διασυνδεμένα Φ/Β συστήματα. Το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να διέλθει μέσα από μία αλυσίδα, εξαρτάται από το μέγεθος των κυττάρων από τα οποία αποτελούνται τα πάνελ που σχηματίζουν αυτήν την αλυσίδα. Σχήμα 4.1: Διαμορφώσεις Φ/Β συστημάτων Για να επιτευχθεί ακόμα υψηλότερη ισχύς εξόδου από τα πάνελ, μπορούν να συνδεθούν αλυσίδες παράλληλα, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 4.1.α). Η συνολική ισοδύναμη Φ/Β γεννήτρια που προκύπτει με αυτόν τον τρόπο συνδέεται σε έναν κεντρικό inverter και για το λόγο αυτό οι inverters που χρησιμοποιούνται σε αυτόν τον τρόπο σύνδεσης καλούνται κεντρικοί αντιστροφείς (central inverters). Είναι γεγονός ότι η διαμόρφωση αυτή, αν χρησιμοποιηθεί σε στέγες για μικρές 57

72 εγκαταστάσεις, παρουσιάζει μειονεκτήματα όπως είναι η απώλεια ισχύος λόγω προσαρμογής (mismatching losses) μεταξύ των πάνελ ή των αλυσίδων και η απουσία ξεχωριστού MPPT για κάθε αλυσίδα. Έτσι σε περιπτώσεις διαφορετικού προσανατολισμού των πάνελ ή σε συνθήκες σκίασης, υπάρχει σημαντική απώλεια της συνολικής ισχύος που λαμβάνεται από την εγκατάσταση. Ωστόσο η διαμόρφωση αυτή έχει και πλεονεκτήματα τα οποία είναι υψηλότερη απόδοση του inverter, καθώς αυτός λειτουργεί σε υψηλότερα επίπεδα ισχύος σε σχέση με τους inverters που χρησιμοποιούνται στις υπόλοιπες διαμορφώσεις που θα αναλυθούν παρακάτω, πιο απλή δομή και μικρότερο κόστος. Συνεπώς η διαμόρφωση με έναν κεντρικό inverter προτιμάται σε εγκαταστάσεις στις οποίες i)όλα τα πάνελ θα έχουν κοινό προσανατολισμό και ii)έπειτα από μελέτη σκίασης προκύπτει ότι τα πάνελ δε θα σκιάζονται. Τέτοιες εγκαταστάσεις γίνονται σε πάρκα και σε οροφές μεγάλων επιφανειών, όπου υπάρχει πολυτέλεια χώρου κι έτσι τα πάνελ μπορούν να τοποθετηθούν με βέλτιστο τρόπο. Οι κεντρικοί inverters έχουν μεγάλο εύρος ισχύος, καθώς υπάρχουν μικροί inverters με ισχύ που ξεκινά από τα 6 KW, για Φ/Β εγκαταστάσεις οροφών ή Φ/Β πάρκα ισχύος 100 kw, αλλά και inverters ισχύος kW, για Φ/Β σταθμούς παραγωγής δεκάδων MW. Κατασκευάζονται κατά βάση με τριφασική τοπολογία πλήρους γέφυρας (με χρήση IGBTs) και μετασχηματιστές χαμηλής συχνότητας. Όταν μελετάμε μία μικρή εγκατάσταση που πρόκειται να γίνει σε περιορισμένο χώρο, όπως στη σκεπή μίας κατοικίας, τα μειονεκτήματα της διαμόρφωσης με έναν κεντρικό inverter καθιστούν τη χρήση της διαμόρφωσης αυτής αρκετά περιοριστική. Ο λόγος είναι ότι προφανώς σε τέτοιες περιπτώσεις αφ ενός δύσκολα επιτυγχάνεται κοινός προσανατολισμός για όλα τα πλαίσια και αφ ετέρου κάποια από αυτά είναι πιθανό να σκιάζονται κάποια στιγμή της ημέρας. Σε τέτοιες περιπτώσεις λοιπόν συνίσταται η διαμόρφωση με αντιστροφείς σειράς (string inverters), όπως απεικονίζεται στο Σχήμα4.1.β). Στη διαμόρφωση αυτή δε γίνεται παράλληλη σύνδεση μεταξύ των αλυσίδων και κάθε αλυσίδα έχει δικό της inverter. Συνεπώς κάθε αλυσίδα είναι ανεξάρτητη από τις υπόλοιπες και έχει δικό της MPPT. Έτσι δύναται να ξεπεραστούν δυσκολίες σε εγκαταστάσεις με περιορισμένο χώρο. Φυσικά τα πλαίσια κάθε αλυσίδας θα πρέπει να έχουν τα ίδια χαρακτηριστικά. Η διαμόρφωση όμως με αντιστροφείς σειράς, των οποίων η ισχύς βρίσκεται στο εύρος kw, μπορεί να παρουσιάσει το μειονέκτημα μικρότερης απόδοσης σε σχέση με τους κεντρικούς αντιστροφείς λόγω λειτουργίας σε μικρότερα επίπεδα ισχύος ως προς την ονομαστική,.όπως περιγράψαμε παραπάνω. Οι inverters σειράς κατασκευάζονται συνήθως μονοφασικοί, λόγω των χαμηλών επιπέδων ισχύος στα οποία λειτουργούν, χωρίς αυτό να αποκλείει την ύπαρξη και τριφασικών 58

73 inverter αλυσίδας. Μία πολύ κλασσική τοπολογία είναι αυτή της πλήρους γέφυρας, με μετασχηματιστή χαμηλής συχνότητας στην AC πλευρά για γαλβανική απομόνωση. Ωστόσο νέες εξελίξεις γίνονται, με κατασκευή χωρίς μετασχηματιστή και με τη χρήση τοπολογιών που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια του κεφαλαίου. Μια τροποποίηση της διαμόρφωσης με inverters σειράς, αποτελεί η συνδεσμολογία του Σχήματος 4.1.γ) που χρησιμοποιεί inverters πολλαπλών σειρών (multistring inverters). Ο inverter πολλαπλών σειρών είναι ουσιαστικά ένας inverter σειράς με δύο ή τρεις εισόδους ο οποίος διαθέτει δικό του MPPT. Σε σχέση με τους inverters σειράς, οι inverters πολλαπλών σειρών πλεονεκτούν καθώς μπορούν να χειριστούν υψηλότερα επίπεδα ισχύος (1.5-6 KW) και επιπλέον η τάση που μπορούν να δεχτούν στην είσοδο ανήκει σε ένα ιδιαίτερα ευρύ φάσμα (λόγω του επιπλέον σταδίου DC/DC μετατροπής, δίνοντας έτσι μία σχετική άνεση και ευχέρεια στη σχεδίαση του Φ/Β συστήματος και για ια το λόγο αυτό είναι γενικά αποδεκτοί. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ο inverter της SB5000TL της SMA ο οποίος έχει 2 εισόδους, με αποδεκτό εύρος από 125V έως 550V και μέγιστη ισχύ 5 kw. Το μειονέκτημα ωστόσο των inverter πολλαπλών σειρών είναι ότι λειτουργούν με 2 στάδια μετατροπής προκειμένου να παρέχουν ξεχωριστή λειτουργία στις εισόδους τους κι έτσι υπάρχει μεγαλύτερη απώλεια ισχύος. Έτσι οι inverters αυτής της κατηγορίας εμφανίζουν μικρότερη απόδοση σε σχέση με τους inverters αλυσίδας. Εάν επιθυμούμε κάθε πάνελ να έχει τον δικό του MPPT, τότε προκύπτει η διαμόρφωση που απεικονίζεται στο Σχ. 4.1.δ) με κάθε inverter να έχει ως είσοδο την έξοδο ενός μόνο πλαισίου. Ένας τέτοιος inverter έχει χαμηλά επίπεδα ισχύος, της τάξης των W και επομένως αρκετά μικρότερο μέγεθος σε σχέση με τους inverters των συνδεσμολογιών που αναλύθηκαν παραπάνω. Επομένως είναι δυνατή η ενσωμάτωσή του ακόμα και στο σκελετό του πάνελ με το οποίο θα συνδέεται. Μία τέτοια διάταξη χαρακτηρίζεται ως AC-πάνελ η οποία, όπως μαρτυρά και η ονομασία της, μπορεί να συνδεθεί απ ευθείας με το δίκτυο εναλλασσόμενης τάσης. Είναι πολύ σημαντικό το γεγονός πως με τον τρόπο αυτό δε χρειάζονται DC καλώδια κι έτσι αποφεύγεται ο κίνδυνος εμφάνισης ηλεκτρικής εκκένωσης ή πυρκαγιάς εντός των καλωδίων αυτών. Παρ όλα αυτά, η μέθοδος ενσωμάτωσης ξεχωριστού inverter σε κάθε πλαίσιο δεν προτιμάται ιδιαίτερα, λόγω των μειονεκτημάτων που παρουσιάζει: Καθώς το επίπεδο ισχύος του κάθε inverter είναι αρκετά χαμηλό, συνεπάγεται πως κάθε μονάδα του συστήματος (πάνελ μαζί με inverter) θα έχει χαμηλή απόδοση και το σύστημα θα έχει αυξημένο κόστος, γεγονός που στις περισσότερες εφαρμογές επισκιάζει το πλεονέκτημα της παρουσίας ξεχωριστού MPPT σε κάθε πάνελ. Επιπλέον, το πακέτο πάνελ-inverter προϋποθέτει 59

74 τεχνολογία που να προσφέρει ίσα προσδόκιμα ζωής και για το πάνελ και για τον inverter. Η σημερινή τεχνολογία των inverter όμως δεν μπορεί να τους εξασφαλίσει ίση διάρκεια ζωής με τα πάνελ και γι αυτό η ομαδοποίηση αυτών των δύο μπορεί μετά από κάποιο καιρό να οδηγήσει σε βλάβη του πάνελ. Όταν το πρόβλημα με την εξίσωση των προσδόκιμων ζωής επιλυθεί, η μέθοδος αυτή της ομαδοποίησης μπορεί να γίνει ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα, λόγω των πλεονεκτημάτων της και της απλότητας που έχει στη χρήση και την εγκατάσταση. Εάν μάλιστα γίνει μαζική παραγωγή τέτοιων μονάδων, το μειονέκτημα της χαμηλής τους απόδοσης μπορεί να αντισταθμιστεί από το μειωμένο κόστος τους. 4.4 Δομές Φ/Β αντιστροφέων Για να γίνει πιο εύκολη η επεξήγηση των αναγκών, των δυνατοτήτων, αλλά και των περιορισμών των διάφορων τοπολογιών Φ/Β αντιστροφέων, θεωρείται σκόπιμο να γίνει μία παρουσίαση των βασικών λειτουργιών που επιτελεί ο inverter σε ένα Φ/Β σύστημα. Κάνοντας προς λόγο μόνο για τις λειτουργίες που αφορούν τη μετατροπή ισχύος με τη βοήθεια ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, αγνοώντας προς το παρών άλλες λειτουργίες όπως η παρακολούθηση διαφόρων ηλεκτρικών μεγεθών και η ασφάλεια, οι 5 βασικές υπηρεσίες που προσφέρει ένας inverter είναι οι εξής: Εύρεση του σημείου μέγιστης ισχύος της DC τάσης εισόδου (Max Power Point Tracking-MPPT): Ο inverter ελέγχει τη συνεχή τάση στην είσοδό του προκειμένου να οδηγεί τα Φ/Β πλαίσια να λειτουργούν κάθε στιγμή στο σημείο μέγιστης ισχύος τους (MPP). Το σημείο αυτό διαφέρει κάθε φορά ανάλογα με την ηλιακή ακτινοβολία, τις συνθήκες σκίασης και τη θερμοκρασία του κάθε πλαισίου για την εύρεσή του χρησιμοποιούνται εξελιγμένοι αλγόριθμοι. Για να είναι αποτελεσματική η διαδικασία MPPT, δεν αρκεί μόνο οι μέσες τιμές ρεύματος και τάσης να οδηγούνται προς το σημείο μέγιστης ισχύος, αλλά πρέπει να ληφθεί υπ όψιν και η συμπεριφορά σε υψηλές συχνότητες. Εάν η τοπολογία του εκάστοτε inverter εισάγει κάποια κυμάτωση τάσης στα Φ/Β τερματικά, η κυμάτωση αυτή πρέπει να κρατηθεί χαμηλή, ειδάλλως το σημείο λειτουργίας της Φ/Β συστοιχίας δε θα συμπίπτει συνεχώς με το σημείο μέγιστης ισχύος. Οι περισσότεροι αντιστροφείς αλυσίδας σχηματίζονται από τοπολογίες με ένα στάδιο (όπως η τοπολογία πλήρους γέφυρας) στις οποίες ο DC πλευρά είναι απευθείας συνδεδεμένος με τα πάνελ. 60

75 Ελέγχοντας το ρεύμα του δικτύου και συνεπώς την ισχύ που παρέχεται σε αυτό, η DC πλευρά μπορεί να επηρεαστεί αναλόγως. Ωστόσο συναντώνται και τοπολογίες με ξεχωριστό στάδιο μετατροπής DC/DC για τη διαδικασία MPPT. Όλα αυτά θα αναλυθούν στη συνέχεια. Αλλαγή του πλάτους της τάσης: Εάν το Φ/Β σύστημα παρέχει τάση η οποία είναι μικρότερη από την peak τιμή της τάσης του δικτύου, τότε o inverter πραγματοποιεί αύξηση (boost) στην τάση είτε στην έξοδό του με τη χρήση μετασχηματιστή, είτε στην είσοδό του μέσω ενός σταδίου DC/DC μετατροπής (boost converter). Διεπαφή της Φ/Β εγκατάστασης με το δίκτυο: Αυτή είναι η βασική λειτουργία ενός inverter. Οι inverters μπορεί να χρησιμοποιούν είτε την τοπολογία πλήρους γέφυρας με μετασχηματιστή στην AC πλευρά είτε άλλες τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή, όπως θα εξηγηθεί στη συνέχεια του Κεφαλαίου. Αποσύζευξη ισχύος ανάμεσα στη DC πλευρά και την AC πλευρά: Οι διακυμάνσεις ισχύος μεταξύ DC και AC πλευράς του inverter πρέπει να πρέπει να αποκόπτονται μέσω μίας μονάδας αποθήκευσης ενέργειας. Οι πιο κοινές μονάδες αποθήκευσης είναι πυκνωτές με ηλεκτρολύτη, σχηματίζοντας τον DC σύνδεσμο. Γαλβανική απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου: Μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση μετασχηματιστή. Μία κλασσική λύση είναι μετασχηματιστές που λειτουργούν με τη συχνότητα του δικτύου, οι οποίοι όμως έχουν αρκετά μειονεκτήματα, όπως μεγάλο βάρος, υψηλό κόστος, επιπλέον απώλειες και συντελεστή ισχύος μικρότερο της μονάδας κυρίως σε συνθήκες μικρού φορτίου όπως π.χ. μειωμένη ακτινοβολία. Έτσι νέες μέθοδοι υιοθετούν τη χρήση μετασχηματιστών με υψίσυχνη λειτουργία, καθώς μειώνεται το μέγεθος. Μία τρίτη προσέγγιση παραλείπει το μετασχηματιστή και κατ επέκταση τη γαλβανική απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου του inverter. Οι τοπολογίες των inverter χωρίς μετασχηματιστή χαρακτηρίζονται από υψηλή απόδοση, μειωμένο βάρος και χαμηλότερο κόστος. Οι τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή είναι εκείνες που μας ενδιαφέρουν και θα παρουσιαστούν αναλυτικά στη συνέχεια. 61

76 To ακόλουθο Σχήμα, το οποίο απεικονίζει το σχηματικό διάγραμμα σύνδεσης δύο διαφορετικών inverter, δείχνει τις 5 βασικές λειτουργίες κάθε αντιστροφέα που μόλις αναλύσαμε. Σχήμα 4.2: Παραδείγματα διαγραμμάτων σύνδεσης για inverters Ο αντιστροφέας πολλαπλών αλυσίδων του Σχήματος 4.2.α) χρησιμοποιεί 2 DC/DC μετατροπείς, για τη διασύνδεση του DC σύνδεσμο σε δύο ξεχωριστές DC εισόδους. Η διασύνδεση με το δίκτυο γίνεται χωρίς τη χρήση μετασχηματιστή και συνεπώς δεν υπάρχει γαλβανική απομόνωση μεταξύ εισόδου και εξόδου του inverter. Οι διαδικασίες της εύρεσης του MPP και της αλλαγής του πλάτους της τάσης γίνονται από τους DC/DC μετατροπείς. O DC σύνδεσμος που βρίσκεται ανάμεσα στο DC/DC στάδιο και στο DC/AC στάδιο πραγματοποιεί την αποσύζευξη ισχύος. Στο Σχήμα 4.2.β) απεικονίζεται τη συνδεσμολογία ενός κλασσικού inverter αλυσίδας. Το διάγραμμα αποτελείται από τη Φ/Β συστοιχία, τον DC σύνδεσμο, έναν αντιστροφέα πλήρους γέφυρας και ένα μετασχηματιστή που λειτουργεί με τη συχνότητα του δικτύου. Ο μετασχηματιστής παρέχει αλλαγή πλάτους της τάσης και γαλβανική απομόνωση, ενώ η διαδικασία MPPT γίνεται από τη γέφυρα του inverter. Μέσω του ελέγχου του AC ρεύματος, ελέγχεται η ισχύς που παρέχεται στο δίκτυο.. Εφ όσον η τάση στα άκρα του συνδέσμου ισούται με την τάση της Φ/Β γεννήτριας, τυχόν κυμάτωση της τάσης πρέπει να κρατηθεί χαμηλή ώστε η διαδικασία MPPT να είναι αποτελεσματική. 62

77 4.5 Τοπολογίες Φ/Β αντιστροφέων χωρίς μετασχηματιστή Όπως αναφέραμε και πριν, οι τοπολογίες χωρίς μετασχηματιστή (transformerless topologies) είναι μία ανερχόμενη τεχνολογία. Αυτό οφείλεται στο ότι αποφεύγεται η χρήση των μετασχηματιστών που λειτουργούν με τη συχνότητα του δικτύου, οι οποίοι είναι ογκώδεις, ακριβοί και προκαλούν απώλειες. Εκτός αυτών, περιορίζουν την ευχέρεια στον έλεγχο του ρεύματος που διοχετεύεται στο δίκτυο από τον inverter. Ειδικά σε συνθήκες χαμηλού φορτίου, η άεργος ισχύς που χρησιμοποιείται για τη μαγνήτιση του μετασχηματιστή οδηγεί στη μείωση του συντελεστή ισχύος. Ένας τρόπος να παραληφθεί ο ογκώδης μετασχηματιστής είναι η λειτουργία σε υψηλότερες συχνότητες, καθώς οι τοπολογίες με υψίσυχνο Μ/Τ αποτελεί μία καλή λύση όταν η γαλβανική απομόνωση είναι απαραίτητη, προϋπόθεση η οποία προς το παρόν πρέπει να πληρείται σε χώρες στις οποίες οι κανόνες ασφαλείας για τα Φ/Β συστήματα δεν μπορούν ακόμα να καλύψουν τις transformerless τοπολογίες. Όταν η γαλβανική απομόνωση δεν είναι απαραίτητη, οι τοπολογίες χωρίς Μ/Τ παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον, καθώς είναι απλούστερες, φθηνότερες και με υψηλότερη απόδοση. Στο σημείο αυτό όμως πρέπει να αναφερθούμε σε μία σημαντική παράμετρο των Φ/Β συστημάτων που πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στις τοπολογίες χωρίς Μ/Τ. Η παράμετρος αυτή είναι το ρεύμα διαρροής (leakage current), το οποίο ως παράσιτη AC συνιστώσα ρέει από τα πάνελ προς τη γη λόγω της παράσιτης χωρητικότητας που εμφανίζεται μεταξύ πάνελ και γης, αφού τα πάνελ είναι σε υψηλότερο δυναμικό. Το φαινόμενο αυτό απεικονίζεται στο Σχήμα 4.4, όπου φαίνεται η πιθανή παράσιτη χωρητικότητα που μπορεί να προκύψει από οποιοδήποτε πάνελ προς τη γη. Η χωρητικότητα αυτή τη έχει τυπικές τιμές pf, όμως μπορεί να αυξηθεί σημαντικά ανάλογα με το μήκος της Φ/Β συστοιχίας, τη δομή των μεταλλικών περιβλημάτων των πλαισίων ή λόγω υγρασίας και στρωμάτων σκόνης στην επιφάνεια των πλαισίων. Σε Φ/Β συστοιχίες λοιπόν που έχει πέσει νερό, έχουν μετρηθεί παράσιτες χωρητικότητες με τιμές κοντά στα 10 nf. Όσο η έκταση μίας Φ/Β συστοιχίας αυξάνει και όσο οι καιρικές συνθήκες το ευνοούν, οι τιμές της παράσιτης χωρητικότητας αυξάνονται περεταίρω, φτάνοντας τα nf/kw. Η χωρητικότητα αυτή λειτουργεί ως μονοπάτι προς τη γη για το ρεύμα διαρροής. 63

78 Η τιμή του ρεύματος αυτού, εκτός από το μέγεθος της παράσιτης χωρητικότητας ως προς τη γη εξαρτάται από την τοπολογία του inverter που χρησιμοποιείται σε ένα Φ/Β σύστημα και τον τρόπο λειτουργίας του. Σχήμα 4.4: Παράδειγμα ρεύματος διαρροής στον αντιστροφέα πλήρους γέφυρας Στο Σχήμα 4.4 απεικονίζεται η τοπολογία ενός μονοφασικού inverter πλήρους γέφυρας, στην οποία βασίζονται οι περισσότεροι inverters της αγοράς. Παρατηρώντας τη στρατηγική έναυσης της τοπολογίας, βλέπουμε πως όταν οι διακόπτες κλείνουν, η Φ/Β γεννήτρια συνδέεται με τον αγωγό του ουδετέρου ο οποίος σε κάποιο σημείο είναι γειωμένος. Έτσι το δυναμικό της συστοιχίας ως προς τη γη αλλάζει με τη συχνότητα αλλαγής των διακοπτών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ρεύμα διαρροής να ρέει μέσω της παράσιτης χωρητικότητας προς τη γη. Τα ρεύματα διαρροής αποτελούν κίνδυνο για το προσωπικό που βρίσκεται σε μία Φ/Β εγκατάσταση και για το λόγο αυτό πρέπει να περιορίζονται. Στην επόμενη ενότητα θα αναλυθεί η τοπολογία της πλήρους γέφυρας καθώς και οι βελτιωμένες τοπολογίες που εξάγονται από αυτήν και ο τρόπος που αντιμετωπίζουν το ρεύμα διαρροής και άλλα φαινόμενα. 64

79 Inverters που προέρχονται από την τοπολογία πλήρους γεφύρας (Full Bridge): Ο βασικός μετατροπέας πλήρους γέφυρας ήταν η πρώτη τοπολογία στην οποία χρησιμοποιήθηκαν ημιαγωγικά στοιχεία εξαναγκασμένης μετάβασης. Χρησιμοποιούνται τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις του αντιστροφέα πλήρους γεφύρας: Διπολική διαμόρφωση (bipolar) Μονοπολική διαμόρφωση (unipolar) Υβριδική διαμόρφωση (hybrid) Στην περίπτωση της διπολικής διαμόρφωσης τα διακοπτικά στοιχεία ανοίγουν και κλείνουν διαγώνια, δηλαδή ο S1 σύγχρονα με τον S4 και ο S3 σύγχρονα με τον S2. Το ρεύμα που παράγεται στην έξοδο φαίνεται στο Σχήμα 4.4: Σχήμα 4.4: Πλήρης γέφυρα με διπολική διαμόρφωση στην περίπτωση: (a) θετικού ρεύματος εξόδου και (b) αρνητικού ρεύματος εξόδου Το πλεονέκτημα του αντιστροφέα αυτού είναι ότι έχει πολύ μικρό ρεύμα διαρροής και μικρή ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή (EMI), λόγω του ότι η V PE έχει μόνο τη συνιστώσα της συχνότητας του δικτύου. 65

80 Τα μειονεκτήματα του όμως, που τον καθιστούν ακατάλληλο για χρήση σε Φ/Β συστήματα, είναι η μειωμένη απόδοση λόγω της ανταλλαγής αέργου ισχύος μεταξύ της χωρητικότητας C PV του DC συνδέσμου και της επαγωγής L (1,2) του φίλτρου στην AC πλευρά, οι υψηλότερες απαιτήσεις φιλτραρίσματος και οι υψηλές απώλειες πυρήνα που οφείλονται στη διπολική μεταβολή της τάσης στο φίλτρο (+V PV -V PV +V PV ). Στην περίπτωση μονοπολικής διαμόρφωσης, τα διακοπτικά στοιχεία κάθε τμήματος ανοίγουν και κλείνουν με δική τους συχνότητα αναφοράς. Εδώ τα στοιχεία των τμημάτων Α και Β ανοίγουν και κλείνουν με υψηλή συχνότητα αντικατοπτρισμένης ημιτονοειδούς αναφοράς. Στο σχήμα 4.5 φαίνονται οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων σε γέφυρα μονοπολικής διαμόρφωσης. Τα πλεονέκτημα αυτής της διαμόρφωσης είναι η υψηλή απόδοση λόγω των μειωμένων απωλειών στις καταστάσεις μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου και η μονοπολική μεταβολή της τάσης στο φίλτρο (0 +V PV 0 -V PV )που οδηγεί σε μειωμένες απώλειες πυρήνα. Επίσης, η κυμάτωση που οφείλεται στο διακοπτικό φαινόμενο στο ρεύμα είναι ίση με τη διπλάσια της διακοπτικής συχνότητας, οπότε έχουμε μικρότερες απαιτήσεις φιλτραρίσματος. Τα μειονεκτήματά της όμως είναι η μεγάλη ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή και το μεγάλο ρεύμα διαρροής, εξαιτίας υψηλών διακοπτικών συχνοτήτων που περιέχονται στη V PE. Συνεπώς ούτε η διαμόρφωση αυτή δεν είναι κατάλληλη για χρήση σε Φ/Β συστήματα. Σχήμα 4.5:Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στην πλήρη γέφυρα με μονοπολική διαμόρφωση όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (b) αρνητικό ρεύμα. 66

81 Στην περίπτωση της υβριδικής διαμόρφωσης, τα διακοπτικά στοιχεία του ενός τμήματος της γέφυρας ( πόδι ), ανοιγοκλείνουν με υψηλή συχνότητα (S3 και S4) και τα διακοπτικά στοιχεία του άλλου τμήματος με συχνότητα του δικτύου (S1και S2), όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.6: Σχήμα 4.6: Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στην πλήρη γέφυρα με υβριδική διαμόρφωση όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (b) αρνητικό ρεύμα. Τα πλεονεκτήματα αυτής της διαμόρφωσης είναι η υψηλή απόδοση και οι χαμηλές απώλειες στο φίλτρο από την μονοπολική μεταβολή της τάσης. Ωστόσο έχουμε υψηλό ρεύμα διαρροής και ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή, που την καθιστούν μη κατάλληλη για χρήση σε Φ/Β συστήματα. 67

82 Αντιστροφέας H5 Ένας τρόπος να αποφευχθεί η διακύμανση της τάσης της Φ/Β γεννήτριας, είναι η αποσύνδεση της DC πλευράς από την AC πλευρά κατά της περιόδους μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου. Η πρώτη τοπολογία που κάνει χρήση της ιδέας της απομόνωσης των δύο πλευρών, είναι αυτή του αντιστροφέα Η5, που παρουσιάστηκε από την SMA και ουσιαστικά αποτελεί έναν αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με ένα επιπλέον διακοπτικό στοιχείο (S5). Το κύκλωμα φαίνεται στο Σχήμα 4.7.Ο S5 απομονώνει τη Φ/Β συστοιχία από το δίκτυο στις περιόδους μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου, εξαλείφοντας τις υψηλές αρμονικές που περιέχονται στη V PE. Με την απομόνωση αυτή, εμποδίζεται και η ανταλλαγή αέργου ισχύος από τη χωρητικότητα του DC συνδέσμου στις επαγωγές των AC αγωγών κι έτσι αυξάνεται η απόδοση. Σχήμα 4.7:Η τοπολογία H5 Οι διακόπτες S2, S4 και S5 ανοίγουν και κλείνουν με υψηλή συχνότητα ενώ οι S1 και S3 με τη συχνότητα του δικτύου. 68

83 Σχήμα 4.8: Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα H5 όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (b) αρνητικό ρεύμα. Ο αντιστροφέας H5 εκμεταλλεύεται όλα τα πλεονεκτήματα της τοπολογίας της πλήρους γέφυρας με υβριδική διαμόρφωση και είναι κατάλληλος για χρήση σε Φ/Β συστήματα χωρίς Μ/Τ, λόγω της υψηλής του απόδοσης, του πολύ μικρού ρεύματος διαρροής και της περιορισμένης ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής. Διατίθεται εμπορικά από την SMA στις σειρές SunnyBoy 4000/5000 TL παρουσιάζοντας Ευρωπαϊκή απόδοση 97.7% και μέγιστη απόδοση 98%. 69

84 Αντιστροφέας HERIC Η δεύτερη τοπολογία που απομονώνει την DC πλευρά από την AC πλευρά στις περιόδους μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου είναι αυτή του αντιστροφέα HERIC η οποία απεικονίζεται στο Σχήμα 4.9. Παρουσιάστηκε από την Sunways και είναι επίσης ένας αντιστροφέας πλήρους γέφυρας με δύο IGBT back to back στην πλευρά του δικτύου. Σχήμα 4.9: Η τοπολογία HERIC Τα δύο IGBT απομονώνουν το δίκτυο από τη Φ/Β γεννήτρια.. Το μειονέκτημα εδώ σε σχέση με τον H5 είναι ότι χρησιμοποιούμε έναν παραπάνω διακόπτη. Τα διακοπτικά στοιχεία S1-S4 και S2-S3 ανοιγοκλείνουν με υψηλή συχνότητα, ενώ τα S+ και S- με τη συχνότητα του δικτύου. 70

85 Σχήμα 4.10: Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα HERIC όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (b) αρνητικό ρεύμα. Η τοπολογία του H5 χρησιμοποιεί ένα διακοπτικό στοιχείο λιγότερο από αυτήν του HERIC. Ωστόσο, όταν η Φ/Β γεννήτρια δίνει ισχύ στο δίκτυο, στον H5 άγουν 3 στοιχεία ενώ στο HERIC άγουν 2 στοιχεία. Ο αντιστροφέας HERIC εκμεταλλεύεται όλα τα πλεονεκτήματα της τοπολογίας της πλήρους γέφυρας με διπολική διαμόρφωση, βελτιώνοντας τη λειτουργία της. Θεωρείται και αυτός κατάλληλος για χρήση σε Φ/Β συστήματα χωρίς Μ/Τ για τους ίδιους λόγους με τον αντιστροφέα H5. Διατίθεται εμπορικά από τη Sunways στις σειρές ΑΤ (2.7-5 kw), παρουσιάζοντας Ευρωπαϊκή απόδοση 95% και μέγιστη απόδοση 95.6%. 71

86 Αντιστροφέας REFU Η Refu παρουσίασε την τοπολογία του Σχήματος 4.11, η οποία προέρχεται επίσης από την πλήρη γέφυρα. Χρησιμοποιεί δύο IGBT για παράκαμψη στην AC πλευρά και έναν DC-DC μετατροπέα-ανυψωτή (boost) τάσης με παράκαμψη στη DC πλευρά, ο οποίος ενεργοποιείται όταν η τάση της γεννήτριας είναι χαμηλότερη από την τάση του δικτύου. Η τοπολογία της Refu προσφέρει και αυτή τις δύο πολύ σημαντικές λειτουργίες των δύο προαναφερθεισών τοπολογιών, δηλαδή μέσω της απομόνωσης των δύο πλευρών κατά τις περιόδους μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου i) αποτρέπει την ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ της χωρητικότητας του DC συνδέσμου και της επαγωγής του φίλτρου στην AC πλευρά, αυξάνοντας την απόδοση και ii) απομονώνει τη Φ/Β γεννήτρια από το δίκτυο, εξαλείφοντας έτσι τις υψηλές αρμονικές της V PE. Έτσι η V PE έχει μόνο τη βασική συνιστώσα με συχνότητα δικτύου κι επομένως περιορίζονται το ρεύμα διαρροής και η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή. Τα μειονεκτήματα αυτής της τοπολογίας είναι ότι χρειάζεται διπλή DC τροφοδοσία και ότι έχει δύο επιπλέον διακοπτικά στοιχεία, που ανοιγοκλείνουν όμως σε χαμηλή συχνότητα (δικτύου). Σχήμα 4.11: Η τοπολογία του αντιστροφέα της REFU Τα στοιχεία S1(S2) ανοιγοκλείνουν με υψηλή συχνότητα, όταν το boost δεν είναι ενεργοποιημένο: V PV > Τα στοιχεία S3(S4) ανοιγοκλείνουν με υψηλή συχνότητα, όταν το boost είναι ενεργοποιημένο: V PV < Tα στοιχεία S+ και S- ανοιγοκλείνουν ανάλογα με την πολικότητα της τάσης, με τη συχνότητα του δικτύου. 72

87 Σχήμα 4.12:Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα REFU όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (β) αρνητικό ρεύμα. Ο αντιστροφέας της Refu αποτελεί βελτίωση της τοπολογίας της πλήρους γέφυρας με την προσθήκη της AC παράκαμψης, ώστε στις περιόδους μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου οι απώλειες να ελαχιστοποιούνται. Ομοίως με τους H5 και HERIC και για τους ίδιους λόγους, ο αντιστροφέας αυτός είναι κατάλληλος για χρήση σε Φ/Β συστήματα χωρίς Μ/Τ. Διατίθεται εμπορικά από τη Refu στις τριφασικές σειρές RefuSol (11/15 kw), παρουσιάζοντας Ευρωπαϊκή απόδοση97.5% και μέγιστη απόδοση 98%. 73

88 Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας με DC παράκαμψη (Full Bridge DC ByPass-FB-DCBP) Μία τέταρτη τοπολογία που εξήχθη από τροποποίηση του βασικού κυκλώματος της πλήρους γέφυρας είναι αυτή του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας με DC παράκαμψη. Παρουσιάστηκε από την Ingeteam και απεικονίζεται στο Σχήμα Όπως φαίνεται, ο αντιστροφέας FB-DCBP προκύπτει από τη βασική τοπολογία της πλήρους γέφυρας με την προσθήκη δύο διακοπτών στον DC σύνδεσμο (S5,S6) και δύο διόδων. Σχήμα 4.13: Πλήρης γέφυρα με DC παράκαμψη Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα FB- DCBP παρουσιάζονται στο Σχήμα 4.14, όπου τα διακοπτικά στοιχεία S5 και S6 ανοιγοκλείνουν με υψηλή συχνότητα, ενώ όλα τα υπόλοιπα με τη συχνότητα του δικτύου. 74

89 Σχήμα 4.14:Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα FB-DCBP όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (β) αρνητικό ρεύμα. Ο αντιστροφέας FB-DCBP, όπως και οι προηγούμενοι inverters που αναλύθηκαν, επιτυγχάνει την εξασθένηση των αρμονικών της V PE η οποία κρατά μόνο τη βασική της αρμονική με συχνότητα δικτύου κι έτσι το ρεύμα διαρροής και η ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή είναι πολύ περιορισμένα. Αποτρέπει επίσης την ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ C PV(1,2) και L (1,2) στις περιόδους μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου, με αποτέλεσμα τη μείωση των απωλειών και την αύξηση της απόδοσής του. Σε σχέση με τους προαναφερθέντες inverters, ο FB-DCBP εμφανίζει το πλεονέκτημα πως μειώνει περαιτέρω τις απώλειες, λόγω της χαμηλής συχνότητας με την οποία λειτουργούν οι 4 διακόπτες της πλήρους γέφυρας, αλλά και λόγω της μείωσης της τάσης στα άκρα των διακοπτών S5 και S6 με τη βοήθεια των διόδων D+ και D- αντίστοιχα. Τα μειονεκτήματά του όμως είναι πως χρησιμοποιεί δύο παραπάνω διακόπτες και δύο παραπάνω διόδους και πως στις περιόδους που η Φ/Β γεννήτρια δίνει ισχύ στο δίκτυο, άγουν πάντα 4 διακόπτες. Θεωρείται και αυτός κατάλληλος για χρήση σε Φ/Β συστήματα χωρίς Μ/Τ, λόγω του μειωμένου ρεύματος διαρροής και της περιορισμένης ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής. Διατίθεται εμπορικά από την Ingeteam στις σειρές Ingecon Sun TL (2.5/3.3/6 kw) και παρουσιάζει Ευρωπαϊκή απόδοση 95.2% και μέγιστη απόδοση 96.5%. 75

90 Αντιστροφέας πλήρους γέφυρας με επαναφορά της μηδενικής τάσης (Full Bridge-Zero Voltage Rectifier) Και αυτή η τοπολογία προκύπτει από τροποποίηση της τοπολογίας της πλήρους γέφυρας. Όπως φαίνεται στο Σχήμα1.15, το κύκλωμα του FB-ZVR εξάγεται από τροποποίηση της τοπολογίας του αντιστροφέα HERIC, όπου εδώ η αμφίδρομη διακοπτόμενη βραχυκύκλωση του δικτύου, αντί για δύο διακόπτες όπως στον HERIC, υλοποιείται χρησιμοποιώντας μία γέφυρα διόδων, ένα διακόπτη (S5) και μία δίοδο συνδεδεμένη στο μέσον του DC συνδέσμου. Μηδενική τάση επιτυγχάνεται με άνοιγμα(off) όλων των διακοπτών της γέφυρας (S1-S4) και κλείσιμο(on) του S5. Οι διακόπτες της γέφυρας ανοιγοκλείνουν διαγώνια, όπως στη διπολική διαμόρφωση. Η κατάσταση μηδενικής τάσης εισάγεται μετά από κάθε εναλλαγή θέσης των S1-S4 με άνοιγμα και των τεσσάρων αυτών διακοπτών και κλείσιμο του S5. Σχήμα 4.15: Πλήρης γέφυρα με επανόρθωση μηδενικής τάσης 76

91 Σχήμα 4.16: Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα FB-ZVR όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (β) αρνητικό ρεύμα. Ο αντιστροφέας FB-ZVR, όπως και ο HERIC, έχει υψηλή απόδοση καθώς αποτρέπει ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ CPV (1,2) και L (1,2) στις περιόδους μηδενικής Φ/Β τάσης εισόδου. Επίσης έχει πολύ μικρό ρεύμα διαρροής και περιορισμένη ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή λόγω του ότι η V PE έχει μόνο μία συνιστώσα με τη συχνότητα του δικτύου. Το κύκλωμά του όμως απαιτεί 4 επιπλέον διόδους και 1 επιπλέον διακόπτη. Ο FB-ZVR φέρει τα πλεονεκτήματα του HERIC, όμως λόγω της υψηλής διακοπτικής συχνότητας του διακόπτη S5, η απόδοσή του είναι χαμηλότερη. Παρουσιάζει ωστόσο το προτέρημα πως δύναται να λειτουργήσει με οποιονδήποτε (διαφορετικό της μονάδας) συντελεστή ισχύος. 77

92 4.5.2 Inverters που προέρχονται από την τοπολογία NPC Η τοπολογία NPC (Neutral Point Clamped) εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι της τοπολογίας πλήρους γέφυρας, σε χαμηλότερους ρυθμούς dv/dt και όσον αφορά την καταπόνηση τάσης στα άκρα των διακοπτικών στοιχείων. Είναι μια ευέλικτη τοπολογία, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε μονοφασικούς όσο και σε τριφασικούς inverters NPC Inverter Μισής Γέφυρας (NPC Half-Bridge Inverter) Η τοπολογία παρουσιάζεται στο Σχήμα Η βασική ιδέα είναι πως η κατάσταση μηδενικής τάσης μπορεί να επιτευχθεί κρατώντας σταθερά την έξοδο συνδεδεμένη στο γειωμένο μέσον του DC συνδέσμου μέσω είτε της D+ ή της D-, ανάλογα με τη φορά του ρεύματος. Σχήμα 4.17: Τοπολογία Half-Bridge με NPC Οι S1 και S4 αλλάζουν κατάσταση με υψηλή συχνότητα και οι S2 και S3 με τη συχνότητα του δικτύου. Μηδενική Φ/Β τάση εισόδου προκύπτει με μία εκ των δύο καταστάσεων: i) S2 και D+ ON και οι υπόλοιποι διακόπτες OFF ή ii) S3 και D- ON και οι υπόλοιποι διακόπτες OFF 78

93 Σχήμα 4.18:Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα NPC Half- Bridge όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (β) αρνητικό ρεύμα. Και αυτός ο αντιστροφέας επιτυγχάνει πολύ υψηλή απόδοση, αποτρέποντας την ανταλλαγή αέργου ισχύος μεταξύ C PV(1,2) και L στις περιόδους μηδενικού ρεύματος και έχοντας διακόπτες στο ένα τμήμα της γέφυρας που ανοιγοκλείνουν με χαμηλή συχνότητα. Η διαμόρφωση της τοπολογίας κρατά σταθερή την τιμή της V PE και ίση με V PV /2, χωρίς συνιστώσες συχνότητας, επιτυγχάνοντας έτσι πολύ μικρό ρεύμα διαρροής και περιορισμένη ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή. Επιπλέον η τάση στα άκρα των εξωτερικών διακοπτών μπορεί να μειωθεί στην τιμή V PV, με αποτέλεσμα τη μείωση των απωλειών μεταγωγής των διακοπτών. Η τοπολογία αυτή όμως έχει το μειονέκτημα πως αν οποιαδήποτε παράσιτη επαγωγή εισαχθεί στις συνδέσεις του ουδέτερου, για παράδειγμα από το φίλτρο ηλεκτρομαγνητικής παρεμβολής, δημιουργούνται συνιστώσες τάσης με υψηλή συχνότητα, με αποτέλεσμα την αύξηση του ρεύματος διαρροής. Επιπλέον απαιτεί δύο επιπλέον διόδους και διπλάσια τάση εισόδου συγκριτικά με την τοπολογία της πλήρους γέφυρας. Ο αντιστροφέας NPC-Half Bridge, όπως και οι αντιστροφείς που εξάγονται από την τοπολογία της πλήρους γέφυρας, έχει υψηλή απόδοση και θεωρείται κατάλληλος για Φ/Β συστήματα χωρίς Μ/Τ, για τους λόγους που εξηγήθηκαν παραπάνω. Διατίθεται εμπορικά από τη Danfoss Solar στις τριφασικές σειρές TripleLynx (10/12.2/15 kw), παρουσιάζοντας Ευρωπαϊκή απόδοση 97% και μέγιστη απόδοση 98%. 79

94 Αντιστροφέας NPC της Conergy Μία παραλλαγή της κλασσικής τοπολογίας NPC, αποτελεί η τοπολογία της μισής γέφυρας όπου η έξοδος συγκρατείται στο μέσον του DC συνδέσμου μέσω ενός αμφίδρομου διακοπτόμενου βραχυκυκλώματος, το οποίο υλοποιείται με δύο IGBT συνδεδεμένα back to back. Η τοπολογία αυτή που εισήχθη από την Conergy, παρουσιάζεται στο Σχήμα Η βασική ιδέα της τοπολογίας αυτής είναι πως η κατάσταση μηδενικής τάσης επιτυγχάνεται συγκρατώντας την έξοδο συνδεδεμένη στο γειωμένο μέσον του DC συνδέσμου, χρησιμοποιώντας είτε το διακόπτη S+ είτε τον S- ανάλογα με τη φορά του ρεύματος. Σχήμα 4.19: Η τοπολογία του αντιστροφέα της Conergy με NPC Οι S1,S2,S+ και S- ανοιγοκλείνουν με υψηλή συχνότητα. Μηδενική Φ/Β τάση εισόδου προκύπτει όταν i)s+ και D+ είναι ON και οι υπόλοιποι διακόπτες OFF ή ii) S- και D- ON και οι υπόλοιποι διακόπτες OFF. 80

95 Σχήμα 4.20: Οι καταστάσεις των διακοπτικών στοιχείων στον αντιστροφέα της Conergy με NPC όταν παράγει: (a) θετικό ρεύμα και (b) αρνητικό ρεύμα. Ο αντιστροφέας NPC της Conergy έχει τα ίδια πλεονεκτήματα με τον αντιστροφέα NPC Half-Bridge αλλά και την ίδια ευαισθησία σε παράσιτες επαγωγές, καθώς και απαίτηση για διπλάσια τάση εισόδου συγκριτικά με την τοπολογία της πλήρους γέφυρας. Σε σχέση με τον αντιστροφέα NPC Half-Bridge, o NPC της Conergy υστερεί ως προς την τάση στα άκρα των διακοπτών S1 και S2, η οποία είναι διπλάσια από την τάση στα άκρα των εξωτερικών διακοπτών του πρώτου. Είναι ωστόσο λίγο πιο αποδοτικός, με λιγότερες απώλειες μεταγωγής, καθώς στις περιόδους που η Φ/Β γεννήτρια δίνει ισχύ στο δίκτυο, μόνο ένας διακόπτης του άγει. Έτσι είναι κατάλληλος για Φ/Β συστήματα χωρίς Μ/Τ και διατίθεται εμπορικά από την Conergy στις σειρές αντιστροφέων αλυσίδας IPG (2-5 kw) με Ευρωπαϊκή απόδοση 95.1% και μέγιστη απόδοση 96.1%. 81

96 82

97 Κεφάλαιο 5 Νησιδοποίηση 5.1 Εισαγωγή Για να εξετάσουμε το φαινόμενο της νησιδοποίησης, πρέπει πρώτα να δώσουμε κάποιους βασικούς ορισμούς. Συστήματα διανεμημένης παραγωγής ισχύος (Distributed Power Generation Systems-DPGS): Με τον όρο αυτό μπορούν να χαρακτηριστούν εγκαταστάσεις παραγωγής ισχύος οι οποίες συνδέονται κατά κανόνα στο δίκτυο (στη μεσαία ή τη χαμηλή τάση) και βρίσκονται πλησιέστερα στους τελικούς χρήστες. Ως εγκαταστάσεις διανεμημένης παραγωγής χαρακτηρίζονται κυρίως οι εγκαταστάσεις ανανεώσιμων πηγών ενέργειας παρότι δε βρίσκονται αναγκαστικά πιο κοντά στους τελικούς καταναλωτές. Εναλλακτικά η Διανεμημένη Παραγωγή αποκαλείται και Αποκεντρωμένη Παραγωγή. Σχήμα 5.1: Σχηματική απεικόνιση κεντρικής και διανεμημένης παραγωγής 83

98 Σχήμα 5.2: Σχηματική απεικόνιση κεντρικής και διανεμημένης παραγωγής 5.2 Εξήγηση του φαινόμενο της νησιδοποίησης Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται σε διανεμημένα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τα οποία είναι διασυνδεμένα με το κεντρικό δίκτυο. Όταν το διανεμημένο σύστημα (DPGS) συνεχίζει να παρέχει ισχύ σε ένα τμήμα του δικτύου της ΔΕΗ, ενώ το τμήμα αυτό έχει αποσυνδεθεί από το κεντρικό δίκτυο, τότε λέμε ότι εμφανίζεται το φαινόμενο της νησιδοποίησης. Το διανεμημένο σύστημα δηλαδή συμπεριφέρεται σαν μια νησίδα ηλεκτρικής ενέργειας η οποία τροφοδοτεί το τμήμα του δικτύου στο οποίο παραμένει συνδεμένο. Η νησιδοποίηση συμβαίνει λοιπόν κυρίως σε διανεμημένα συστήματα διασυνδεμένα με το κεντρικό δίκτυο, κατηγορία των οποίων αποτελούν και τα Φ/Β συστήματα. Στο Σχήμα 5.3 απεικονίζεται μια απλοποιημένη διάταξη ενός Φ/Β συστήματος(γεννήτρια και μετατροπέας DC/AC) διασυνδεμένου με το δίκτυο. Αν ο διακόπτης α για κάποιο λόγο ανοίξει και το Φ/Β σύστημα συνεχίσει να παρέχει ισχύ στα στοιχεία αριστερά του διακόπτη, έχουμε κατάσταση νησιδοποίησης. 84

99 Σχήμα 5.3: Φ/Β σύστημα διασυνδεμένο με το δίκτυο Τυπικά ένα DPGS μικρής ισχύος, όπως είναι τα Φ/Β συστήματα, πρέπει να αποσυνδέεται από το κεντρικό ηλεκτρικό δίκτυο σε περίπτωση που το τελευταίο παύει να τροφοδοτεί τη γραμμή μεταφοράς. Τα DPGSs μεγαλύτερης ισχύος, όπως είναι τα αιολικά συστήματα έχουν τελείως διαφορετικές απαιτήσεις και γενικά επωφελούνται της ύπαρξης συστημάτων επικοινωνίας και εποπτικού ελέγχου τα οποία αλληλεπιδρούν με το χειριστή, με σκοπό τα DPGSs να συμβάλλουν στη σταθερότητα του δικτύου. Στην περίπτωση των συστημάτων αυτών η απαίτηση είναι να παραμένουν συνδεμένα στο δίκτυο κατά τη διάρκεια σφαλμάτων, κάτι που είναι αντίθετο με την αρχή των Φ/Β συστημάτων. Ως εκ τούτου μπορούμε να πούμε πως ο εντοπισμός της νησιδοποίησης αποτελεί μία απαίτηση μόνο για τα DPGSs μικρής ισχύος. 5.2 Για ποιους λόγους η νησιδοποίηση είναι ανεπιθύμητη Όταν συμβαίνει το φαινόμενο της νησιδοποίησης εμφανίζεται μια σειρά από αρνητικές επιπτώσεις σε σχέση με την ασφάλεια, την αξιοπιστία του δικτύου και την ποιότητα της παρεχόμενης ισχύος. Καταρχήν μία κατάσταση νησιδοποίησης μπορεί να αποτελέσει σοβαρό κίνδυνο για το προσωπικό που εργάζεται σε κάποιο τμήμα του δικτύου στο οποίο αυτή συμβαίνει. Το προσωπικό μπορεί να δουλεύει στο συγκεκριμένο τμήμα το οποίο έχει αποσυνδεθεί από το κεντρικό δίκτυο αλλά τροφοδοτείται ακόμα από κάποιο διασυνδεμένο σύστημα. Τότε το τμήμα αυτό δουλεύει υπό τάση και μάλιστα εν αγνοία του προσωπικού, το οποίο διατρέχει άμεσο κίνδυνο ηλεκτροπληξίας. 85

100 Ένας άλλος λόγος που η νησιδοποίηση Φ/Β συστήματα δεν είναι επιθυμητή είναι πως όταν αυτή συμβαίνει ανεξέλεγκτα, η συχνότητα και το πλάτος της τάσης υφίστανται διαταραχές, ξεπερνώντας τα προβλεπόμενα όρια, δημιουργώντας έτσι κίνδυνο καταστροφής στις συσκευές που τροφοδοτούνται από το νησιδοποιημένο τμήμα. Τέλος, εάν το νησιδοποιημένο τμήμα επανασυνδεθεί εκτός φάσης με το κεντρικό δίκτυο είναι δυνατόν να εμφανιστούν διαταραχές στην ίδια τη λειτουργία του δικτύου αλλά και να υπάρξουν καταστροφές στον εξοπλισμό του διασυνδεμένου δικτύου ή σε οποιοδήποτε συνδεμένο εξοπλισμό. Για τους παραπάνω λόγους υπάρχει η απαίτηση το φαινόμενο να εντοπίζεται και να παύεται έγκαιρα. Με το ρόλο αυτό επιφορτίζονται οι σύγχρονοι inverters, όντας η διεπαφή του δικτύου με το διανεμημένο σύστημα. Η ΔΕΗ απαιτεί από τους διασυνδεμένους διανεμημένους παραγωγούς να χρησιμοποιούν αντιστροφείς που είναι εφοδιασμένοι με τα κατάλληλα συστήματα αντινησιδοποίησης. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν οι διάφορες μέθοδοι ανίχνευσης νησιδοποίησης. Ιδανικά, μία μέθοδος ανίχνευσης θα πρέπει να εντοπίζει το φαινόμενο σε οποιαδήποτε κατάσταση του δικτύου, ισχυρή η ασθενή, στο οποίο έχουμε είτε περιορισμένη είτε εκτεταμένη διασύνδεση DPCS. Η ιδιότητα αυτή καλείται αξιοπιστία της μεθόδου. Επίσης μία μέθοδος πρέπει να μπορεί να διακρίνει μία κατάσταση νησιδοποίησης από μία απλή διαταραχή του δικτύου. Αυτή η ιδιότητα ορίζεται ως επιλεκτικότητα της μεθόδου. Τέλος, μία μέθοδος ανίχνευσης θα πρέπει να υποβαθμίζει την ποιότητα της ισχύος του δικτύου όσο το δυνατόν λιγότερο, ώστε να είναι δυνατή η σύνδεση και η ταυτόχρονη λειτουργία πολλών DPGSs. Η ιδιότητα αυτή ορίζεται ως η ικανότητα ελάχιστης διαταραχής. 5.3 Ζώνη μη ανίχνευσης (Non Detection Zone-NDZ) Προτού μπούμε στην ανάλυση των μεθόδων εντοπισμού της νησιδοποίησης, πρέπει να αναφερθούμε στη ζώνη μη ανίχνευσης η οποία ουσιαστικά χαρακτηρίζει την αξιοπιστία μίας μεθόδου. Η ζώνη μη ανίχνευσης ορίζεται ως το διάστημα αναντιστοιχίας ισχύος (ΔP και ΔQ) στο σημείο κοινής σύζευξης (Point of Common Coupling-PCC) όπου η νησιδοποίηση δεν είναι ανιχνεύσιμη και υπάρχει η πιθανότητα παρασιτικών ενεργοποιήσεων. Στο Σχήμα 5.4α) απεικονίζεται ένας διασυνδεμένος Φ/Β αντιστροφέας με το δίκτυο και με ένα τοπικό φορτίο και η ροή ισχύος του συστήματος, ενώ στο Σχήμα 5.4β) φαίνεται η NDZ για το σύστημα αυτό. 86

101 Σχήμα 5.4 Για το ισοζύγιο ισχύος έχουμε: Pload = PDG + ΔP Qload = QDG + ΔQ όπου: Pload: η πραγματική ισχύς του τοπικού φορτίου Qload: η άεργος ισχύς του τοπικού φορτίου PDG: η πραγματική ισχύς του Φ/Β συστήματος QDG: η άεργος ισχύς του Φ/Β συστήματος ΔP: η πραγματική ισχύς που παρέχεται από το δίκτυο ΔQ: η άεργος ισχύς από το δίκτυο 87

102 Εάν Pload = PDG, τότε δεν υπάρχει αναντιστοιχία ανάμεσα στην πραγματική ισχύ που παράγεται από το δίκτυο και στην πραγματική ισχύ που παράγεται από τις Φ/Β γεννήτρια. Κατά παρόμοιο τρόπο, αυτό ισχύει και για την άεργο ισχύ που παράγεται από το δίκτυο και τη Φ/Β γεννήτρια, αν Qload = QDG Η συμπεριφορά του συστήματος τη στιγμή το δίκτυο θα αποσυνδεθεί θα εξαρτηθεί από τις ΔP και ΔQ, τη στιγμή ακριβώς πριν ανοίξει ο διακόπτης. Αν η συχνότητα συντονισμού του φορτίου RLC είναι η ίδια με τη συχνότητα του δικτύου, το γραμμικό φορτίο δεν απορροφά άεργο ισχύ. Μόλις το δίκτυο αποσυνδεθεί, η πραγματική ισχύς που καταναλώνει το φορτίο γίνεται ίση με αυτήν που παράγει η Φ/Β γεννήτρια. Ως εκ τούτου, εφ όσον η πραγματική ισχύς είναι ευθέως ανάλογη της τάσης, η τάση του δικτύου αλλάζει σε V =K V όπου K = Εάν PDG >Pload υπάρχει αύξηση στο πλάτος της τάσης, ενώ αν PDG<PDG υπάρχει αντίστοιχα μείωση. Η άεργος ισχύς είναι εξαρτώμενη από τη συχνότητα και το πλάτος της τάσης του δικτύου, σύμφωνα με τον τύπο: Q = QDG = ( 1 ) V 2 Με τη βοήθεια της παραπάνω σχέσης μπορεί να υπολογιστεί η συχνότητα της νησιδοποίησης, σύμφωνα με τον τύπο: = ( ) Το δίκτυο υπόκειται σε διάφορες διαταραχές όπως βυθίσεις τάσης, υπερτάσεις, αρμονικές παραμορφώσεις και μεταβολές της συχνότητας. Έτσι είναι απαραίτητο το σύστημα ανίχνευσης νησιδοποίησης να μην επηρεάζεται από τις διαταραχές αυτές. Στον Πίνακα που ακολουθεί δίνονται τα ανεκτά όρια τιμών τάσης και συχνότητας του δικτύου διανομής σύμφωνα κατά EN 50160: 88

103 Πίνακας 5.1: Μέγιστη διακύμανση της τάσης και της συχνότητας δικτύου κατά EN50160 Είναι γεγονός πως μία μικρή τιμή για τη ΔP συνεπάγεται μία μικρή αλλαγή στο πλάτος της τάσης και αντίστοιχα μία μικρή τιμή για τη ΔQ συνεπάγεται μία μικρή αλλαγή στη συχνότητα, αλλαγές όμως οι οποίες δεν είναι επαρκείς ώστε το Φ/Β σύστημα να αποσυνδεθεί, ώστε να αποφευχθεί κατάσταση νησιδοποίησης. Η πιο δύσκολη περίπτωση κατά τον εντοπισμό νησιδοποίησης προκύπτει όταν ΔP=0 και ΔQ=0. Στην κατάσταση αυτή υπάρχει ισοζύγιο μεταξύ πραγματικής και άεργου ισχύος και δεν παρουσιάζεται κάποια αλλαγή στη συχνότητα ή στην τάση του δικτύου. Κατά κανόνα μπορούμε να υπολογίσουμε την NDZ από τις αναντιστοιχίες στην πραγματική και στην άεργο ισχύ και να θέσουμε τις τιμές των ορίων για την συχνότητα και το πλάτος της τάσης (Over/Under Voltage-OUV και Over/Under Frequency-OUF). Όμως η πιθανότητα η ΔP και η ΔQ να βρεθούν μέσα στη NDZ που ορίζεται από αυτά τα όρια είναι σημαντική. Για το λόγο αυτό, μόνες τους οι κλασσικές διατάξεις προστασίας OUV/OUF θεωρούνται αναποτελεσματικές στην αντινησιδοποίηση κι έτσι πρέπει να λειτουργούν σε συνδυασμό με τις μεθόδους ανίχνευσης που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. 89

104 5.4 Μέθοδοι ανίχνευσης και διακοπής της νησιδοποίησης Επισκόπηση των μεθόδων Για την ανίχνευση της νησιδοποίησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν τρεις τεχνικές: Με ανιχνευτές που βρίσκονται στο δίκτυο. Με ανιχνευτές με εξωτερικούς πυκνωτές. Με ανιχνευτές που βρίσκονται στον αντιστροφέα. Οι μέθοδοι ανίχνευσης που βρίσκονται στο δίκτυο βασίζονται στην επικοινωνία μεταξύ του δικτύου και των Φ/Β αντιστροφέων. Ένας πομπός τοποθετείται κοντά στον διακόπτη προστασίας της γραμμής του δικτύου και ένας δέκτης στο PCC κοντά στον αντιστροφέα. Υπό συνθήκες κανονικής λειτουργίας ένα σήμα συγκεκριμένης συχνότητας αποστέλλεται από τον πομπό στο δέκτη μέσω της γραμμής ισχύος. Όταν ο δέκτης δεν μπορεί να λάβει το σήμα, ανιχνεύεται νησιδοποίηση. Αυτή η μέθοδος δεν παρουσιάζει καθόλου NDZ, όμως έχει πολύ υψηλό κόστος. Η ανίχνευση με εξωτερικούς πυκνωτές βασίζεται στην ιδέα ότι ένας εξωτερικός πυκνωτής, περιοδικά συνδεόμενος παράλληλα στο δίκτυο, θα παράγει μια καθυστέρηση διέλευσης από το μηδέν (zerocrossing) ανάλογη της εμπέδησης του δικτύου. Οι μέθοδοι ανίχνευσης στον αντιστροφέα βασίζονται σε λογισμικό στην πλατφόρμα ελέγχου του αντιστροφέα και μετρούν σήματα τάσης και ρεύματος στην τοποθεσία του διασυνδεμένου συστήματος. Εναλλακτικά καλούνται και μέθοδοι τοπικής ανίχνευσης και προτιμούνται για DPGSs που χρησιμοποιούν inverters DC-AC όπως είναι τα Φ/Β συστήματα. Μεγάλο βάρος της έρευνας δίδεται στις τεχνικές αυτού του τύπου μιας και είναι πιο οικονομικές. Οι μέθοδοι τοπικής ανίχνευσης μπορούν να χωριστούν σε 2 κατηγορίες: τις παθητικές (passive) και τις ενεργές (active) μεθόδους. Στη συνέχεια του Κεφαλαίου θα ασχοληθούμε με την ανάλυση τόσο των ενεργών όσο και των παθητικών μεθόδων τοπικής ανίχνευσης. 90

105 5.4.2 Επισκόπηση παθητικών μεθόδων Οι παθητικές μέθοδοι ανίχνευσης, προκειμένου να εντοπίσουν τη νησιδοποίηση, παρακολουθούν παραμέτρους όπως η τάση, η συχνότητα και η διαφορά φάσης που «βλέπει» ο συνδεμένος στο δίκτυο μετατροπέας. Όταν αυτές υπερβούν κάποια καθορισμένα όρια που υποδεικνύουν ότι το κεντρικό δίκτυο έχει αποσυνδεθεί αναγκάζουν τον αντιστροφέα να σταματήσει την παροχή ισχύος. Οι παθητικές μέθοδοι έχουν το πλεονέκτημα ότι δεν επιδρούν αρνητικά στην ποιότητα της ισχύος που παρέχει το διανεμημένο σύστημα στο δίκτυο, αφού δεν εισάγουν κάποια διαταραχή σε αυτό. Μειονεκτούν ωστόσο στο γεγονός ότι δεν μπορούν πάντα να ανιχνεύσουν την εμφάνιση του φαινομένου, παρουσιάζουν δηλαδή μια σχετικά μεγάλη ζώνη μη ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης. Για το λόγο αυτό, στις περιπτώσεις που γίνεται χρήση παθητικών μεθόδων, αυτές συνδυάζονται με ενεργές ώστε να αυξηθεί η αξιοπιστία τους Επισκόπηση ενεργών μεθόδων Οι ενεργές μέθοδοι βασίζονται στην εισαγωγή σκόπιμων διαταραχών στην πλευρά της εξόδου του διανεμημένου συστήματος, δηλαδή από το σύστημα προς την πλευρά του δικτύου. Εισάγουν μια διαταραχή στο PCC έτσι ώστε να δημιουργήσουν μεταβολή σε κάποια παράμετρο του συστήματος ισχύος η οποία ανιχνεύεται από παθητικές μεθόδους. Οι ενεργές μέθοδοι πλεονεκτούν έναντι των παθητικών στο γεγονός ότι είναι πιο αξιόπιστες στην ανίχνευση του φαινομένου, καθώς παρουσιάζουν μια σχετικά πιο μικρή ζώνη μη ανίχνευσης (NDZ). Ωστόσο επιδρούν αρνητικά στην ποιότητα της ισχύος που παρέχεται από το σύστημα, ακριβώς επειδή βασίζονται στην εισαγωγή σκόπιμων διαταραχών. 91

106 5.5 Παρουσίαση των παθητικών μεθόδων Ανίχνευση OUV-OUF Κατά κανόνα, οι inverters που χρησιμοποιούνται σε Φ/Β DPGSs απαιτείται να διαθέτουν συστήματα προστασίας έναντι Over/Under Voltage και Over/Under Frequency. Αυτά τα συστήματα προστασίας, τα οποία μπορεί σε συνδυασμό με τους διακόπτες να χρησιμοποιούν και ειδικό λογισμικό, δύναται να χρησιμοποιηθούν εκτός από την προστασία της εγκατάστασης και για προστασία έναντι του φαινομένου της νησιδοποίησης. Σκοπός τους στην περίπτωση αυτή είναι να αναγκάζουν τον inverter να διακόπτει την παροχή ισχύος στο δίκτυο αν το πλάτος της τάσης ή η συχνότητα στο PCC υπερβούν κάποια καθορισμένα όρια. Στο σχήμα που ακολουθεί απεικονίζεται ο κόμβος α, που αποτελεί το κοινό σημείο σύνδεσης (PCC) μεταξύ δικτύου και inverter, καθώς και η ροή πραγματικής και άεργου ισχύος στον κόμβο. Σχήμα 5.5: Ροή πραγματικής και άεργου ισχύος στο PCC Όταν ο διακόπτης (utility breaker) είναι κλειστός και το δίκτυο είναι συνδεμένο έχουμε: i) Ροή πραγματικής και άεργου ισχύος από το διασυνδεμένο σύστημα μέσω του inverter στον κόμβο α: SPV = PPV+ j QPV και ii) Ροή ισχύος από τον κόμβο α προς το τοπικό φορτίο: S load = Pload + j Qload. 92

107 Αθροίζοντας τις παραπάνω ροές ισχύος, λαμβάνουμε την ισχύ που ρέει από το δίκτυο στον κόμβο α: ΔP = Pload PPV και ΔQ = QPV QPV Αν ο inverter λειτουργεί με σχεδόν μοναδιαίο συντελεστή ισχύος (cosφ~1, sinφ~0) και συνεπώς το ρεύμα και η τάση στην έξοδό του είναι σε φάση (φ~0), θα ισχύει ΔQ=0. Όπως έχουμε πει, η συμπεριφορά του συστήματος τη στιγμή που το δίκτυο αποσυνδέεται, εξαρτάται από τα μεγέθη Δ και ΔQ τη στιγμή που ο διακόπτης θα ανοίξει και θα σχηματιστεί νησίδα. Έτσι: Αν Δ 0 πριν ανοίξει ο διακόπτης τότε: Με το άνοιγμα του διακόπτη εμφανίζεται μεταβολή της πραγματικής ισχύος που ρέει από το δίκτυο στο κοινό σημείο διασύνδεσης. Η μεταβολή αυτή από Δ σε μηδέν, μεταφράζεται και σε μεταβολή του πλάτους της τάσης V που βλέπει ο inverter. Θεωρώντας πως η πραγματική αντίσταση R του φορτίου παραμένει σταθερή και πως η Φ/Β γεννήτρια παρέχει σταθερή ισχύ, η πραγματική ισχύς που καταναλώνεται από το φορτίο δίνεται από τον τύπο: Pload =. Αν λοιπόν τη στιγμή που ανοίξει ο διακόπτης η πραγματική ισχύς που παράγει το DPGS δε συμπίπτει με τη πραγματική ισχύ που καταναλώνει το φορτίο, τότε σύμφωνα με την παραπάνω σχέση η τάση V θα πρέπει να αυξηθεί ή να μειωθεί ώστε η παραγόμενη ισχύς να εξισωθεί με την καταναλισκόμενη. Η V δηλαδή μεταβάλλεται ώσπου να γίνει Pload = PPV. Αν με τη μεταβολή αυτή η V υπερβεί τα όρια τάσης για τα οποία ενεργοποιούνται οι διακόπτες προστασίας από υπερτάσεις/υποτάσεις τότε ταυτόχρονα το DPGS αποσυνδέεται και διακόπτεται η νησιδοποίηση. Αν ΔQ 0 πριν ανοίξει ο διακόπτης τότε: Με το άνοιγμα του διακόπτη και την αποσύνδεση του δικτύου έχουμε μεταβολή της άεργου ισχύος, η οποία ρέει από το δίκτυο προς τον κόμβο α. Η άεργος δηλαδή ισχύς που δίνει το δίκτυο μεταβάλλεται από ΔQ σε μηδέν. Αυτή η μεταβολή μεταφράζεται σε μεταβολή της συχνότητας της τάσης στην έξοδο του inverter. Η άεργος ισχύς που καταναλώνεται από το φορτίο δίνεται από τον τύπο: Qload = - C]. Αν τη στιγμή που ο διακόπτης ανοίγει και το δίκτυο αποσυνδέεται η άεργος ισχύς που παράγει το DGPS δε συμπίπτει με την άεργο ισχύ που καταναλώνει το φορτίο, τότε η συχνότητα της τάσης V πρέπει να μεταβληθεί ώσπου η παραγόμενη ισχύς να εξισωθεί με την καταναλισκόμενη. Το ω δηλαδή μεταβάλλεται ώσπου να γίνει Qload = QPV. Θεωρώντας ότι ο inverter λειτουργεί με συντελεστή ισχύος ~ 1, η άεργος ισχύς που παράγει το DGPS είναι πρακτικά μηδέν, όπως και η διαφορά φάσης φ μεταξύ ρεύματος και τάσης στην έξοδο του inverter. Ο inverter συνεπώς αναζητά τη συχνότητα για την οποία το Q=0 και άρα η διαφορά φάσης είναι μηδέν. Ταυτόχρονα όμως το ισοζύγιο άεργου ισχύος απαιτεί Qload = QPV. 93

108 Τα παραπάνω ικανοποιούνται όταν Qload = QPV = 0. Με Qload = 0 προκύπτει ότι η καινούργια συχνότητα στην οποία ρυθμίζεται ο inverter είναι η συχνότητα συντονισμού του RLC φορτίου. Αυτή η αλλαγή στη συχνότητα μπορεί να εντοπιστεί από το διακόπτη προστασίας έναντι υπέρβασης/υποβιβασμού της συχνότητας οι οποίοι θα αποσυνδέσουν το DPGS κι έτσι θα διακοπεί η νησιδοποίηση. Το βασικό μειονέκτημα της μεθόδου είναι ότι αυτή μπορεί να αστοχήσει αν η παραγωγή ισχύος του συστήματος και του εναπομένοντος φορτίου είναι ταιριασμένες όταν το κεντρικό δίκτυο αποσυνδέεται. Στην περίπτωση αυτή η αναντιστοιχία ισχύος λόγω νησιδοποίησης μπορεί να είναι τόσο μικρή, ώστε η νησιδοποίηση να μην μπορεί να ανιχνευτεί, γιατί οι μεταβολές στη συχνότητα ή την τάση δε θα ξεπερνούν τα όρια OUV και OUF. Έτσι οι αντίστοιχοι διακόπτες προστασίας δε θα ενεργοποιηθούν και η νησιδοποίηση δε θα διακοπεί Ανίχνευση Άλματος Φάσης (Phase Jump Detection) Αυτή η μέθοδος βασίζεται στην παρακολούθηση της διαφοράς φάσης μεταξύ τάσης και ρεύματος στην έξοδο του inverter. Ο εντοπισμός ενός ξαφνικού άλματος στη διαφορά φάσης, λόγω αναντιστοιχίας στην άεργο ισχύ, υποδεικνύει την εμφάνιση νησιδοποίησης. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας η κυματομορφή ρεύματος εξόδου του inverter θα είναι συγχρονισμένη με την τάση εξόδου του και άρα συγχρονισμένη με την τάση του δικτύου. Όταν το δίκτυο αποσυνδεθεί η τάση στην πλευρά εξόδου του inverter θα συγχρονιστεί με την τάση του τοπικού φορτίου. Συνεπώς θα έχουμε μια απότομη αλλαγή στη διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος τάσης στην πλευρά εξόδου του μετατροπέα και έτσι θα ανιχνευτεί η νησιδοποίηση. Η οποιαδήποτε διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εξόδου του inverter ανιχνεύεται μέσω της παρακολούθησης των σημείων τομής της κυματομορφής της V με τον άξονα του χρόνου (zero crossing). Βασικό αυτής της διαδικασίας αποτελεί το κύκλωμα PLL. Ένα φίλτρο εισόδου αφαιρεί θόρυβο και αρμονικές ανώτερης τάξης από το σήμα εισόδου V. Ο συγκριτής φάσης παράγει ένα σήμα, του οποίου η ένταση είναι ανάλογη του σφάλματος φάσης μεταξύ των σημάτων που δέχεται στην είσοδό του. Τα σήματα εισόδου του συγκριτή φάσης είναι το φιλτραρισμένο σήμα V και η έξοδος του ταλαντωτή ο οποίος ελέγχεται 94

109 από τάση. Στα πιο σύγχρονα PLL ο συγκριτής φάσης χρησιμοποιεί κάποιο είδος μέτρησης του χρόνου μεταξύ των σημείων τομής της κυματομορφής της τάσης με τον άξονα του χρόνου των 2 σημάτων εισόδου του για να καθορίσει το σφάλμα φάσης. Σχήμα 5.6: Η λειτουργία της μεθόδου Phase Jump Detection Το PLL, το οποίο φαίνεται στο Σχήμα 5.7 είναι ένας βρόχος ανατροφοδότησης στο οποίο γίνεται σύγκριση της φάσης στην είσοδο με τη φάση στην έξοδο. Τα σύγχρονα PLL μπορούν να συγκρίνουν και τη συχνότητα. Η φάση εξόδου ενός PLL μπορεί να συγχρονιστεί με τη φάση ενός σήματος αναφοράς αν χρησιμοποιηθεί ένας ανιχνευτής φάσης για να καθορίζει πότε τα σήματα είναι συγχρονισμένα και αν αλλάξει στιγμιαία η συχνότητα του ταλαντωτή. Το PLL αποκρίνεται τόσο στη συχνότητα όσο και τη φάση των σημάτων εισόδου του αυξάνοντας ή ελαττώνοντας τη συχνότητα ενός ελεγχόμενου ταλαντωτή μέχρι που η έξοδός του να ταιριάξει με τη συχνότητα και τη φάση ενός σήματος αναφοράς. Ο συγκριτής φάσης συγκρίνει τις συχνότητες και τις φάσεις 2 σημάτων εισόδου και έχει ως έξοδο σήμα ανάλογο της διαφοράς τους (σήμα σφάλματος). Τα 2 σήματα εισόδου του είναι το σήμα αναφοράς (που έχει τη συχνότητα αναφοράς) και η έξοδος του Voltage Controlled Oscillator (VCO). Αν η f vco δεν ισούται με την f ref τότε το σήμα σφάλματος αναγκάζει τον VCO να μεταβάλλει την έξοδο του ώστε αυτή να συμπίπτει με την f ref. Έτσι ο VCO γρήγορα κλειδώνει στην f ref διατηρώντας μια ρυθμισμένη σχέση με το σήμα εισόδου. 95

110 Σχήμα 5.7: Βασικό Κύκλωμα PLL Ωστόσο, η χρήση γρήγορων PLL για το συγχρονισμό του αντιστροφέα μπορεί να καταστήσει αυτό το άλμα φάσης ανεπαίσθητο, αφού ο PLL ωθεί το ρεύμα να συγχρονιστεί με την τάση μετά την νησιδοποίηση. Μια λύση στο πρόβλημα αυτό είναι να χρησιμοποιηθούν δύο PLL, ένας γρήγορος για συγχρονισμό και ένας πιο αργός για ανίχνευση της νησιδοποίησης. Ούτε με αυτήν την μέθοδο όμως δεν επιτυγχάνεται μηδενική NDZ, καθώς κατά τη νησιδοποίηση χωρίς αναντιστοιχία στην ισχύ, η φάση της τάσης δεν θα αλλάξει Ανίχνευση Αρμονικών Τάσης Ο inverter παράγει αρμονικές λόγω της διακοπτικής του λειτουργίας (ανώτερες αρμονικές), λόγω κυμάτωσης της τάσης του DC συνδέσμου (μονές αρμονικές) και λόγω πτώσης τάσης του ημιαγωγού (ζυγές αρμονικές). Αυτές οι αρμονικές δημιουργούν μια ποσότητα αρμονικών τάσης, που εξαρτάται από την εμπέδηση του δικτύου. Συνήθως η εμπέδηση του δικτύου είναι χαμηλή και έτσι οι αρμονικές αυτές είναι αρκετά χαμηλές και ανιχνεύονται δύσκολα. Εκτός λοιπόν από τη βασική αρμονική της τάσης εξόδου του inverter έχουμε και παραγωγή μεγάλου πλήθους αρμονικών υψηλότερων συχνοτήτων οι οποίες μπορεί να απομακρύνονται από κατάλληλα φίλτρα. Η ποιότητα της κυματομορφής τάσης της εξόδου του inverter μπορεί να εκφραστεί από την Ολική Αρμονική Παραμόρφωση (Total Harmonic Distortion-THD) η οποία ορίζεται ως το πηλίκο της τετραγωνικής ρίζας 96

111 των τετραγώνων των αρμονικών τάσης προς τη θεμελιώδη αρμονική της τάσης: Συμπεράσματα για την ανίχνευση και διακοπή της νησιδοποίησης μπορούν να εξαχθούν από την Ολική Αρμονική Παραμόρφωση της τερματικής τάσης του DPGS. Καταγράφεται λοιπόν η ολική παραμόρφωση της τάσης εξόδου του inverter και αυτός αποκόπτεται αν η τιμή της υπερβεί κάποιο καθορισμένο όριο. Σε κανονική λειτουργία, ένα στιβαρό κεντρικό δίκτυο μπορεί να θεωρηθεί σα μία πηγή τάσης με σχεδόν μηδενική εμπέδηση, διατηρώντας μόνο μια μικρή παραμόρφωση τάσης (THD ~ 0) στους τερματικούς ακροδέκτες του inverter. Όταν το δίκτυο είναι συνδεμένο η αντίσταση που βλέπει ο inverter στους τερματικούς του ακροδέκτες είναι αυτή του δικτύου, δηλαδή πολύ μικρή. Εάν το δίκτυο αποσυνδεθεί, τότε η εμπέδηση που βλέπει ο μετατροπέας στους τερματικούς ακροδέκτες του αυξάνεται και είναι αυτή του εναπομείναντος τοπικού φορτίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι αρμονικές ρεύματος στην έξοδο του μετατροπέα να προκαλέσουν αύξηση των αρμονικών της τερματικής τάσης. Συνεπώς τότε έχουμε αύξηση του THD, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ενδεικτικό για την ανίχνευση της νησιδοποίησης. Δύο όρια προτείνονται για την ανίχνευση: ένα σχετικά με την αναμενόμενη παραμόρφωση της τάσης του δικτύου και ένα δεύτερο σχετικά με την παραμόρφωση που θα παραχθεί κατά τη διάρκεια της νησιδοποίησης, είτε από τις αρμονικές του αντιστροφέα ενισχυμένες από το τοπικό φορτίο, είτε από μη γραμμικά φορτία. Αν η παραμόρφωση του συστήματος είναι εκτός αυτών των ορίων, το σύστημα βρίσκεται σε κατάσταση νησιδοποίησης γιατί η αρμονική παραμόρφωση είναι πολύ υψηλή ή πολύ χαμηλή. Μια άλλη προσέγγιση είναι να καταγράφονται οι μεταβολές στις πιο σημαντικές αρμονικές της τάσης εξόδου του μετατροπέα. Πιο συγκεκριμένα, μεταβολές στην τρίτη αρμονική της τερματικής τάσης του DPGS μπορούν να βοηθήσουν στον εντοπισμό της νησιδοποίησης. Από πειράματα που έχουν γίνει εξήχθη το συμπέρασμα ότι η τρίτη αρμονική θα αυξηθεί σημαντικά αν συμβεί νησιδοποίηση, εξαιτίας της μαγνητικής υστέρησης των μετασχηματιστών που παραμένουν συνδεμένοι στο DPGS μετά την εμφάνιση της νησιδοποίησης. Το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι ότι θεωρητικά μπορεί να επιτύχει μηδενική NDZ, εφόσον δεν εξαρτάται από την 97

112 αναντιστοιχία ισχύος. Παρουσιάζει όμως πολλά αδύναμα σημεία. Στην περίπτωση που το RLC φορτίο λειτουργεί ως low pass φίλτρο, οι αρμονικές που θα χρησιμεύσουν για τον εντοπισμό του φαινομένου μπορεί να αποκοπούν από το ίδιο το φορτίο. Συνεπώς σε αυτήν την περίπτωση η μέθοδος μπορεί να αποτύχει. Σε κάποιες περιπτώσεις από την άλλη, μερικοί inverters μπορεί να αυξήσουν την παραμόρφωση της τάσης σε μια προσπάθεια εισαγωγής καθαρών ρευμάτων. Αυτό μπορεί να ληφθεί ως λανθασμένη ένδειξη εμφάνισης νησιδοποίησης. Το βασικό πρόβλημα επομένως είναι η δυσκολία να γίνει η μέθοδος αυτή αξιόπιστη και επιλεκτική, έτσι ώστε αφενός να εντοπίζει τη νησιδοποίηση όταν αυτή συμβαίνει, ανεξάρτητα από το μέγεθος της παραμόρφωσης της τάσης εξόδου του inverter και αφετέρου να ξεχωρίζει τις φυσιολογικές αλλαγές που συμβαίνουν στο αρμονικό περιεχόμενο από τις περιπτώσεις εμφάνισης του φαινόμενου νησιδοποίησης. Για την αντιμετώπιση αυτής της δυσκολίας προτείνονται τρεις προσεγγίσεις. Στην πρώτη προσέγγιση, που είναι κατάλληλη για τριφασικά DPGSs,η μέθοδος ανίχνευσης αρμονικών τροποποιείται λαμβάνοντας υπόψη ότι η ανισορροπία στο σύστημα είναι το αποτέλεσμα της θεώρησης ότι η μέθοδος ανίχνευσης μπορεί να αποτύχει, αν το RLC φορτίο έχει ισχυρά κατωδιαβατά χαρακτηριστικά. Αυτά τα χαρακτηριστικά εμφανίζονται όταν το φορτίο έχει υψηλό συντελεστή ποιότητας ή όταν ο αντιστροφέας έχει υψηλής ποιότητας και χαμηλής παραμόρφωσης έξοδο. Για να αυξηθεί η αξιοπιστία της μεθόδου, χρησιμοποιούνται και άλλοι δείκτες, όπως η ασυμμετρία στην τάση. Σε αυτήν την περίπτωση, ο μέσος όρος της συνολικής αρμονικής παραμόρφωσης THD του ρεύματος συνδυάζεται με πληροφορία για την ανισορροπίας στην τάση. Έτσι η συνιστώσα της ασυμμετρίας της τάσης (Voltage Unbalance-VUB avg ) και η διακύμανση του πλάτους των τριών φάσεων V avg προσδιορίζονται. Παρακάτω φαίνονται οι τύποι υπολογισμού αυτών των διακυμάνσεων. 98

113 Οι Va,Vb,Vc υποδηλώνουν RMS τιμές των τάσεων και Τ είναι η περίοδος του δικτύου. Οι u a,u b,u c υποδηλώνουν στιγμιαίες τιμές των τάσεων. Σε κάθε χρόνο δειγματοληψίας, αυτή η μέθοδος υπολογίζει την THDavg του ρεύματος της φάσης α, την VUBavg και τη μέση τιμή της διακύμανσης του πλάτους. Αρχικά, συγκρίνει αν η Vavg είναι χαμηλότερη από την προκαθορισμένη τιμή (p.u.). Αν είναι, τότε άμεσα ενεργοποιείται το σήμα για την προστασία κατά της νησιδοποίησης. Αλλιώς, η μέθοδος παρακολουθεί τις παραμέτρους THDavg και VUBavg. Εάν ακόμα δεν υπάρχει ένδειξη νησιδοποίησης, τότε η μέθοδος δοκιμάζει τη διακύμανση των μεταβλητών αυτών κατά τη διάρκεια ενός κύκλου, σύμφωνα με τις συνθήκες: (ΔTHDavg >75%) OR (ΔTHDavg < -100%) AND ( ΔVUBavg >50%) OR (ΔVUBavg < -100%) Εάν η παραπάνω λογική έκφραση είναι αληθής για διάρκεια μεγαλύτερη του ενός κύκλου, τότε ενεργοποιείται η προστασία. Έτσι, μπορεί να επιτευχθεί μια υψηλής ευαισθησίας ανίχνευση της νησιδοποίησης. Η δεύτερη προσέγγιση, που χρησιμοποιεί την εκτίμηση με τη βοήθεια φίλτρου Kalman της μεταβολής στην 3 η, 5 η και 7 η αρμονική, εκμεταλλεύεται την ευαισθησία σε διαταραχές και στον έλεγχο χωρίς αισθητήρες, της τάσης του δικτύου. Ο αλγόριθμος που φαίνεται στο Σχήμα 5.8 αξιολογεί όχι μόνο την απόλυτη τιμή των αρμονικών της τάσης του δικτύου, αλλά και τη διακύμανση του φάσματος. 99

114 Σχήμα 5.8: (α)αλγόριθμος ελέγχου χωρίς αισθητήρες της τάσης και (β) η υλοποίηση της μεθόδου για την εκτίμηση της αρμονικής της τάσης Η τρίτη προσέγγιση στη μέθοδο της αρμονικής παραμόρφωσης χρησιμοποιεί μέθοδο ανίχνευσης βασιζόμενη σε παρατήρηση κυματομορφής. Αυτή η μέθοδος μπορεί να ανιχνεύσει την κατάσταση της νησιδοποίησης από τοπικές μετρήσεις της τάσης στο PCC και από σήματα ρεύματος. Ωστόσο, αντίθετα με τις υπόλοιπες παθητικές μεθόδους, εκτιμά τις συνιστώσες υψηλής συχνότητας που εισάγονται από τον αντιστροφέα, για να αποκαλύψει τη νησιδοποίηση. 100

115 Σχήμα 5.9: Απεικόνιση της συμπεριφοράς της συχνότητας του DPGS όταν είναι συνδεμένο στο δίκτυο (on) και όταν βρίσκεται σε κατάσταση νησιδοποίησης (off) 101

116 5.6 Παρουσίαση των Ενεργών Μεθόδων Η κεντρική ιδέα των ενεργών μεθόδων βασίζεται στη σκόπιμη δημιουργία μικρών διαταραχών στην έξοδο του inverter, οι οποίες δημιουργούν αλλαγές σε κάποια από τις παραμέτρους του συστήματος (συχνότητα, φάση, αρμονικές, P, Q). Οι επιδιωκόμενοι στόχοι είναι: Η συχνότητα να ολισθήσει αρκετά έτσι ώστε να ενεργοποιηθεί η προστασία υπό/υπερσυχνότητας (OUF). Η τάση να ολισθήσει αρκετά ώστε να ενεργοποιηθεί η προστασία υπό-υπέρτασης (OUV). Ο υπολογισμός της εμπέδησης του δικτύου και έτσι εμμέσως ανίχνευση της νησιδοποίησης. Ανίχνευση αρνητικής ακολουθίας. Εκτίμηση με την χρήση PLL Μέθοδοι Ολίσθησης Συχνότητας Γενική αρχή Λειτουργίας Ο inverter διαθέτει κυκλώματα ελέγχου που ελέγχουν και ρυθμίζουν τη συχνότητα, τη φάση και την άεργο ισχύ στους τερματικούς ακροδέκτες του. Η συσκευή μπορεί λοιπόν να ρυθμίζει κάθε φορά τα μεγέθη εξόδου της, ώστε να συγχρονίζονται στη συχνότητα του φορτίου που βλέπει. Όταν το δίκτυο αποσυνδέεται, ο inverter δε δουλεύει πλέον στη συχνότητα του δικτύου αλλά τείνει να συγχρονιστεί σε μια νέα σταθερή συχνότητα η οποία είναι η συχνότητα συντονισμού του φορτίου που παραμένει συνδεμένο στους τερματικούς του ακροδέκτες. Όμως με κατάλληλη εφαρμογή θετικής ανάδρασης στα κυκλώματα έλεγχου του inverter επιτυγχάνεται μια γρήγορη μεταβολή της συχνότητας εξόδου του πάνω ή κάτω από κάποιο όριο συχνότητας, η υπέρβαση του οποίου σηματοδοτεί την ανίχνευση και διακοπή της νησιδοποίησης με τη χρήση και λειτουργία κατάλληλων ρελέ προστασίας έναντι OUF. Οι μέθοδοι αυτής της κατηγορίας έχουν τα πλεονεκτήματα πως είναι ιδιαίτερα γρήγορες στον εντοπισμό και διακοπή της νησιδοποίησης, διαθέτουν μια περιορισμένη ζώνη μη ανίχνευσης του φαινομένου της νησιδοποίησης και μπορούν εύκολα να ενσωματωθούν στα κυκλώματα ελέγχου του μετατροπέα. Τέλος με κατάλληλο σχεδιασμό της ανάδρασης μπορούν να γίνουν ιδιαίτερα αποτελεσματικές σε συστήματα που χρησιμοποιούν πολλούς μετατροπείς. 102

117 Ενεργός Ολίσθηση Συχνότητας (Active Drift Frequency) Με αυτή τη μέθοδο η κυματομορφή του ρεύματος εξόδου είναι ελαφρώς παραμορφωμένη, παρουσιάζοντας ένα τμήμα μηδενικού ρεύματος. Αυτό επιτυγχάνεται αναγκάζοντας τη συχνότητα του ρεύματος να είναι ελάχιστα υψηλότερη (δf= Hz) από τη συχνότητα της τάσης του προηγούμενου κύκλου και κρατώντας το ρεύμα του inverter ίσο με μηδέν από το τέλος του αρνητικού ημικυκλίου του έως τη στιγμή που η τάση περνάει από το μηδέν. Αυτή η διαδικασία βέβαια συμβαίνει μόνο όταν το κεντρικό δίκτυο είναι αποσυνδεμένο. Όταν όμως το DPGS είναι συνδεμένο με το κεντρικό δίκτυο, είναι αδύνατον να αλλάξει η συχνότητα λόγω της σταθερότητας στη συχνότητα που επιβάλλεται από το δίκτυο. Όταν λοιπόν το DPGS αποσυνδέεται από το δίκτυο, η συχνότητα της V α αναγκάζεται να ανέλθει ή να κατέλθει αφού ο inverter προσπαθεί να συγχρονιστεί με τη συχνότητα συντονισμού του φορτίου που βλέπει. Ο λεγόμενος συντελεστής διάτμησης για τη μέθοδο αυτήν ορίζεται ως: cf = = όπου Τ z είναι ο χρόνος μηδενικού ρεύματος του AFD σήματος και Τ είναι η περίοδος της τάσης του δικτύου. Στη μόνιμη κατάσταση η αναφορά του inverter και της φάσης αντίστοιχα, για αυτήν τη μέθοδο δίνονται από τους τύπους: i * = π θafd = π f Tz= Έτσι, η συχνότητα τείνει να αλλάζει συνεχώς, όμως η παρουσία του δικτύου προλαμβάνει την αλλαγή αυτή. Όταν όμως αυτή η κυματομορφή του ρεύματος εφαρμόζεται σε κατάσταση νησιδοποίησης σε ένα ωμικό φορτίο για παράδειγμα, η τάση θα ακολουθήσει την παραμορφωμένη κυματομορφή του ρεύματος και θα γίνει μηδέν σε μικρότερο χρόνο από ότι για μια καθαρά ημιτονοειδή κυματομορφή ρεύματος. Έτσι προκύπτει σφάλμα στη διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εξόδου του inverter. Ο inverter αυξάνει τη συχνότητα του ρεύματός του για να διορθώσει αυτό στο σφάλμα. Η τάση του ωμικού 103

118 φορτίου ακολουθώντας την κυματομορφή του ρεύματος εμφανίζει πάλι πιο νωρίς σημείο μηδενισμού σε σχέση με το αναμενόμενο. Ο inverter ανιχνεύει για άλλη μια φορά σφάλμα στη διαφορά φάσης τάσηςρεύματος και αυξάνει πάλι τη συχνότητα. Αυτή η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι τελικά η συχνότητα να υπερβεί κάποιο πάνω ή κάτω όριο και να ενεργοποιηθούν τα ρελέ προστασίας έναντι OUF. Τότε το DPGS αποσυνδέεται και η νησιδοποίηση σταματά. Σχήμα 5.10: Κυματομορφή του ρεύματος στη μέθοδο AFD Η μέθοδος αυτή δεν κρίνεται επαρκώς αξιόπιστη, καθώς δεν μπορεί να εξαφανίσει την NDZ. Εκτός αυτού, υποβαθμίζει την ποιότητα της ισχύος του δικτύου καθώς εισάγονται αρμονικές μικρής τάξης και είναι ακατάλληλη για παράλληλη λειτουργία πολλών inverter γιατί δεν μπορεί να επιτύχει ταυτόχρονο εντοπισμό εμφάνισης νησιδοποίησης. 104

119 Slip-mode Frequency Shift-SMS Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί θετική ανάδραση για να αποσταθεροποιήσει τον inverter όταν το κεντρικό δίκτυο αποσυνδεθεί και να αποτρέψει τη λειτουργία του σε ένα νέο σταθερό σημείο. Η ανάδραση εφαρμόζεται στη φασική γωνία φ που έχει η τάση V στο κοινό σημείο διασύνδεσης α. Η εφαρμοζόμενη ανάδραση δεν επηρεάζει τη συχνότητα του δικτύου. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, συνήθως ο inverter λειτουργεί υπό σχεδόν μοναδιαίο συντελεστή ισχύος, δηλαδή η διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος και τάσης εξόδου ρυθμίζεται να είναι μηδέν, ή τουλάχιστον όσο γίνεται πιο κοντά στο μηδέν. Στη μέθοδο όμως αυτή η διαφορά φάσης ρεύματος-τάσης, αντί να είναι πάντα μηδέν, ρυθμίζεται να είναι συνάρτηση της συχνότητας της τάσης στο κοινό σημείο σύνδεσης όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 5.11: Καμπύλες φάσης-συχνότητας i) για τον inverter (καμπύλη) ii) για το φορτίο (ευθεία) στη μέθοδο SMS Για μια περιοχή κοντά στη συχνότητα δικτύου ω 0, οι παραπάνω καμπύλες σχεδιάζονται ώστε η φάση του inverter να αυξάνεται ταχύτερα από τη φάση του RLC φορτίου. Αυτό καθιστά την συχνότητα του δικτύου ένα ασταθές σημείο λειτουργίας για τον inverter. Όσο το κεντρικό δίκτυο είναι συνδεδεμένο έχουμε σταθερό σημείο λειτουργίας για τη συχνότητα και τη διαφορά φάσης. Αυτό είναι το σημείο τομής της καμπύλης φορτίου και inverter, δηλαδή το σημείο Β όπου έχουμε συχνότητα 50 Hz και διαφορά φάσης 0 ο. 105

120 Όταν όμως το κεντρικό δίκτυο αποσυνδέεται, το νέο σημείο λειτουργίας για τον inverter και το φορτίο πρέπει να βρίσκεται σε κάποιο σημείο τομής της χαρακτηριστικής καμπύλης φάσης-συχνότητας του inverter (καμπύλη) και της καμπύλης φάσης-συχνότητας του φορτίου (ευθεία γραμμή). Έτσι αν υπάρξει κάποια μικρή διαταραχή στη συχνότητα της τάσης στον κόμβο α, λόγω της μορφής της χαρακτηριστικής του inverter θα προκληθεί αύξηση του σφάλματος φάσης. Αυτός είναι ο μηχανισμός της θετικής ανάδρασης και δημιουργεί μια κλασσική αστάθεια. Αυτή η αστάθεια του inverter στο ω 0 προκαλεί την περαιτέρω ενίσχυση της διαταραχής από τον ίδιο τον inverter. Έτσι το σύστημα οδηγείται σε ένα νέο σημείο λειτουργίας, δηλαδή στο σημείο Α ή Γ, ανάλογα με την κατεύθυνση της διαταραχής. Αν η χαρακτηριστική διαφοράς φάσης-συχνότητας του inverter είναι κατάλληλα σχεδιασμένη για το RLC φορτίο ώστε τα σημεία Α και Γ να βρίσκονται εκτός των ορίων για τη συχνότητα, τότε τα ρελέ προστασίας θα θέσουν τον inverter εκτός λειτουργίας και το DPGS θα αποσυνδεθεί. Στη μόνιμη κατάσταση, η αναφορά του αντιστροφέα και η φάση δίνονται από τις σχέσεις: i * = I sin(2π f t+θsms) θsms = θm sin( ) όπου fm είναι η συχνότητα στην οποία επιτυγχάνεται η μέγιστη φάση θm. Με τη μέθοδο αυτή μπορεί να επιτευχθεί θεωρητικά μηδενική NDZ, με δοσμένο συντελεστή ποιότητος Q, επιλέγοντας τους συντελεστές f m και θ m ώστε να ικανοποιούν την σχέση: Ωστόσο η μέθοδος SMS υποβαθμίζει την ποιότητα ισχύος του δικτύου και αδυνατεί να εφαρμοστεί σε ταυτόχρονη λειτουργία inverter συνδεδεμένων παράλληλα, λόγω μη ικανότητας ταυτόχρονου εντοπισμού νησιδοποίησης. 106

121 Sandia Frequency Drift Η μέθοδος αυτή καλείται και ενεργή ολίσθηση της συχνότητας με θετική ανάδραση (Active Frequency Drift with Positive Feedback- AFDPF) και αποτελεί βελτίωση της μεθόδου ADF όπου εδώ προσθέτουμε και θετική ανάδραση. Η θετική ανάδραση εφαρμόζεται στη συχνότητα της τάσης V α για να την οδηγήσει τελικά εκτός των αποδεκτών ορίων. Για να υλοποιηθεί η θετική ανάδραση, ο συντελεστής διάτμησης από την ADF εκφράζεται ως συνάρτηση του σφάλματος της συχνότητας της γραμμής σύμφωνα με τη σχέση: cf=cf0+k (f-fn) όπου k: συντελεστής επιτάχυνσης cf0: συντελεστής διάτμησης της μεθόδου όταν το σφάλμα στη συχνότητα της γραμμής είναι μηδενικό f-fn: η διαφορά της υπολογιζόμενης συχνότητας από την ονομαστική της τιμή Όταν το δίκτυο είναι συνδεμένο και δεν υπάρχει νησιδοποίηση, ανιχνεύονται ανεπαίσθητες αλλαγές στη συχνότητα και η μέθοδος προσπαθεί να αυξήσει τη μεταβολή στη συχνότητα όμως η σταθερότητα του δικτύου εμποδίζει οποιαδήποτε μεταβολή. Όταν το δίκτυο αποσυνδέεται και η συχνότητα f αυξάνεται, τότε και το σφάλμα συχνότητας αυξάνεται. Ο συντελεστής διάτμησης επίσης αυξάνεται και ο inverter αυξάνει τη συχνότητα του. Ο inverter λειτουργεί ώστε να εντείνει την απόκλιση της συχνότητας και με τη συνέχιση αυτής της διαδικασίας έχουμε παραβίαση των ορίων για τη συχνότητα οπότε και ενεργοποιούνται τα συστήματα προστασίας έναντι OUF. Η μέθοδος AFDPF πλεονεκτεί συγκριτικά με την AFD καθώς είναι ταχύτερη στον εντοπισμό και στη διακοπή της νησιδοποίησης και έχει μικρότερη NDZ. Είναι όμως επίφοβη για παρασιτικές ενεργοποιήσεις των μηχανισμών προστασίας OUF. Είναι δυνατόν να εφαρμοστεί σε παράλληλη λειτουργία πολλών inverter όμως η ποιότητα ισχύος μπορεί να επηρεαστεί. 107

122 Ενεργός ολίσθηση της συχνότητας με παλμικό συντελεστή διάτμησης (Active Frequency Drift with Pulsating Chopping Factor-AFDPCF) Η μέθοδος αυτή μοιάζει με την μέθοδο SFS που αναφέρθηκε παραπάνω, μόνο που εδώ ο συντελεστής διάτμησης cf, αντί να εξαρτάται από κάποιο κέρδος, έχει ένα εναλλασσόμενο παλμικό σχήμα, το οποίο οδηγεί πιο γρήγορα τη συχνότητα σε ολίσθηση κατά τη διάρκεια της νησιδοποίησης. Η σχέση που δίνει τον cf είναι η εξής: όπου cfmax και cfmin η μέγιστη και ελάχιστη τιμή του cf αντίστοιχα, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα: Σχήμα 5.12: Τμήμα διάτμησης στη μέθοδο AFDPCF Αυτή η μέθοδος τείνει να αυξήσει τη συχνότητα κατά μια περίοδο και να την μειώσει στην άλλη. Η μέγιστη και ελάχιστη τιμή του συντελεστή διάτμησης cf μπορούν να υπολογιστούν μαθηματικά, εισάγοντας αρμονική παραμόρφωση στο ρεύμα του δικτύου. Η μέθοδος AFDPCF απαιτεί μεγαλύτερους χρόνους εντοπισμού νησιδοποίησης, όμως ελέγχεται η ευστάθεια. Αν και εισάγει αρμονικές στο δίκτυο, η αρμονική παραμόρφωση (THD) και κατ επέκταση η υποβάθμιση της ποιότητας ισχύος μπορεί να ελεγχθεί. Είναι κατάλληλη για παρακολούθηση πολλών inverter που λειτουργούν παράλληλα, όμως υπάρχει ο περιορισμός ότι δεν μπορεί ένας inverter να αυξάνει τη συχνότητα και κάποιος άλλος να τη μειώνει. 108

123 Μεταβολή συχνότητας GE (GE Frequency Shift-GEFS) Με αυτήν τη μέθοδο, χρησιμοποιώντας θετική ανάδραση που προέρχεται από την εκτίμηση της συχνότητας, ενισχύεται το άεργο ρεύμα αναφοράς, με κατάλληλο φιλτράρισμα ώστε να μην επηρεάζεται η ευστάθεια. Το άεργο ρεύμα επηρεάζει άμεσα την άεργο ισχύ, αυξάνοντας την. Η αύξηση της άεργου ισχύος στο RLC φορτίο οδηγεί κατά τη νησιδοποίηση σε αύξηση της συχνότητας, οδηγώντας την έξω από τα όρια OUF. Η διαδικασία αυτή φαίνεται στο Σχήμα Αυτή η μέθοδος συνδυάζεται με την μέθοδο που χρησιμοποιεί θετική ανάδραση για την αύξηση της τάσης, η οποία θα παρουσιαστεί παρακάτω. Σχήμα 5.13: (α)διάγραμμα ροής θετικής ανατροφοδότησης συχνότητας και τάσης και (β) Υλοποίηση του ελέγχου. Η μέθοδος GEFS είναι αρκετά αξιόπιστη καθώς ελέγχεται η ευστάθεια και η NDZ μπορεί να εξαλειφθεί. Επίσης διατηρεί την ποιότητα ισχύος του δικτύου, αφού πρακτικά δεν επηρεάζει το THD και είναι κατάλληλη για έλεγχο inverter που λειτουργούν παράλληλα. 109

124 Μεταβολή αέργου ισχύος(reactive power variation, RPV) Η ιδέα στη μέθοδο αυτήν είναι να προστίθεται στο άεργο ρεύμα αναφοράς iq *, ένα σήμα αρμονικής παραμόρφωσης. Αυτή η παραμόρφωση προσπαθεί να μεταβάλει την συχνότητα της τάσης, πράγμα που δεν συμβαίνει όταν το δίκτυο είναι συνδεμένο. Στην κατάσταση της νησιδοποίησης όμως, η τάση θα εξαρτάται γραμμικά από το ρεύμα και οι μεταβολές στη συχνότητα μπορούν να ανιχνευθούν. Στη μέθοδο αυτή χρησιμοποιείται ένας ανιχνευτής παρέκκλισης της συχνότητας για να απαριθμεί τις ημιπεριόδους μέσα στο zero crossing, το οποίο παρεκκλίνει από την συχνότητα. Πέρα από έναν αριθμό απαριθμήσεων, η προστασία έναντι OUF ενεργοποιείται. Με τη μέθοδο RPV μπορεί να εξαλειφθεί η NDZ και να διατηρηθεί η ποιότητα ισχύος του δικτύου. Όμως δεν είναι δυνατός ο έλεγχος πολλών inverter συνδεδεμένων παράλληλα, καθώς κάποιοι είναι δυνατόν να προκαλέσουν αλλαγές στη συχνότητα στο PCC Μέθοδος Ολίσθησης Τάσης Οι μέθοδος αυτή στοχεύει στην ολίσθηση της τάσης, χρησιμοποιώντας τεχνολογία είτε θετικής ανάδρασης ρεύματος, είτε μεταβολής της άεργου ισχύος. Όσο το δίκτυο είναι παρόν, η τάση δεν μπορεί να μεταβληθεί. Σε κατάσταση νησιδοποίηση όμως, η διατάραξη θα ολισθήσει την τάση έως ότου αυτή ξεπεράσει τα όρια υπό-υπέρτασης (OUV) Μεταβολή Τάσης με Θετική Ανάδραση (Sandia Voltage Shift-SVS) Είναι μια από τις μεθόδους που χρησιμοποιούν θετική ανάδραση για την αποτροπή της νησιδοποίησης. Στη μέθοδο αυτήν, η θετική ανάδραση εφαρμόζεται στο πλάτος της V. Αν υπάρξει ελάττωση στο πλάτος της V ο inverter μειώνει το ρεύμα εξόδου του και κατ επέκταση και την ισχύ εξόδου του. Αν το κεντρικό δίκτυο είναι συνδεμένο υπάρχει μηδαμινή επίπτωση από την μείωση της ισχύος. 110

125 Όταν το δίκτυο αποσυνδέεται και υπάρχει μείωση της Vα, θα υπάρξει και περαιτέρω μείωση της, όπως επιβάλλεται από την απόκριση του RLC σύμφωνα με το νόμο του Ohm όταν υπάρχει μείωση του ρεύματος που το διαρρέει. Αυτή η επιπλέον μείωση του πλάτους της τάσης V οδηγεί με τη σειρά της σε περαιτέρω μείωση του ρεύματος εξόδου του inverter, η οποία τελικά θα οδηγήσει σε μια μείωση της τάσης τέτοια που να μπορεί να ανιχνευθεί από τα ρελέ προστασίας έναντι Under Voltage. Σημειώνεται πως είναι δυνατό να αυξηθεί ή να ελαττωθεί η ισχύς εξόδου του μετατροπέα ώστε να έχουμε λειτουργία των προστασιών έναντι υπέρτασης ή έναντι υπότασης αντίστοιχα. Προτιμάται ωστόσο η δεύτερη περίπτωση από την πρώτη, δηλαδή μείωση της ισχύος εξόδου και λειτουργία των προστασιών έναντι υπότασης, καθώς έτσι είναι λιγότερο πιθανό να έχουμε καταστροφή του εξοπλισμού. Παρατήρηση: Ύστερα από έρευνα έχει προταθεί η λογική της επιτάχυνσης της απόκρισης. Το σκεπτικό είναι ότι ο μετατροπέας αποκρίνεται σε μικρές αλλαγές στην πραγματική και άεργο ισχύ οι οποίες είναι επαρκείς για μια περαιτέρω μεταβολή τους στην ίδια κατεύθυνση. Αν τότε η τάση ή η συχνότητα συνεχίζει να αλλάζει στην ίδια κατεύθυνση, η απόκριση επιταχύνεται εκθετικά μέχρι να υπάρξει ενεργοποίηση των προστασιών έναντι OUV ή OUF. Για παράδειγμα η μείωση στην ισχύ όταν έχουμε νησιδοποίηση θα μπορούσε να είναι 0.5%, 1%, 2%,4%, 8%, 16%,32% και η προστασία έναντι υπότασης να ενεργοποιούταν. Η επιτάχυνση βελτιώνει το χρόνο απόκρισης, κρατάει τις μεταβολές στην ισχύ πολύ μικρές (συνήθως 1%) όταν το δίκτυο είναι παρόν, και δουλεύει καλά σε συστήματα όπου χρησιμοποιούνται πολλοί μετατροπείς. Η μέθοδος αυτή είναι εξαιρετικά αποτελεσματική μιας και έχει πολύ μικρή NDZ και παρά το γεγονός ότι είναι ενεργή, δε δημιουργεί προβλήματα στην ποιότητα της ισχύος του κεντρικού δικτύου με την προϋπόθεση βέβαια ότι αυτό είναι ικανοποιητικά ισχυρό. 111

126 5.6.3 Μέθοδοι Εκτίμησης της Εμπέδησης του Δικτύου Οι μέθοδοι αυτές στοχεύουν στην εκτίμηση της εμπέδησης του δικτύου και στην ανίχνευση μεταβολής της τιμής της μέσω της απόκρισης του δικτύου σε κάποια διατάραξη, όπως είναι η έγχυση αρμονικών ή η μεταβολή της πραγματικής ή της αέργου ισχύος. Οι κύριες μέθοδοι παρουσιάζονται παρακάτω Έγχυση αρμονικών (Harmonic Injection-HI) Η μέθοδος HI στοχεύει στην ανίχνευση της εμπέδησης του δικτύου, βασιζόμενη στη μελέτη των επιπτώσεων που έχει η ηθελημένη έγχυση αρμονικού ρεύματος με συγκεκριμένη συχνότητα και στην εξαγωγή της προκύπτουσας αρμονικής της τάσης, που εξαρτάται από την εμπέδηση του δικτύου στη συχνότητα αυτή. Το αρμονικό ρεύμα εγχέεται από τον inverter, ο οποίος προσθέτει μια αρμονική τάση στην τάση αναφοράς του, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.14α), όπου, θ PLL είναι η γωνία φάσης του δικτύου, όπως παρέχεται από τον PLL, Ig το ρεύμα του δικτύου, Ig * το ρεύμα αναφοράς, Vh1,2 οι αρμονικές τάσεις που εγχέονται και VPWM * η τάση αναφοράς του inverter. Οι αρμονικές ρεύματος και τάσης υπολογίζονται από έναν αλγόριθμο, ο οποίος αφαιρει τη θεμελιώδη συχνότητα και στη συνέχεια φιλτράρει, χρησιμοποιώντας ένα ρυθμιζόμενο φίλτρο συντονισμού. Αυτός ο αλγόριθμος φαίνεται στο σχήμα 5.14β). Όταν το κεντρικό δίκτυο είναι συνδεμένο και δεδομένου ότι του αντιστοιχεί μια εμπέδηση πολύ μικρότερη από το τοπικό, φορτίο τότε η εισαγόμενη αρμονική ρεύματος ρέει στο δίκτυο και συνεπώς δεν παρατηρείται καμιά ανωμαλία στην τάση. Όταν όμως το δίκτυο αποσυνδέεται τότε η εισαγόμενη αρμονική ρέει στο φορτίο που απομένει συνδεμένο με το DPGS και χαρακτηρίζεται από μία εμπέδηση συνήθως αρκετά μεγαλύτερη από αυτήν του δικτύου. Τότε το φορτίο παράγει μια αρμονική τάσης η οποία μπορεί να ανιχνευτεί. 112

127 Σχήμα 1.14: Έγχυση διπλής αρμονικής: (α) έγχυση και (β) επεξεργασία Για τον υπολογισμό των παραμέτρων του δικτύου στο παραπάνω σχήμα, χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις: { = = L g = R g = Z g = 113

128 όπου οι 1, 2 υποδηλώνουν τις εγχεόμενες αρμονικές συχνότητες, Rg και Lg είναι το ωμικό και επαγωγικό μέρος του δικτύου και Ζ1, Ζ2 είναι οι εμπεδήσεις του δικτύου που έχουν υπολογιστεί για τις συχνότητες ω 1 και ω 2 αντίστοιχα. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται η αρχή έγχυσης αρμονικών. Σχήμα 5.15: Αρχή της διπλής έγχυσης αρμόνικων σημάτων 114

129 Η μέθοδος Harmonic Injection αν και μπορεί να εξαλείψει την NDZ,είναι επίφοβη για παρασιτικές ενεργοποιήσεις, ανάλογα με την εμπέδηση του δικτύου. Η επίδραση στην ποιότητα ισχύος του δικτύου εξαρτάται από το χρόνο που μεσολαβεί μεταξύ των εγχύσεων των αρμονικών. Η εφαρμογή της μεθόδου αυτής δεν είναι δυνατή για παράλληλη λειτουργία πολλών inverter γιατί η παράλληλη έγχυση αρμονικών επηρεάζει την παρακολούθηση και προκαλεί παράσιτες ενεργοποιήσεις προστασίας από νησιδοποίηση Εκτίμηση της εμπέδησης του δικτύου με ενεργή μεταβολή της άεργου ισχύος (Grid Impedance Estimation by Active Reactive Power Variation-GIE-ARPV) Η μέθοδος αυτή βασίζεται στο γεγονός ότι η εμπέδηση του δικτύου μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας δυο στατικά σημεία λειτουργίας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.16, και χρησιμοποιώντας το νόμο τάσεων Kirchhoff. Σχήμα 5.16: Εκτίμηση της εμπέδησης του δικτύου με τη χρήση δύο στατικών σημείων λειτουργίας. Στο κύκλωμα έχουμε δυο αγνώστους: την εμπέδηση του δικτύου και την τάση στα σημεία παροχής ισχύος. Ο δεύτερος άγνωστος μπορεί να υπολογιστεί αν έχουμε δυο σύνολα μετρήσεων: = = 115

130 Οι τάσεις V1 και V2 αναπαριστούν την τάση στο PCC (V PCC ) για κάθε σημείο λειτουργίας, 1 και 2 αντίστοιχα. Αφαιρούμε κατά μέλη τις παραπάνω εξίσωσης: V1-V2=Zg (I1-I2) ΔV=Zg ΔΙ Επίσης Zg=Rg+j Lg = Οπότε: = ( ) { = 1 ( ) { = Δ Δ Δ Δ Δ Δ = Δ Δ Δ Δ [Δ Δ ] Όπως φαίνεται, ο παραπάνω αλγόριθμος υπολογισμού της εμπέδησης του δικτύου είναι πολύ πιο απλός από την έγχυση αρμονικών. Το μόνο πρόβλημα είναι ο τρόπος με τον οποίο θα μετακινηθεί ο αντιστροφέας από το ένα στάσιμο σημείο στο άλλο. 116

131 5.7 Ανίχνευση νησιδοποίησης βασιζόμενη σε χρήση PLL Αυτή η μέθοδος εκμεταλλεύεται την ήδη υπάρχουσα δομή του PLL για συγχρονισμό του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα με την τάση του δικτύου. Βασίζεται στην εσκεμμένη αλλαγή της γωνίας θpll που προέρχεται από την γωνία του ρεύματος του αντιστροφέα,. Συγκεκριμένα, ένα ημιτονοειδές σήμα (σinj), συγχρονισμένο με τον κύκλο, προστίθεται στη θpll έτσι ώστε να παραμορφώσει ελαφρώς τη φάση του ρεύματος του αντιστροφέα. Στη συνέχεια, ένα σήμα ανάδρασης (uq) εξάγεται από την τάση στο PCC ως αποτέλεσμα του εισηγμένου σήματος σinj. Η διαδικασίας φαίνεται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 5.17: Μέθοδος ανίχνευσης της νησιδοποίησης βασιζόμενη στην χρήση PLL Το εγχεόμενο σήμα σinj ορίζεται: σinj = k sin θpll) όπου το k είναι ένα κέρδος που χρησιμοποιείται για να επιλέξουμε το μέγεθος της παραμόρφωσης που απαιτείται για την ανίχνευση της νησιδοποίησης. Η αναφορά της γωνίας φάσης του ρεύματος γίνεται: sinθ = sin(θpll+ σinj) = sin(θpll+ k sinθpll) sinθ = sinθpll+ sin(2θpll) 117

132 Έτσι, για μικρές τιμές του k (k<0.05) η πρόσθεση του k sinθpll στη θpll ισοδυναμεί με την προσθήκη 2 ης αρμονικής (Α sin θpll) χωρίς να επηρεάζεται το μέτρο, όπως φαίνεται στα Σχήματα 5.18 και Σχήμα 5.18: (α)επίδραση του σήματος έγχυσης (σ inj ) στη γωνία αναφοράς του αντιστροφέα (θ inv *) κάτω από κανονικές συνθήκες λειτουργίας και (β) η επίδραση του ιδίου σήματος έγχυσης, όταν το πλάτος του σήματος αυτού είναι 10 φόρες μεγαλύτερο από όσο χρειάζεται. 118

133 Σχήμα 5.19: (α)επίδραση του σήματος έγχυσης (σ inj ) στο ρεύμα (του δικτύου) αναφοράς σε p.u. κάτω από κανονικές συνθήκες λειτουργίας και (β) η επίδραση του ίδιου σήματος έγχυσης, όταν το πλάτος του σήματος αυτού είναι 10 φόρες μεγαλύτερο από όσο χρειάζεται 119

134 Η απόκριση του δικτύου θα είναι μια 2 η αρμονική της τάσης με πλάτος που εξαρτάται από την τιμή της εμπέδησης του δικτύου, όπως φαίνεται στο ακόλουθο Σχήμα:. Σχήμα 1.20: Η σχέση μεταξύ του σήματος ανάδρασης και της εμπέδησης του δικτύου: (α) αντίσταση του δικτύου Rg και (β) επαγωγή του δικτύου Lg. 120

135 Το σήμα ανατροφοδότησης μπορεί να εξαχθεί από την τάση στο PCC μετά από μετασχηματισμό Park του u), οπότε και θα έχει γίνει η βασική αρμονική. Έτσι εξάγεται με τη βοήθεια ενός φίλτρου συντονισμού. Η επεξεργασία του σήματος ανάδρασης φαίνεται στο σχήμα 1.21, όπου λamp είναι το πλάτος του σήματος ανάδρασης που εξάγεται από το uq, λampavg50 είναι η μέση τιμή του σήματος λamp στα 50 Hz, λampavg5 είναι η μέση τιμή του σήματος λampavg50 στα 5 Hz και είναι η τιμή της διαφοράς ανάμεσα στην τιμή του λampavg50 και στην καθυστερημένη τιμή του λampavg5. Σχήμα 1.21: Επεξεργασία σήματος για ανίχνευση της νησιδοποίησης Σε περίπτωση που εμφανιστεί το φαινόμενο της νησιδοποίησης, αυτό θα αντικατοπτριστεί και στην τιμή της εμπέδησης του δικτύου. Η αλλαγή αυτή στην τιμή της εμπέδησης ανιχνεύεται στο σήμα ανάδρασης με την μορφή της συνιστώσας δ. Έτσι τελικά ενεργοποιείται η προστασία, σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα. 121

136 122

137 Κεφάλαιο 6 Μελέτη της εγκατάστασης 6.1 Εισαγωγή Στο κεφάλαιο αυτό θα αναλύσουμε όλη τη διαδικασία της μελέτης της εγκατάστασης. Η διαδικασία αυτή αποτελείται από διάφορα στάδια, καθένα από τα οποία έχει μεγάλη σημασία για το τελικό αποτέλεσμα της εγκατάστασης. Τα στάδια αυτά με τη σειρά με την οποία μελετώνται είναι η επισκόπηση του χώρου, η μελέτη σκίασης, η χωροθέτηση, ο υπολογισμός και η διαστασιολόγηση της Φ/Β μονάδας με βάση τη χωροθέτηση που έχουμε κάνει, ο υπολογισμός των DC και AC καλωδιώσεων και των διατάξεων προστασίας και τέλος η κατασκευή αντικεραυνικής προστασίας εάν αυτό επιβάλλεται από τους αντίστοιχους κανονισμούς, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της εγκατάστασης. Τέλος, αφού η εγκατάσταση είναι για συνδεθεί στο δίκτυο και τεθεί σε λειτουργία, είναι απαραίτητος ο έλεγχος της ορθής λειτουργίας της με τη βοήθεια κατάλληλων μετρήσεων. Στη συνέχεια θα παρουσιαστούν διεξοδικά όλα τα στάδια με τη σειρά που αναφέρθηκαν, με τους υπολογισμούς και τις εκτιμήσεις που γίνονται σε καθένα από αυτά. 6.2 Επισκόπηση χώρου-μελέτη σκίασης Το πρώτο στάδιο για να αρχίσει η μελέτη ενός Φ/Β πάρκου είναι η διενέργεια αυτοψίας, δηλαδή η επίσκεψη στο διαθέσιμο χωράφι, η μέτρηση διαστάσεων και η μελέτη σκίασης με το κατάλληλο όργανο, ώστε να εκτιμήσουμε ποια είναι τα τμήματα του χωραφιού τα οποία δε σκιάζονται από γειτονικά αντικείμενα (κτίρια, δέντρα κ.τ.λ.) καθ όλη τη διάρκεια του έτους, προκειμένου να αποφύγουμε απώλειες και φαινόμενα hot spot. Έτσι λαμβάνουμε εικόνες με τη βοήθεια του οργάνου SunEye σε διάφορα σημεία του χωραφιού που κρίνουμε απαραίτητο, στις οποίες προσομοιώνεται η σκίαση στο χώρο γειτονικά του σημείου για όλους τους μήνες του έτους. Σκοπός μας είναι με τη μέτρηση όσων σημείων χρειαστεί να εκτιμήσουμε το τμήμα εκείνο του χωραφιού στο οποία δε θα υπάρχει καθόλου σκίαση όλο το χρόνο, ώστε στο τμήμα αυτό να γίνει η εγκατάσταση. 123

138 Στη συνέχεια παρατίθενται ενδεικτικά κάποιες από τις εικόνες που λάβαμε με τη βοήθεια του SunEye σε διάφορα τμήματα του χωραφιού: Εικόνα

139 Εικόνα 6.2 Στις δύο εικόνες φαίνονται τα γειτονικά αντικείμενα στο σημείο όπου στεκόμαστε και με σκούρο πράσινο η σκίαση που αυτά προκαλούν όλους του μήνες, καθ όλη τη διάρκεια της ημέρας. Με ανοιχτό πράσινο είναι η έκταση αυτή γειτονικά του σημείου στο οποίο στεκόμαστε η οποία δε σκιάζεται και επομένως μπορούν να τοποθετηθούν Φ/Β πλαίσια. Όπως φαίνεται, κάθε εικόνα χωρίζεται σε κάθετες και οριζόντιες καμπύλες. Κάθε οριζόντια καμπύλη αντιστοιχεί στην αρχή κάθε μήνα του χρόνου και κάθε κάθετη αντιστοιχεί σε μία ώρα της ημέρας. Έτσι μπορούμε εύκολα να δούμε σε κάποιο σημείο τι σκίαση υπάρχει οποιαδήποτε μέρα του χρόνου, οποιαδήποτε ώρα. Με βάση λοιπόν τις εικόνες που λαμβάνουμε μπορούμε να εκτιμήσουμε την περιοχή εκείνη του χωραφιού όπου μπορεί να τοποθετηθεί η εγκατάσταση χωρίς καθόλου σκίαση. 125

140 6.3 Υπολογισμός Φ/Β μονάδας-διαστασιολόγηση Inverter Η ονομαστική ισχύς της εγκατάστασης είναι 100 kwp. Στην εγκατάσταση θα χρησιμοποιήσουμε 10 ίδιους τριφασικούς inverters ονομαστικής ισχύος 10 kw έκαστος (χωρίς να αναφέρουμε εταιρία και μοντέλο). Κάθε inverter διαθέτει 2 ανεξάρτητες μεταξύ τους εισόδους, με κάθε είσοδο να έχει δικό της MPPT. Στη συνέχεια παρατίθενται οι Πίνακες με τα στοιχεία λειτουργίας και οι απαραίτητα γραφικές για τον inverter που επιλέξαμε, στοιχεία απαραίτητα για σωστή διαστασιολόγηση. Αριθμός Εισόδων 2 Ονομαστική/Μέγιστη DC Ισχύς ανά είσοδο Μέγιστη DC Τάση ανά είσοδο 6000 W 1000 V Μέγιστη DC Ένταση εισόδου 12 A ( +2%) Ονομαστική/Μέγιστη DC Ισχύς συνολικά W ( +3%) Μέγιστο AC Ρεύμα εξόδου ανά φάση 15 Α (+2%) Πίνακας 6.1: Στοιχεία λειτουργίας του inverter που θα χρησιμοποιήσουμε Σχήμα 6.1: Διάγραμμα Απόδοσης-Ισχύος με παράμετρο την τάση λειτουργίας για τον inverter που θα χρησιμοποιήσουμε 126

141 Σημείωση: Όπως φαίνεται στον Πίνακα 6.1, ο λόγος ισχύος της Φ/Β μονάδας που συνδέεται στην είσοδό του προς την ονομαστική του συνίσταται από τον κατασκευαστή να μην ξεπερνά το 103%, γιατί αλλιώς ο inverter κόβει ισχύ ώστε να τηρείται αυτό το όριο και να μην προκληθεί ζημιά. Σχήμα 6.2: Περιοχή MPPT του inverter 127

142 6.3.2 Φ/Β συστοιχίες Αρχικά θα προβούμε σε μια πρώτη εκτίμηση του συνολικού αριθμού των πάνελ που απαιτούνται για την κάλυψη της συνολικής ισχύος που θέλουμε να έχει η Φ/Β εγκατάσταση. Τα απαραίτητα στοιχεία για τα πάνελ τα οποία επιλέγουμε για την εγκατάσταση φαίνονται παρακάτω: Σχήμα 6.3: Χαρακτηριστικές I-V για κάθε πάνελ που θα χρησιμοποιήσουμε με παράμετρο την προσπίπτουσα ακτινοβολία και τη θερμοκρασία αντίστοιχα Μέγιστη Ισχύς Pm 240 WP Τάση Μέγιστης Ισχύος Vmp 30.2 V Ένταση μέγιστης Ισχύος Imp 7.95 A Τάση ανοιχτού κυκλώματος VOC 37.6 V Ένταση Ρεύματος βραχυκυκλώματος ISC 8.4 A Απόδοση στοιχείου 14.8% Αντοχή Ισχύος +3% Πίνακας 6.2: Στοιχεία λειτουργίας των πάνελ που θα χρησιμοποιήσουμε 128

143 Εικόνα 6.3: Στοιχεία για τα πάνελ που θα χρησιμοποιήσουμε NOCT 25+2 Συντελεστής Θερμοκρασίας ISC (%/ C) Συντελεστής Θερμοκρασίας VOC (%/ C) Συντελεστής Θερμοκρασίας Im (%/ C) Συντελεστής Θερμοκρασίας Vm (%/ C) Συντελεστής Θερμοκρασίας Pm (%/ C) Πίνακας 6.3: Συντελεστές διόρθωσης των στοιχείων λειτουργίας των πάνελ για θερμοκρασία υψηλότερη από 25 C 129

144 Ο συνολικός αριθμός πάνελ που θα χρησιμοποιήσουμε θα είναι n= έ = ~ Άρα η εγκατάσταση θα έχει συνολικά 416 πάνελ και ονομαστική ισχύ = W p. Όπ ς προ ν φέρ με, σ ην εγκ σ ση θ χρησιμοποιηθο ν 10 ίδιοι τριφασικοί inverters ονομαστικής ισχύος 10000W έκαστος, με κάθε inverter να έχει 2 ανεξάρτητες εισόδους. Συνεπώς τα 416 πάνελ θα μοιραστούν με τον ίδιο τρόπο σε αυτούς τους 10 inverters. Προκειμένου να καλυφθούν όλα τα πάνελ, σε 4 inverters θα αντιστοιχούν 41 πάνελ στον καθένα(41 4=164 π νελ, εν σ ους υπ λοιπους 6 θ ν ισ οιχο ν 4 π νελ σ ον κ θέν 4 6= 5 π νελ. Η ν ισ οιχ inverter-π νελ φ νε ι σ ον π ρ κ Π ν κ : A/A Inverter Συνολικός αριθμός πάνελ στις εισόδους του inverter Αριθμός πάνελ στην είσοδο 1 Αριθμός πάνελ στην είσοδο Πίνακας 6.4: Αριθμός πάνελ σε κάθε είσοδο inverter Έτσι η συνολική Φ/Β γεννήτρια θα χωριστεί σε 20 Φ/Β αλυσίδες, καθεμία από τις οποίες θα αντιστοιχεί σε μία είσοδο inverter, με τρόπο που περιγράφεται από τον παραπάνω Πίνακα. Θα έχουμε δηλαδή 10 Φ/Β γεννήτριες, με έναν inverter και 2 Φ/Β συστοιχίες η καθεμία. 130

145 Ως γνωστόν, σε μια Φ/Β συστοιχία, ο αριθμός των πάνελ σε σειρά, δηλαδή ο αριθμός των πάνελ κάθε αλυσίδας, καθορίζει την τάση της αλυσίδας και επομένως ολόκληρης της συστοιχίας. Επίσης, μία συστοιχία μπορεί να συγκροτείται από αλυσίδες πάνελ συνδεδεμένες παράλληλα, ο αριθμός των οποίων καθορίζει το ρεύμα εξόδου της συστοιχίας. Σε κάθε περίπτωση πρέπει να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ κάθε Φ/Β συστοιχίας και του inverter που βρίσκεται συνδεμένος στην έξοδο της. Πρέπει δηλαδή να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ τάσης και του ρεύματος εξόδου της γεννήτριας και τάσης και ρεύματος εισόδου του μετατροπέα. Βασικό κριτήριο για τον καθορισμό του αριθμού των πλαισίων εν σειρά αποτελεί η επιθυμούμενη τάση στα άκρα της συστοιχίας η οποία πρέπει να καθοριστεί με βάση την τάση του inverter από την πλευρά της εισόδου του. Παρατηρώντας το Σχήμα 6.1 βλέπουμε πως ο inverter επιτυγχάνει μεγαλύτερη απόδοση όταν λειτουργεί με μεγάλη ισχύ, κοντά στην ονομαστική ισχύ του και η απόδοση μεγιστοποιείται για λειτουργία στα 7.5 kw, μένοντας πρακτικά σταθερή έως τα 10 kw. Επομένως θέλουμε κάθε inverter που επιλέξαμε να λειτουργεί στα 10 kw, αφ ενός για μέγιστη απόδοση και αφετέρου για ελαχιστοποίηση του αριθμού των inverter που θα χρησιμοποιηθούν. Επίσης παρατηρώντας τις καμπύλες που έχουν προκύψει με παράμετρο την τάση λειτουργίας, βλέπουμε πως ο inverter έχει καλύτερη απόδοση για μεγαλύτερη τάση και πρακτικά η μέγιστη απόδοση συναρτήσει της τάσης επιτυγχάνεται για λειτουργία κοντά στα 700V, μένοντας πρακτικά σταθερή για μεγαλύτερες τιμές τάσης λειτουργίας. Από τα παραπάνω συμπεραίνουμε πως για μεγαλύτερη οικονομία και καλύτερη απόδοσή των inverter, πρέπει κάθε inverter να λειτουργήσει στην ονομαστική του ισχύ και να έχει μεγάλη τάση εισόδου. Αυτό συνεπάγεται πως κάθε inverter θα έχει μικρό ρεύμα εισόδου (P=V I), κάτι που είναι επιθυμητό, καθώς έτσι μειώνονται οι ωμικές απώλειες (P απωλ. = Ι 2 R) και κατ επέκταση οι ελάχιστες απαιτούμενες διατομές των DC καλωδίων. Επομένως η καλύτερη στρατηγική είναι η ισχύς από τις Φ/Β συστοιχίες να μεταφέρεται στους αντίστοιχους inverters υπό τη μέγιστη δυνατή τάση και το ελάχιστο δυνατό ρεύμα και μήκος καλωδίων. Η καλύτερη επιλογή επομένως θα ήταν η κάθε συστοιχία που αντιστοιχεί σε μία είσοδο inverter να αποτελείται από όσο το δυνατόν περισσότερα πάνελ σε σειρά και όσο το δυνατόν μικρότερο αριθμό αλυσίδων συνδεδεμένων παράλληλα. Αρχικά λοιπόν ελέγχουμε εάν όλα τα πάνελ μίας συστοιχίας που αντιστοιχεί σε μία είσοδο inverter μπορούν να συνδεθούν σε σειρά σχηματίζοντας μόνο μία αλυσίδα, σύμφωνα με τις προδιαγραφές του inverter. 131

146 Πρώτα ελέγχουμε η μέγιστη τάση εξόδου μίας αλυσίδας 20 ή 21 πάνελ σε σειρά να μην ξεπερνά τη μέγιστη τάση εισόδου του inverter. Για 20 πάνελ σε σειρά η συνολική μέγιστη τάση εξόδου θα είναι: Voutmax 20 = = 20 VOC = = 752 V Για 21 πάνελ σε σειρά η συνολική μέγιστη τάση εξόδου θα είναι: Voutmax 21 = = 21 VOC = = V Οι παραπάνω τιμές είναι αρκετά χαμηλότερες από τα 1000 V, που είναι η μέγιστη τάση που μπορεί να δεχτεί κάθε είσοδος του μετατροπέα. Ωστόσο πρέπει να ληφθεί υπόψη πως σε θερμοκρασίες χαμηλότερες των 25 C (τα στοιχεία για τα πάνελ αναφέρονται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος 25 C) καθώς η τάση των πάνελ αλλάζει ανάλογα με τη θερμοκρασία λειτουργίας τους. Ο ακόλουθος Πίνακας δίνει τον κατάλληλο συντελεστή προσαύξησης της τάσης ανοιχτού κυκλώματος ανάλογα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος: Θερμοκρασία περιβάλλοντος ( C) Συντελεστής 24 έως έως έως έως έως έως έως έως έως έως έως έως έως Πίνακας 6.5: Διορθωτικοί συντελεστές για τη Voc σε πάνελ πολυκρυσταλλικού πυριτίου για θερμοκρασίες χαμηλότερες από 25 C Βλέπουμε πως όσο η θερμοκρασία περιβάλλοντος μειώνεται, ο συντελεστής προσαύξησης της τάσης των πάνελ αυξάνεται σημαντικά. Για να έχουμε κάνει μια πολύ ασφαλή εκτίμηση, θα υπολογίσουμε τη μέγιστη τάση εξόδου κάθε συστοιχίας σε ακραίες θερμοκρασίες. Το 132

147 διάστημα -11 C έως -15 C είναι μία αρκετά ακραία περίπτωση για την Πελοπόννησο, επομένως αν η μέγιστη τάση εξόδου δεν ξεπερνά τα 1000V σε αυτές τις συνθήκες, τότε η λειτουργία του inverter θα είναι ασφαλής. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος -11 C έως -15 C συνεπώς: η μέγιστη τάση εξόδου μίας συστοιχίας αποτελούμενης από 20 πάνελ σε σειρά θα είναι: V outmax 20 = 1.16 VOC 20 = = 872.3V< 1000V η μέγιστη τάση εξόδου μίας συστοιχίας αποτελούμενης από 21 πάνελ σε σειρά θα είναι: V outmax 21 = 1.16 VOC 21 = = V< 1000V Φαίνεται πως ακόμα και σε ακραία χαμηλές θερμοκρασίες, η μέγιστη τάση ανοιχτού κυκλώματος κάθε συστοιχίας αποτελούμενης από μόνο μία αλυσίδα των 20 ή 21 πάνελ σε σειρά απέχει αρκετά από τη μέγιστη επιτρεπτή τάση κάθε εισόδου του inverter. Το όριο των 1000 V για κάθε είσοδο του inverter επομένως δεν παραβιάζεται σε καμία περίπτωση. Ομοίως με την τάση, πρέπει να ελέγξουμε και το μέγιστο ρεύμα της κάθε συστοιχίας, το οποίο, εφόσον οι συστοιχίες τόσο των 20 όσο και των 21 πάνελ θα αποτελούνται μόνο από μία αλυσίδα, θα ισούται με το ρεύμα βραχυκύκλωσης ενός πάνελ. Έτσι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να προκύψει σε κάθε συστοιχία θα είναι: Ιoutmax = ΙSC = 8.4 A. Ωστόσο σε περιπτώσεις μεγάλης ηλιοφάνειας, είναι δυνατόν η προσπίπτουσα στην επιφάνεια των πάνελ ακτινοβολία να ξεπερνά τα 1000 W/m 2,τιμή στην οποία αναφέρονται τα χαρακτηριστικά των πάνελ που χρησιμοποιούμε, με αποτέλεσμα το ρεύμα εξόδου τους να αυξάνεται. Για το λόγο αυτό δίνουμε μία προσαύξηση 25% στο μέγιστο ρεύμα ώστε να είναι πιο ασφαλής η εκτίμησή μας. Έτσι θεωρούμε ότι το μέγιστο ρεύμα εξόδου που μπορεί να προκύψει σε κάθε συστοιχία είναι: Ι outmax = ΙSC 1.25= = 10.5 A < 12 A. Επομένως και το όριο μέγιστου ρεύματος εισόδου του inverter δεν παραβιάζεται σε καμία περίπτωση από την προτεινόμενη διαστασιολόγηση. Έπειτα πρέπει να ελέγξουμε εάν η τάση Vmp της κάθε συστοιχίας βρίσκεται εντός των ορίων τάσης για τα οποία ο μετατροπέας μπορεί να ψάχνει το σημείο MPP. Με άλλα λόγια πρέπει να ελέγξουμε εάν η κατώτερη τιμή τάσης κάθε συστοιχίας αφενός επαρκεί για να λειτουργεί ο inverter στον οποίο συνδέεται και αφετέρου εάν βρίσκεται εντός του 133

148 διαστήματος στο οποίο ο inverter μπορεί να ανιχνεύει το MPP (420V V). Σύμφωνα λοιπόν με τα στοιχεία του Πίνακα 6.2: Για 20 πάνελ σε σειρά η συνολική Vmp τάση εξόδου θα είναι: Vmp 20 = 20 Vmp = = 604 V Για 21 πάνελ σε σειρά η συνολική Vmp τάση εξόδου θα είναι: Vmp 21 = 21 Vmp = = V Οι παραπάνω τιμές τάσης όμως, όπως έχουμε πει και προηγουμένως αφορούν τη λειτουργία σε θερμοκρασία 25 C. Η θερμοκρασία γειτονικά των πάνελ όμως μπορεί να ανέρχεται στους 60 C ή 70 C, γεγονός που μειώνει την τάση εξόδου τους. Για να κάνουμε λοιπόν μία πολύ ασφαλή εκτίμηση για την τιμή της τάσης Vmp των συστοιχιών σε υψηλές θερμοκρασίες, θα υπολογίσουμε την Vmp στους 80 C, με τη βοήθεια των στοιχείων του Πίνακα 6.3. Επειδή Δθ = 80-25= 55 C, ο συντελεστής μείωσης της Vmp για τους 80 C θα είναι ( )% = -23.1% Για 20 πάνελ σε σειρά η συνολική Vmp τάση εξόδου στους 80 C θα είναι: Vmp 20,80 C = 20 Vmp ( )% = % = V > 420 V Για 21 πάνελ σε σειρά η συνολική Vmp τάση εξόδου στους 80 C θα είναι: Vmp 21,80 C = 21 Vmp ( )% = % = V > 420 V Τον ίδιο έλεγχο για την Vmp πρέπει να κάνουμε και για τις ακραία χαμηλά θερμοκρασίες. Όπως πριν για τη VOC, έτσι και για την Vmp θα κάνουμε έλεγχο σε αρκετά χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος, στο διάστημα -11 C έως -15 C. Εκεί για την Vmp θα έχουμε: Για 20 πάνελ σε σειρά η συνολική Vmp τάση εξόδου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος -11 C έως -15 C θα είναι: Vmp 20,-11 C = 20 Vmp 1.16= V < 800 V Για 21 πάνελ σε σειρά η συνολική Vmp τάση εξόδου σε θερμοκρασία περιβάλλοντος -11 C έως -15 C θα είναι: Vmp 21,-11 C = 21 Vmp 1.16= V < 800 V Βλέπουμε επομένως πως ακόμα ακραία υψηλές ή χαμηλές θερμοκρασίες, η τάση εξόδου των συστοιχιών που αποτελούνται τόσο από 21 όσο και από 20 πάνελ, βρίσκεται μέσα στο διάστημα στο οποίο o inverter μπορεί να ανιχνεύει το MPP. 134

149 Η καλύτερη επιλογή είναι οι 20 συστοιχίες να χωριστούν σε 10 διπλές βάσεις. Έτσι πίσω από κάθε βάση εγκαθίσταται ένας inverter και καθεμία από τις δύο συστοιχίες μίας βάσης συνδέεται σε μία είσοδό του. Η διάταξη αυτή που προτείναμε παραπάνω πρέπει φυσικά να μπορεί να προσαρμοστεί στο χωράφι, δηλαδή να χωράει μέσα στο τμήμα του χωραφιού το οποίο βρήκαμε ότι δε σκιάζεται καθόλου όλο το έτος. Πρέπει επομένως να γίνει κατάλληλη χωροθέτηση της εγκατάστασης, δηλαδή σχεδιαστικά να τοποθετηθούν όλα τα Φ/Β πλαίσια με τέτοιον τρόπο ώστε να βρίσκονται όλα στην επιφάνεια του χωραφιού που δεν υπόκειται σε σκίαση. Προφανώς είναι απαραίτητο να τηρηθούν και οι κατάλληλες αποστάσεις μεταξύ των βάσεων όπως θα υπολογιστούν στη συνέχεια, ώστε καμία βάση να μη σκιάζει κάποια άλλη. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.4για τον Νομό Ηλείας το γεωγραφικό πλάτος είναι περίπου φ=37. Από τον τύπο β opt = φ προκύπτει ότι β opt = 29.23, όπου β opt είναι η βέλτιστη κλίση που πρέπει να έχουν τα πάνελ ως προς το έδαφος για να εμφανίζουν μέγιστη απόδοση. Έτσι λοιπό οι βάσεις τοποθετούνται στο έδαφος με κλίση περίπου 30. Σχήμα 6.4: Γεωγραφικά πλάτη στον ελλαδικό χώρο 135

150 Τα Σχήματα που ακολουθούν, μας βοηθούν να υπολογίσουμε την ελάχιστη απόσταση που πρέπει να απέχει μία βάση από μπροστινή της, ώστε η μπροστά βάση να μη σκιάζει καθόλου την πίσω. Στο Σχήμα 6.5 φαίνεται η οριακή γωνία σκίασης δ μεταξύ δύο διαδοχικών μονών βάσεων ώστε η μπροστά να μη σκιάζει την πίσω. Για την περιοχή της Ανδραβίδας αυτή η οριακή γωνία δ είναι 14. Στο Σχήμα 6.6φαίνεται μία τρισδιάστατη (α) και μία πλάγια όψη (β) δύο διαδοχικών πάνελ που θα χρησιμοποιήσουμε, με κλίση 30 ως προς το έδαφος. Σχήμα 6.5: Οριακή γωνία σκίασης μεταξύ δύο διαδοχικών πάνελ σε κλίση Σχήμα 6.6: τρισδιάστατη και μία πλάγια όψη δύο διαδοχικών πάνελ που θα χρησιμοποιήσουμε, με κλίση 30 ως προς το έδαφος. 136

151 Με βάση το Σχήμα 6.6 β)έχουμε: tanδ = d = Για δ=14 προκύπτει ότι d=3.29 m και S =4.71 m Επειδή εμείς έχουμε διπλές βάσεις, δηλαδή διπλάσιο h και d, θα ισχύει d=6.58 m και S=9.42 m. Έτσι καταλήγουμε στην παρακάτω χωροθέτηση των πάνελ ως προς το τοπογραφικό διάγραμμα του χωραφιού: Σχήμα6.7: Χωροθέτηση πλαισίων στο χωράφι με προσανατολισμό το νότο Στο επόμενο σχήμα φαίνεται η εγκατάσταση από πιο κοντινή απόσταση με αναγραφόμενες τις αποστάσεις μεταξύ των βάσεων: 137

152 Σχήμα 6.8: Χωροθέτηση πλαισίων στο χωράφι τηρώντας τις απαραίτητες αποστάσεις ανάμεσα στις βάσεις Όπως φαίνεται, καθώς μας το επέτρεπε ο χώρος, για ασφαλέστερο διάστημα, τοποθετήσαμε τις βάσεις με d=7.16 m και S=10m Παρατήρηση: Σε θερμοκρασία 25 C η τάση εξόδου μίας αλυσίδας 21 πάνελ και κατ επέκταση η τάση εισόδου του αντίστοιχου inverter είναι V, τιμή που απέχει λίγο από τα 700 V που απαιτούνται στην είσοδο του inverter προκειμένου αυτός να λειτουργεί με τη μέγιστη απόδοσή του. Έστω ότι αυξάνουμε τα πάνελ μίας αλυσίδας κατά ένα, ώστε να αυξηθεί η τάση εξόδου της, αφήνοντας την από κάτω αλυσίδα με 21 πάνελ. Η ισχύς που θα δίνουν και οι δύο αλυσίδες στον inverter θα είναι (22+21) 240 W=10320 W. Ο κατασκευαστής του inverter ωστόσο μας δίνει την πληροφορία πως η μέγιστη ισχύς εισόδου του δεν πρέπει να ξεπερνά τα W. Επιπλέον εάν σε κάποιες αλυσίδες αυξάναμε τον αριθμό των πάνελ, κάποιες άλλες θα έμεναν με λιγότερα πάνελ. Έτσι επιλέγουμε να έχουν όλες οι συστοιχίες ίδιο αριθμό πάνελ και όλοι οι inverter να λειτουργούν με ίδιο βαθμό απόδοσης, ελάχιστα χαμηλότερο από το μέγιστό τους, που είναι 98%. Μετά τους παραπάνω ελέγχους συμπεραίνουμε πως η καλύτερη στρατηγική είναι κάθε συστοιχία να αποτελείται από μία μόνο αλυσίδα πάνελ σε σειρά, σύμφωνα με τον τρόπο που περιγράψαμε παραπάνω. Αυτό συμβαίνει όχι μόνο διότι τα όρια ρεύματος και τάσης των inverter δεν παραβιάζονται σε καμία περίπτωση, αλλά κι επειδή σε κανονικές συνθήκες τα επίπεδα τάσης και ισχύος στα οποία λειτουργούν οι inverters είναι τέτοια που τους επιτρέπουν να επιτυγχάνουν τις μέγιστες αποδόσεις τους. Έτσι η εγκατάσταση θα αποτελείται από 20 μονές αλυσίδες πάνελ, καθεμία από τις οποίες θα συνδέεται σε μία είσοδο inverter. 138

153 6.4 Υπολογισμός καλωδιώσεων Οι υπολογισμοί για καλώδια τάσεων μέχρι και 1000V AC ή1400 V DC γίνεται σύμφωνα με το πρότυπο CENELEC HD που είναι κανονισμός στην Ελλάδα και στα μέλη της Ε.Ε DC Καλώδια Στα DC καλώδια, το μέγιστο ρεύμα που πρέπει να αντέχουν υπολογίζεται ως Ι m = Isc για κάθε συστοιχία και λαμβάνουμε υπ όψιν διορθωτικούς συντελεστές για την θερμοκρασία. Οι DC αγωγοί περιβάλλονται από μόνωση πολυαιθυλενίου διασταυρωμένου δεσμού (XLPE) με μέγιστη θερμοκρασία τους 90 C. Οι inverters τοποθετούνται κοντά στη έξοδο των Φ/Β συστοιχιών ώστε να μειωθεί το μήκος των DC καλωδίων από την έξοδο κάθε συστοιχίας προς τον αντίστοιχο inverter. Στην εγκατάστασή μας, κάθε inverter θα τοποθετηθεί πίσω από την αντίστοιχη συστοιχία, στο μέσο της. Το μέγιστο συνεχές επιτρεπόμενο ρεύμα για τα DC καλώδια τα οποία θα είναι στον αέρα (εγκατάσταση εκτός εδάφους) υπολογίζεται ως εξής: όπου: Ι = Ι 0 f θ f n Ι 0 είναι το ρεύμα αναφοράς, που λαμβάνουμε από τους κατάλληλους Πίνακες με την αντίστοιχη διατομή και ισχύει για θερμοκρασία περιβάλλοντος 30 C και PVC μονωτικό, f θ είναι ο διορθωτικός συντελεστής για τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι η θερμοκρασία στο όριο του καλωδίου όταν αυτό δε φορτίζεται. Πρέπει δηλαδή να δοθεί προσοχή στις περιπτώσεις προσπίπτουσας ακτινοβολίας του ήλιου ή άλλης ακτινοβολίας ή πηγής που θερμαίνει το καλώδιο. f n είναι ο διορθωτικός συντελεστής για πλήθος κυκλωμάτων Ο Πίνακας που ακολουθεί μας βοηθάει να επιλέξουμε μία διατομή με βάση το ρεύμα I: 139

154 Πίνακας 6.6: Όρια φόρτισης πολυπολικών και μονοπολικών καλωδίων χαμηλής τάσης από χαλκό και PVC για τους 30 C και σε απόσταση των κυκλωμάτων (μεταξύ τους και από τοίχους) άνω του 0.3d όπου d είναι η διάμετρος του μανδύα. Για μόνωση EPR ή XLPE οι τιμές πολλαπλασιάζονται επί Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο Πίνακας 6.7 ο οποίος περιέχει το συντελεστή διόρθωσης f θ για θερμοκρασία περιβάλλοντος διαφορετική των 30 C και εφαρμόζεται για διόρθωση των τιμών του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος που δίνεται στον Πίνακα

155 Πίνακας 6.7: Συντελεστές διόρθωσης f θ για θερμοκρασία περιβάλλοντος διαφορετική των 30 C. Εφαρμόζονται για διόρθωση των τιμών του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος που δίνονται στον Πίνακα 6.6 Τέλος, παρατίθεται ο Πίνακας 6.8 με το συντελεστή διόρθωσης f n για την ομαδοποίηση περισσότερων από ένα κυκλωμάτων σε επαφή ή σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, ο οποίος εφαρμόζεται για τη διόρθωση των τιμών του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος του Πίνακα 6.6. Πίνακας 6.8: Συντελεστές διόρθωσης f n για την ομαδοποίηση περισσότερων από ένα κυκλωμάτων ή περισσότερων από ένα πολυπολικών καλωδίων σε επαφή ή σε απόσταση μεταξύ τους. Εφαρμόζονται για τη διόρθωση των τιμών του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος που δίνονται στον Πίνακα

156 Αρχικά θα υπολογίσουμε το μέγιστο ρεύμα που πρέπει να αντέξουν τα DC καλώδια στους 30 C το οποίο ισούται με Ι m = Isc = = Α. Από τον Πίνακα 6.7 επιλέγουμε μία αρκετά υψηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος για ασφάλεια, με τους 70 C να αποτελεί ένα αρκετά ασφαλές επίπεδο θερμοκρασίας. Ο αντίστοιχος συντελεστής f θ για μόνωση XLPE θα ισούται με Από τον Πίνακα 6.8 θα επιλέξουμε ένα διορθωτικό συντελεστή για πλήθος μονοπολικών καλωδίων σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Όπως αναφέραμε προηγουμένως, κάθε inverter θα τοποθετηθεί πίσω από την αντίστοιχη συστοιχία, στο μέσο της, προς ελαχιστοποίηση των DC καλωδιώσεων. Σε κάθε inverter συνδέονται 2 DC καλώδια, ένα στην πλευρά + και ένα στην πλευρά -. Επομένως έχουμε δύο καλώδια (κυκλώματα) σε κοντινή απόσταση. Στην περίπτωσή μας όμως, όπως έχει διευκρινιστεί, οι χρησιμοποιούμενοι inverters έχουν 2 ανεξάρτητες εισόδους και θα χρησιμοποιηθούν διπλές βάσεις στην εγκατάσταση. Σε κάθε βάση θα στηρίζονται 2 συστοιχίες (είτε των 20 είτε των 21 πάνελ), μία σε κάθε επίπεδο, καθεμία από τις οποίες θα συνδέεται με μία είσοδο του inverter. Αυτό σημαίνει πως στο πίσω μέρος κάθε βάσης, θα υπάρχει ένας inverter στον οποίο θα συνδέονται 4 καλώδια, 2 για κάθε είσοδο-έξοδό του. Επομένως για κάθε inverter θα υπάρχουν 4 DC καλώδια (ελεύθερα στον αέρα) σε μικρή απόσταση μεταξύ τους, συνεπώς από τον Πίνακα 6.8 θα επιλεγεί τιμή για το f n ίση με Αν και έχουμε μονοπολικό καλώδιο, από τον Πίνακα 6.6, θα επιλέξουμε διατομή από τη δεύτερη στήλη για τα διπολικά καλώδια, γιατί αφενός ο Πίνακας δεν περιέχει διατομές μονοπολικών καλωδίων για ρεύματα μικρότερα από 110Α και αφετέρου η περίπτωση διπολικού καλωδίου είναι πιο δυσμενής από το μονοπολικό, επομένως η περίπτωση διπολικού θα καλύπτει επαρκώς και το μονοπολικό καλώδιο. Έστω ότι επιλέγουμε διατομή αγωγού 2.5 mm 2 με μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα 30 Α. Η τιμή αυτή, πολλαπλασιάζεται επί 1.19 καθώς η μόνωση των καλωδίων είναι XLPE και έχει μεγαλύτερη αντοχή. Το μέγιστο αυτό επιτρεπόμενο ρεύμα πολλαπλασιαζόμενο με τους διορθωτικούς συντελεστές f θ και f n που επιλέξαμε, θα γίνει Ι= =13.46 Α>I m. Επομένως καλώδια με διατομή αγωγού 2.5mm 2 θα μπορέσουν οριακά να αντέξουν διαρκώς ρεύμα ίσο με I m. Για ρεύμα λοιπόν Α βλέπουμε πως μια διατομή DC αγωγού 2.5 mm 2 θα μας κάλυπτε. Ωστόσο είναι απαραίτητο να ελέγξουμε την πτώση τάσης για αυτή τη διατομή. 142

157 Η πτώση τάσης για μονοφασικό κύκλωμα, για μία επιλεχθείσα διατομή δίνεται από τον τύπο: = = (6.1) όπου Ψ είναι η ισοδύναμη αντίσταση ανά μονάδα μήκους, που είναι συνάρτηση της γραμμής και της γωνίας φ του συντελεστή ισχύος. Έχουμε τις σχέσεις: Ψ = R X tanφ (6.2) R = (ωμική αντίσταση) (6.3) Τα σύμβολα έχουν ως εξής: L=μήκος γραμμής (m) P=ισχύς (W) U=τάση (V) I=ρεύμα (Α) cosφ= συντελεστής ισχύος R,X = αντίσταση, ανάδραση ανά μονάδα μήκους (Ω/m) κ= αγωγιμότητα (Ω -1 m mm -2 ) στη θερμοκρασία λειτουργίας Α= διατομή (mm -2 ) Σημείωση: Όσον αφορά την αγωγιμότητα του αγωγού καλό είναι να λαμβάνεται από τις προδιαγραφές του, που συνήθως δίνονται σε θερμοκρασία θ 1 =20 C. Για διαφορετική θερμοκρασία θ 2 η αγωγιμότητα μεταβάλλεται (μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας). Έτσι για θερμοκρασία θ 2 > θ 1 ισχύει: κ θ2 = κ θ1 /{ (θ 2 -θ 1 )} (6.4) Η πτώση τάσης μετριέται σε ποσοστό επί τοις εκατό και για σταθερά l,p,u,i,cosφ, R,X δεν πρέπει να ξεπερνάει το 1% για DC και AC ρεύμα. 143

158 Άρα πρέπει να επιλεχθεί κατάλληλη διατομή Α τέτοια ώστε το μην ξεπερνά το 1%. Για ακόμη μεγαλύτερη απόδοση, θα επιλέξουμε διατομές αγωγών τόσο για τα DC όσο και για τα AC καλώδια τέτοιες ώστε το να κυμαίνεται κοντά στο 0.5% ή και λιγότερο. Στη σχέση (6.1) θα έχουμε Ι= Α και cosφ=1, καθώς θεωρούμε ότι οι inverters λειτουργούν με μοναδιαίο συντελεστή ισχύος. Η τάση θα ληφθεί για ένα υψηλό επίπεδο θερμοκρασίας, στους 70 C, ώστε να καλύπτεται η συνήθης περίπτωση κατά την οποία στα καλώδια και στα πάνελ συναντώνται υψηλές θερμοκρασίες. Βάσει βάση του Πίνακα 6.3, ο συντελεστής μείωσης για την τάση στους 70 C θα είναι 0.42 (70-25)% =-18.9%. Έ σι η ση εξ ου μ ς συσ οιχ ς ν 21 π νελ θ ε ν ι ( )= V. Η π σ ση L, εφ σον ο inverter θ ε ν ι σ ο μέσο ης συσ οιχ ς θ ε ν ι περ που ση με ο μ κος ης συσ οιχ ς, ηλ 21 0,992=20.83m. Λ μβ νε ι ση με 21 m. Η αγωγιμότητα κ του χαλκού σε θερμοκρασία θ 1 = 20 C είναι ίση με 56 Ω -1 m mm -2. Εμείς όμως μελετάμε λειτουργία του καλωδίου στους 70 C. Η αγωγιμότητα του χαλκού τότε, με βάση τη σχέση (6.4) είναι: κ 70 C =κ 20 C /{ (70-20)}=56/ =56/1.2=46.67 Ω -1 m mm -2. Έτσι Ψ =.. Το Χ είναι μηδέν γιατί έχουμε DC ρεύμα. Αντικαθιστώντας τις παραπάνω τιμές στη σχέση (6.1) για διατομή Α=2.5 mm 2 προκύπτει = %.. Αυτή η πτώση τάσης θέλουμε να μειωθεί. Για αυτό αυξάνουμε τη διατομή του αγωγού. Δοκιμάζοντας να θέσουμε στο Α την αμέσως μεγαλύτερη διαθέσιμη διατομή, τα 4 mm 2, η πτώση τάσης θα γίνει 0.574%. Η τιμή αυτή είναι ικανοποιητικά χαμηλή, ωστόσο μπορούμε να τη μειώσουμε κι άλλο, με περαιτέρω αύξηση της διατομής, επιλέγοντας αγωγούς διατομής 6 mm 2. Αυτό θα ήταν μία συμφέρουσα προσέγγιση καθώς το μικρό επιπλέον κόστος για καλώδια 6 mm 2 αντισταθμίζεται από την περαιτέρω μείωση της πτώσης τάσης, η οποία θα περιοριστεί στο %. 144

159 6.4.2 AC Καλώδια Τα καλώδια εναλλασσόμενου ρεύματος θα είναι τύπου JIVV (NYY) και θα βρίσκονται θαμμένα στο έδαφος μέσα σε σωλήνες, σε βάθος περίπου 0.7m. Θα έχουν μόνωση PVC καθώς η θερμοκρασία εδάφους στην οποία θα εκτίθενται είναι σχετικά χαμηλή (25-30 C) και επομένως δεν υπάρχει λόγος για χρήση μόνωσης XLPE Τα AC καλώδια της εγκατάστασης χωρίζονται σε δύο ομάδες: i) Στα AC καλώδια που ξεκινούν από την έξοδο του κάθε inverter και καταλήγουν στον κεντρικό πίνακα της εγκατάστασης και ii) Στο ΑC καλώδιο που ξεκινά από τον κεντρικό πίνακα και συνδέεται στη χαμηλή τάση του δικτύου. Προφανώς το καλώδια της δεύτερης κατηγορίας θα έχει αρκετά μεγαλύτερη διατομή από αυτά της πρώτης, καθώς θα άγει το συνολικό ρεύμα απ όλους τους inverters. Για καλώδια θαμμένα στο έδαφος η μέγιστη συνεχής επιτρεπόμενη ένταση δίνεται από τον τύπο: όπου: Ι = Ι 0 f θ f c f i Ι 0 είναι η ένταση αναφοράς η οποία διαρρέει συνεχώς τους αγωγούς και λαμβάνεται από τον Πίνακα 6.12 και ισχύει για τις παρακάτω συνθήκες: -βάθος 0.7m -θερμοκρασία εδάφους 20 C -ειδική θερμική αντίσταση εδάφους k=2.5 Κ m/w -έν σ σ ημ μονοφ σικ ριφ σικ f θ είναι διορθωτικός συντελεστής εξαρτώμενος από τη θερμοκρασία του εδάφους και δίνεται στον Πίνακα f c είναι διορθωτικός συντελεστής εξαρτώμενος από την ειδική αγωγιμότητα του εδάφους και δίνεται στον Πίνακα f i είναι διορθωτικός συντελεστής εξαρτώμενος από το πλήθος των συστημάτων που γειτνιάζουν και δίνεται στον Πίνακα 6.15 αν τα για καλώδια που βρίσκονται είναι μέσα σε σωλήνες. 145

160 Η θερμοκρασία του εδάφους δεν είναι πάντοτε διαθέσιμο στοιχείο. Είναι μέγιστη κατά τους μήνες Ιούλιο-Αύγουστο. Κατά IEC αυτή μπορεί να ληφθεί ως εξής: Πίνακας 6.9: Θερμοκρασία εδάφους για κάθε κλίμα κατά IEC Η θερμική αντίσταση του εδάφους εξαρτάται από την υγρασία του και μειώνεται με την αύξηση της υγρασίας. Η δημοσίευση IEC προτείνει να λαμβάνονται οι εξής τιμές: Πίνακας 6.10: Θερμική αντίσταση εδάφους για κάθε κλίμα κατά IEC Για το Νομό Ηλείας επιλέγουμε υγρό κλίμα με κανονική βροχόπτωση και επομένως θερμική αντίσταση 1 Κ m/w. Στη συνέχεια παρατίθενται οι σχετικοί Πίνακες που αναφέρθηκαν παραπάνω: Πίνακας 6.11: Μέγιστα συνεχώς επιτρεπόμενα ρεύματα σε Α, καλωδίων χαμηλής τάσης εγκατεστημένων στο έδαφος. Μόνωση από PVC ή EPR ή XLPE, αγωγός από χαλκό, ημιτονοειδές ρεύμα συχνότητας 50 Hz. 146

161 Πίνακας 6.12: Συντελεστές διόρθωσης f θ για θερμοκρασία εδάφους διαφορετική των 20 C. Εφαρμόζονται για τη διόρθωση των τιμών του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος που δίνονται στον Πίνακα 6.11 Πίνακας 6.13: Συντελεστές διόρθωσης f c για ειδική θερμική αντίσταση εδάφους διαφορετική από 2.5 K m/w. Εφαρμόζονται για τη διόρθωση των τιμών του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος που δίνονται στον Πίνακα 6.11 Πίνακας 6.14: Συντελεστές διόρθωσης f i για περισσότερα από ένα κυκλώματα με καλώδια τοποθετημένα στο έδαφος. Εφαρμόζονται για τη διόρθωση των τιμών του μέγιστου επιτρεπόμενου ρεύματος που δίνονται στον Πίνακα