Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ΙΙ ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (ΜΕΡΟΣ Β) Ώρες Διδασκαλίας: Τρίτη 9:00 12:00. Αίθουσα: Υδραυλική

Transcript

1 Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας ΙΙ ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ: ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ (ΜΕΡΟΣ Β) Ώρες Διδασκαλίας: Τρίτη 9:00 12:00 Αίθουσα: Υδραυλική Διδάσκων: Δρ. Εμμανουήλ Σουλιώτης, Φυσικός Επικοινωνία:

2 Είδη Φωτοβολταϊκών Εγκαταστάσεων Αυτόνομα Φωτοβολταϊκά Συστήματα ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 2

3 Είδη Φωτοβολταϊκών Εγκαταστάσεων Διασυνδεδεμένα Φωτοβολταϊκά Συστήματα ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 3

4 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Εγκαταστάσεις Μέσης Ισχύος στα Κτήρια ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 4

5 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Εγκαταστάσεις Μικρής Ισχύος στα Κτήρια ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 5

6 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Εγκαταστάσεις Μικρής Ισχύος στα Κτήρια ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 6

7 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Εγκαταστάσεις Μικρής Ισχύος στα Κτήρια ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 7

8 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Εγκαταστάσεις Μέσης Ισχύος στα Κτήρια ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 8

9 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών στα κτήρια ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 9

10 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών στα κτήρια ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 10

11 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 11

12 Εφαρμογές Φωτοβολταϊκών Συτημάτων Ενσωμάτωση των φωτοβολταϊκών ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 12

13 Φωτοβολταϊκή Εγκατάσταση του Εργαστηρίου ΑΠΕ Μετεωρολογικός Σταθμός Φωτοβολταϊκά ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 13

14 Φωτοβολταϊκή Εγκατάσταση του Εργαστηρίου ΑΠΕ Χρονοδιακόπτες Controller Ηλεκτρονικά Ισχύος Inverter Μπαταρίες Φορτίο Κατανάλωσης Διαιρέτης Τάσης Shunt Διακόπτες Μπαταρίες ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 14

15 Συνδεσμολογία Φωτοβολταϊκής Εγκατάστασης ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 15

16 Φωτοβολταϊκή Εγκατάσταση του Εργαστηρίου ΑΠΕ Αλεξικέραυνο Πυρανόμετρο Μετεωρολογικός Σταθμός Ανεμοδείκτης Πυρανόμετρο Data Logger Ανεμόμετρο Υγρασιόμετρο Multiplexer Data Logger ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 16

17 Συνδεσμολογία PV Όργανα - Data Logger ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 17

18 Σχεδίαση του Αυτόνομού Φωτοβολταϊκού Συστήματος Σχεδίαση Συστήματος για Φωτοβολταϊκή Παραγωγή Ενέργειας Για τη σχεδίαση συστήματος για φωτοβολταϊκή παραγωγή ενέργειας πρέπει να ληφθούν υπόψη: Τα μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής Ο χρόνος λειτουργίας του συστήματος Η διαδικασία της διαστασιολόγησης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος απαντά στο ερώτημα: Ποιος ο αριθμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων για την κάλυψη του φορτίου κατανάλωσης? Εναλλακτικά, ποια τα κριτήρια σχεδίασης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος? Η αυτοδυναμία του συστήματος Ο διαθέσιμος χώρος εγκατάστασης Οι ενεργειακές απαιτήσεις Η αποθήκευση της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 18

19 Σχεδίαση του Αυτόνομού Φωτοβολταϊκού Συστήματος Η επιφάνεια του φωτοβολταϊκού πλαισίου καθορίζεται με βάση τη σχέση: Ε φ : Οι ενεργειακές απαιτήσεις για κάθε μήνα (μηνιαίο φορτίο κατανάλωσης) Η Τ : Ολική μηνιαία Ηλιακή Ακτινοβολία η συστ : Η συνολική απόδοση του συστήματος (φωτοβολταϊκά, ηλεκτρονικά ισχύος, γραμμή μεταφοράς, κ.α.) σ Τ : σ ρ : σ ρ =1 (για περιβάλλον χωρίς ρύπανση), σ ρ =0.8 (για υψηλό επίπεδο ρύπανσης ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 19

20 Σχεδίαση του Αυτόνομού Φωτοβολταϊκού Συστήματος Αναφορικά με τα στοιχεία των φωτοβολταϊκών πλαισίων, τα ηλεκτρικά στοιχεία: Μέγιστη Ηλεκτρική Απόδοση (Pm), Μέγιστο Ρεύμα (Ιm), Μέγιστη Τάση (Vm), Ρεύμα Βραχυκύκλωσης (Ιsc), Τάση Ανοικτού Κυκλώματος (Voc), δίνονται από τον κατασκευαστή σε συνθήκες πιστοποίησης. Με δεδομένο ότι οι τιμές των χαρακτηριστικών παραμέτρων εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες (όπως εξετάστηκαν προηγούμενα), ο χαρακτηρισμός των φωτοβολταϊκών πλαισίων επιβάλλεται να γίνεται με βάση συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας. NOCT (Normal Operation Conditions Test) ή STC (Standard Test Conditions) Πυκνότητα Ηλιακής Ισχύος: G = 1,000W/m² Θερμοκρασία Επιφάνειας Πλαισίου: T = 25 C Αέρια Μάζα: AM=1.5 (Θυμίζουμε ότι η αέρια μάζα εκφράζει πρακτικά την ποιότητα της ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης) ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 20

21 Σχεδίαση του Αυτόνομού Φωτοβολταϊκού Συστήματος Σημαντική παράμετρος στο σχεδιασμό του συστήματος είναι η αυτονομία του από τους συσσωρευτές (λειτουργία μέσω αποκλειστικής λειτουργίας μέσω αποθήκευσης της ενέργειας): S p : Αριθμός Ημερών του Μήνα που Λειτουργεί Αυτοδύναμα το Σύστημα N S : Μέγιστες Ώρες Ηλιοφάνειας τη Μέση Μέρα του Μήνα d om : Αριθμός Ημερών του Μήνα N SO : Πραγματικές Ώρες Ηλιοφάνειας του Μήνα ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 21

22 Σχεδίαση του Αυτόνομού Φωτοβολταϊκού Συστήματος Η διαστασιολόγηση των συσσωρευτών (Υπολογισμός της χωρητικότητας): Ε σ : Απαιτούμενη ενέργεια για την κάλυψη γνωστής κατανάλωσης S p ημερών αυτοδυναμίας του συστήματος Q: Η ονομαστική χωρητικότητα του συσσωρευτή ή οποία καθορίζει και το ποσό της ενέργειας που μπορεί να αποθηκεύσει. U σ : Ονομαστική Τάση που μπορούν οι συσσωρευτές να παρέχουν σε 20h λειτουργία με ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης. β: βάθος Εκφόρτισης που δηλώνει το ποσοστό της αποθηκευμένης στο συσσωρευτή (ενέργεια που μπορεί να ανακτηθεί (β= )) η σ : Βαθμός Απόδοσης του Κυκλώματος Εκφόρτισης των Συσσωρευτών P: Μέση Ισχύς που μπορεί να καλύψει ο συσσωρευτής για S p ημέρες ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 22

23 Ασκήσεις - Εφαρμογές 1. Σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο πολυκρυσταλλικού πυριτίου εμβαδού 0.5m² θέλουμε να μελετήσουμε την ηλεκτρική του συμπεριφορά κάτω από διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Η ονομαστική του απόδοση σε STC είναι 16.8%, ο συντελεστής FF (πρακτικά αμετάβλητος) είναι 0.8 και η τάση ανοικτού κυκλώματος του πλαισίου είναι 24volts. Με δεδομένο ότι η μέγιστη ισχύς του πλαισίου ελαττώνεται κατά 0.4% για κάθε 1 C αύξηση της θερμοκρασίας της επιφάνειάς του, υπολογίστε: a) To ρεύμα βραχυκύκλωσης του πλαισίου σε STC. b) Tη μέγιστη απόδοση του πλαισίου για θερμοκρασίες 15 C, 35 C, 55 C και 65 C για πυκνότητες ηλιακής ισχύος αντίστοιχα 1,100W/m², 900W/m², 850W/m², 800W/m². c) Τη μαθηματική σχέση που εκφράζει τη μεταβολή της μέγιστης απόδοσης του φωτοβολταϊκού πλαισίου συναρτήσει της θερμοκρασίας της επιφάνειάς του. ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 23

24 Ασκήσεις - Εφαρμογές 2. Δίνεται με τη μορφή γραφήματος η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου εμβαδού 0.88 m². Υπολογίστε όλα τα βασικά ηλεκτρικά μεγέθη του πλαισίου στις αντίστοιχες συνθήκες. Ποια είναι η εξίσωση που εκφράζει τη μεταβολή της ηλεκτρικής απόδοσης συναρτήσει της θερμοκρασίας? Το αρχείο με τα δεδομένα σας δίνεται ηλεκτρονικά. Θα πρέπει να συμπληρωθούν στο φύλλο με τα δεδομένα όλες οι μεταβλητές ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 24

25 Ασκήσεις - Εφαρμογές 3. Δίνεται με τη μορφή γραφήματος η ηλεκτρική συμπεριφορά ενός φωτοβολταϊκού πλαισίου εμβαδού 0.63m² σε STC. Υπολογίστε αρχικά τον συντελεστή FF και θεωρήστε τον σταθερό για το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας του πλαισίου ακολούθως. Ποια είναι η ονομαστική μέγιστη απόδοση του φωτοβολταϊκού πλαισίου στις συνθήκες STC? Στον παρακάτω πίνακα δίνονται η μέση μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει στο φωτοβολταϊκό πλάισιο με κλίση 45 σε μια περιοχή της Ελλάδας. Ας θεωρήσουμε μια εγκατάσταση από φωτοβολταϊκά πλαίσια αυτού του τύπου με ονομαστική ισχύς αιχμής 3kW P. Πόση είναι η ηλεκτρική ενέργεια που θα παράγει το φωτοβολταϊκό σύστημα σε ετήσια βάση? ΤΕΙ Δυτικής Ελλάδας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΤΕ, 2015 Φωτοβολταϊκά Συστήματα (Μέρος B) 25