ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΙΣ ΑΠΕ ΦΒ σύστημα Ενεργειακοί υπολογισμοί Γ. ΒΙΣΚΑΔΟΥΡΟΣ Ι. Φραγκιαδάκης Φ. Μαυροματάκης Τύποι συστημάτων Μη διασυνδεδεμένα (off-grid) Αυτόνομα (αποθήκευση) Υβριδικά (αποθήκευση) Διασυνδεδεμένα (on-grid) Κεντρικά (centralized) Κατανεμημένα (distributed) Πλεονεκτήματα των ΦΒ Δε ρυπαίνουν Αξιόπιστη λειτουργία για πολλά έτη (>) Χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης (Ο&Μ) Δεν έχουν κινούμενα τμήματα (εκτός από ιχνηλάτες) Μπορούν να συνδυαστούν με ευκολία σε μικρά ή μεγάλα συστήματα Μπορούν να τοποθετηθούν παντού, όπου φωτίζεται Ενσωματώνονται αρμονικά στο περιβάλλον χωρίς επίδραση στη λειτουργικότητα ή την αισθητική του χώρου (αρχαιολογικοί χώροι) Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε δασικές ή σε δυσπρόσιτες περιοχές (πυροπροστασία δασών, ηλεκτροδότηση κτηνοτροφικών μονάδων, αναμεταδότες τηλεπικοινωνιών) Ηλεκτροδότηση θαλάσσιων εφαρμογών (φάροι, μαρίνες, σκάφη,...) Παράγουν κατά μέγιστο κατά τις ώρες αιχμής ζήτησης του δικτύου Συμβάλλουν στη βελτίωση της ποιότητας ισχύος στη μείωση των απωλειών μεταφοράς και στην αύξηση της αξιοπιστίας παροχής ηλεκτρικής ενέργειας από το δίκτυο. 3 1
Μειονεκτήματα ΦΒ Σχετικά υψηλό αρχικό κόστος επένδυσης Χαμηλή πυκνότητα παραγόμενης ηλ. ισχύος (kwhm εγκατάστασης) Χρονική εξέλιξη ισχύος αιχμής εγκατεστημένων ΦΒ συστημάτων, παγκοσμίως Εγκατεστημένη ισχύς (GW p ) 5 0 15 5 11 1 13 14 15 16 17 18 1 000 001 00 003 004 005 006 007 008 00 0 Έτη 6 Κόστος ανά Watt (peak) Ηλιακό Δυναμικό 0.0 0.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0.0 0.0.0 Κόστος σε US$ 007 6.0 5.0 4.0 3.0.0 1.0 0.0 15 16 17 18 1 000 001 00 003 004 005 006 0.0 175 177 17 181 183 185 187 18 11 13 15 17 1 001 003 005 % 0% -% -0% -% -40% -50% Ηράκλειο (Ελλάς) Beneixama (Ισπανία) Porto (Πορτογαλία) Πηγή : PVGIS Bordeaux (Γαλλία) Ηλιακό δυναμικό (% διαφορές) Genova (Ιταλία) Zuerich (Ελβετία) Vienna (Αυστρία) Stuttgart (Γερμανία) amburg (Γερμανία) Brussels (Βέλγιο) Cardiff (Ηνωμένο Βασίλειο) Oslo (Νορβηγία) Πηγή : Worldwatch Institute 7 8
Ετήσια Ενεργειακή απολαβή σε κεκλιμένο επίπεδο Σύγκριση σε σχέση με την ηλιοφάνεια Ώρες ηλιοφάνειας 15.0%.0% 5.0% 0.0% -5.0% -.0% -15.0% Χανιά Ρέθυμνο Ηράκλειο Τυμπάκι Ιεράπετρα Σητεία Φιλαδέλφια Ελληνικό Θεσσαλονίκη Πάτρα -0.0% -5.0% Ηλιακά δεδομένα Ηλιακά δεδομένα 0.0 00.0 Αίθρια & νεφοσκεπής ημέρα Μήνας : Μάιος Μέρα : ΑΙΘΡΙΑ ΜΕΡΑ Ηλιακή ακτ. (Wm ) 800.0 600.0 400.0 00.0 0.0 04:04 06:8 08:5 11:16 13:40 16:04 18:8-00.0 Ώρα BI=80%GI DI=0%GI 11 3
Ηλιακά δεδομένα Μήνας : Μάιος ΣΥΝΝΕΦΙΑΣΜΕΝΗ ΜΕΡΑ Μέρα : 3 Ενεργειακή απολαβή ηλιακής ακτινοβολίας, Η t (kwhm ) G t t T G dt t i G t,i t i BI=60%GI DI=40%GI G t,i Δt i Παράδειγμα 4 Η καμπύλη της πυκνότητας ισχύος της ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια μιας ημέρας δίνεται στο παρακάτω σχήμα : Παράδειγμα 4 t6 0 t t6 1 1618 68 114 8 t 6800Wh 6. 8kWh 1416 t 0 t 6800Wh Gt 83.33W m 4 4 Πόση είναι η ημερήσια ενεργειακή απολαβή σε kwhm ; Πόση είναι η μέση πυκνότητα ισχύος σε ένα 4ώρο ; t8 G68 t 400 6 8 G6 8dt 400Wh t6 t 400 8 G8 dt 400 0Wh t8 m m t 1 G 1dt 800 1600Wh t 1 m t14 00 1 14 G1 14dt 600 1400Wh t1 m t16 14 16 G14 16dt 400 00Wh t14 00 m t18 16 18 G16 18dt 400 800Wh t16 m t0 400 18 0 G18 0dt 400Wh t18 t0 0 m 4
Τυπικές τιμές ηλεκτρικής ενέργειας από ΦΒ συστοιχία Για φωτοβολταϊκή συστοιχία 1 kw p και t = 5,4 kwhm (Ηράκλειο Κρήτης) E ΦΒ = 4,3 kwhd ή E ΦΒ =1570 kwhy Αποδοτικότητα Y (kwhkw p ) (Energy Yield) Συντελεστής χρησιμοποίησης CF (Capacity Factor) Αποδοτικότητα, Υ E Y P Συντ. Χρησιμοποίησης kwh kw p p Y CF T (%) Κατανομή ετήσιας ενεργειακής απολαβής ηλιακής ακτινοβολίας, & της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ενέργειας ανά kw p Παράδειγμα ΦΒ συστοιχία 3.5kW απέδωσε 55000Wh κατά τον μήνα Ιούλιο. Να υπολογιστεί ο συντελεστής χρησιμοποίησης. ΛΥΣΗ 55kWh 55kWh CF 0.0 0.% 3.5kW 4h 604kWh Η (kwhm.a) Υ (kwhkw p a) 5
Εφαρμογές Κατηγορίες ΦΒ συστημάτων Οικιακή και βιομηχανική χρήση Φωτισμός Ψύξη Άντληση - άρδευση Επικοινωνίες Κίνηση Κατηγορίες ΦΒ συστημάτων Μονογραμμικό διάγραμμα ΦΒ συστήματος Άμεση χρήση κατά την ημέρα ΦΒ συστοιχία DC-DC Converter Ελεγκτής φόρτισης Inverter Κατανάλωση Αποθήκευση - Έμμεση χρήση Συσσωρευτής 6
Απώλειες Σκίαση, σκόνη, φύλλα κ.λπ. Καλωδιώσεις (συνδέσεις, εκδορές, τρωκτικά!) Συντελεστές Απωλειών Συντελεστής απωλειών μεταφοράς ενέργειας n α (Άμεση Αξιοποίηση): απόδοση converter, απώλειες γραμμών μεταφοράς, απόδοση inverter n n n n w conv inv Συντελεστής απωλειών μεταφοράς ενέργειας n ε (Έμμεση Αξιοποίηση): απόδοση διόδων, απόδοση συσσωρευτών απώλειες γραμμών μεταφοράς n n n n E D w E Πηγή : IEA PVPS Πηγή : Εργ. ΦΒ Πάρκο 5 Συντελεστές Απωλειών Συντελεστής απωλειών καλωδιώσεων : n w, 0.8% Συντελεστής απωλειών διόδων : n D 0.% V I( A) R Απώλειες γραμμής μεταφοράς : ( ) V V ( V ) l km L( km) Παράδειγμα Κατοικία τροφοδοτείται από ΦΒ σύστημα τεσσάρων ΦΒ πλαισίων με χαρακτηριστικά : Ι SC =4.5A, V OC =1V και Ι m,stc =4.0Α, V m,stc =17V α) Να προσδιορίσετε τον καταλληλότερο τρόπο σύνδεσης των πλαισίων σε συστοιχία για ελαχιστοποίηση των ενεργειακών απωλειών στη γραμμή μεταφοράς που έχει μήκος 40m. β) Ποιο είναι το εμβαδόν της καταλληλότερης διατομής των καλωδίων της, ώστε οι απώλειες σε αυτή να είναι %. ΛΥΣΗ α) Στόχος : Μικρότερο δυνατό μέγιστο ρεύμα Ελαχιστοποίηση απωλειών γραμμής μεταφοράς Επομένως ο καταλληλότερος τρόπος σύνδεσης είναι και τα 4 πλαίσια σε σειρά Ι m,stc =4.0Α V m,stc =4*17V=68V 7
Παράδειγμα ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΙΣ ΤΑΣΗΣ β) Τυπικό Ρεύμα Συστοιχίας : Ιm,STC=4.0Α Τυπικό Ρεύμα Συστοιχίας : Vm,STC=4*17V=68V=Vπ V R I ( A) ( ) L(km) V l km V (V ) R V V (V ) 1 68V 1 ( ) 0.0 4.5 l km V I ( A) L (km) 4 A 40 3 km km Από τον πίνακα προκύπτει ότι η πλησιέστερη τιμή είναι 4mm ηe = 0.03η5% + 0.06η% + 0.13η0% + 0.η% + 0.48η50% + 0.0η0% Ανακλαστικότητα Στιγμιαία ισχύς, Pm και ημερήσια ενέργεια, t Συντελεστής απόκλισης λόγω ανακλαστικότητας 1,0 PΦΒ Ανακλαστικότητα 1,00 S E ΦΒ P p PR 0,80 t G STC Pm Pm η G t S η G S Gt η t Pm Pp Pp η STC G STC η Pp η STC G STC S STC GSTC S Αναφερόμενοι σε χρονικές 0,60 0,40 0,0 0,00 0 0 40 50 60 70 80 0 0 και E ΦΒ Γωνία πρόσπτωσης (μοίρες) 4 h 0 οπου PR Pm dt E ΦΒ Pp PR t G STC E ΦΒ η, G t, ο λόγος επίδοσης. E ΦΒ ηstc, G t περιόδους μηνός ή έτους χρησιμοποιούμε, αντί του t, τη μέση τιμή, στην αντίστοιχη περίοδο t Λόγος Επίδοσης : πηλίκο της αποδιδόμενης ηλεκτρικής ενέργειας, προς αυτή που μπορεί να αποδοθεί σε ιδανικές λειτουργίες 8
Πυκνότητα ισχύος ηλιακής ακτινοβολίας, Gt Μέγιστη ισχύς συστοιχίας, Pm Παράδειγμα Διασυνδεδεμένο ΦΒ σύστημα παράγει kwhday όπου η ενεργειακή απολαβή είναι 5.1kWhm στο επίπεδο των ΦΒ πλαισίων. Εάν ο λόγος επίδοσης είναι 0.7 να υπολογίσετε την ονομαστική αιχμή της συστοιχίας. ΛΥΣΗ ASE 50 (Pp=00 W) 800 Gt Pm PSTC PR 600 Gt (kwm ), Pm (W) 00 400 PSTC 00 0 0 4 6 8 t PSTC GSTC PR t GSTC kwh 5.46kW 5.1kWh m 0.7 1kW m 1 14 16 18 0 4 Time Υπολογισμοί Υπολογισμοί Μήνες Ημέρες ανά μήνα Ενεργειακή Απολαβή (t) Λόγος Επίδοσης PR από 1 Kw EΦΒ(kWh)day Συνολική EΦΒ(kWh) Μήνες Ημέρες ανά μήνα Ενεργειακή Απολαβή (t) Λόγος Επίδοσης PR από 1 Kw EΦΒ(kWh)day 3.38 3.7 Ιανουάριος 3,6 0,854 Ιανουάριος 3,6 0,854 Φεβρουάριος 8 4,41 0,845 Φεβρουάριος 8 4,41 0,845 Μάρτιος 5,06 0,8 Μάρτιος 5,06 0,8 4. Απρίλιος 5,3 0,806 Απρίλιος 5,3 0,806 4.78 5.3 Μάιος 6,76 0,786 Μάιος 6,76 0,786 Ιούνιος 6,58 0,787 Ιούνιος 6,58 0,787 Ιούλιος 6,70 0,781 Ιούλιος 6,70 0,781 5.18 5.4 Αύγουστος 6,68 0,75 Αύγουστος 6,68 0,75 5.3 Σεπτέμβριος 6,1 0,80 Σεπτέμβριος 6,1 0,80 Οκτώβριος 4,0 0,840 Οκτώβριος 4,0 0,840 5.1 4.1 Νοέμβριος 3,84 0,855 Νοέμβριος 3,84 0,855 Δεκέμβριος 3, 0,867 Δεκέμβριος 3, 0,867 Σύνολο έτους Συνολική EΦΒ(kWh) 3.8.68 Σύνολο έτους
Υπολογισμοί Ενεργειακό ισοζύγιο σε ΦΒ σύστημα Gt Μήνες Ημέρες ανά μήνα Ενεργειακή Απολαβή (t) Λόγος Επίδοσης PR από 1 Kw EΦΒ(kWh)day Συνολική EΦΒ(kWh) Ιανουάριος 3,6 0,854 3.38 4.78 Φεβρουάριος 8 4,41 0,845 3.7 4. 4.16 1. 143.4 164. Μάρτιος 5,06 0,8 Απρίλιος 5,3 0,806 Μάιος 6,76 0,786 4.78 5.3 Ιούνιος 6,58 0,787 5.18 155.4 Ιούλιος 6,70 0,781 5.4 5.3 16.44 164. 153 17.7 Αύγουστος 6,68 0,75 Σεπτέμβριος 6,1 0,80 Οκτώβριος 4,0 0,840 5.1 4.1 Νοέμβριος 3,84 0,855 3.8 8.4 Δεκέμβριος 3, 0,867.68 83.08 Pm S EΦΒ ημετ Ενεργειακό ισοζύγιο : E m EL Λαμβάνοντα ς υυπόψ ότι : E Pp PR η σχέση ισοζυγίου γ γίνετ : Pp PR άρα έπεται : Pp Σύνολο έτους Υπολογισμοί m=1,15 EL t GSTC t m EL GSTC 1 GSTC m EL PR t Υπολογισμοί n_μετ=0,84 m=1,15 Μήνες Ημέρες ανά μή να Ενεργειακή απολαβή (kwhm) Λόγος Επίδοσης Ώρες λειτουργίας Φορτίο (W) Ιανουάριος 3,6 0,854 1 Φεβρουάριος 8 4,41 0,845 1 Μάρτιος 5,06 0,8 Απρίλιος 5,3 Μάιος Ιούνιος n_μετ=0,84 Μήνες Ημέρες ανά μή να Ενεργειακή απολαβή (kwhm) Λόγος Επίδοσης Ώρες λειτουργίας Φορτίο (W) 40 Ιανουάριος 3,6 0,854 1 40 1.17 40 Φεβρουάριος 8 4,41 0,845 1 40 1.06 11 0 Μάρτιος 5,06 0,8 11 0 0.7 0,806 00 Απρίλιος 5,3 0,806 00 0.57 6,76 0,786 Μάιος 6,76 0,786 0.4 6,58 0,787 Ιούνιος 6,58 0,787 0.43 Ιούλιος 6,70 0,781 Ιούλιος 6,70 0,781 0.4 Αύγουστος 6,68 0,75 Αύγουστος 6,68 0,75 0.4 Σεπτέμβριος 6,1 0,80 00 Σεπτέμβριος 6,1 0,80 00 0.54 Οκτώβριος 4,0 0,840 11 0 Οκτώβριος 4,0 0,840 11 0 0.80 Νοέμβριος 3,84 0,855 1 40 Νοέμβριος 3,84 0,855 1 40 1.0 Δεκέμβριος 3, 0,867 1 40 Δεκέμβριος 3, 0,867 1 40 1.47 Απαιτούμενη ισχύς σε kw 3 Απαιτούμενη ισχύς σε kw 40