Jovan Solar Final

Univerzitet u Beogradu Elektrotehnički fakultet

Seminarski rad Obnovljivi izvori energije - Projektovanje solarnih panela -

Student: Jovan Jovanović, 194/2012 Beograd, jun 2016.

S AD R Ž AJ 1.

Projektni zadatak...............................................................................................................................2 1.1

2.

Zadatak..........................................................................................................................................2 Izrada projekta...................................................................................................................................4

2.1

Rešenje zadatka 1..........................................................................................................................4

2.2

Rešenje zadatka 2..........................................................................................................................5

2.3

Rešenje zadatka 3..........................................................................................................................6

2.4

Rešenje zadatka 4..........................................................................................................................8

2.5

Rešenje zadatka 5........................................................................................................................10

2.6

Rešenje zadatka 6........................................................................................................................12

2.7

Rešenje zadatka 7........................................................................................................................14

2.8

Rešenje zadatka 8........................................................................................................................15

2.9

Rešenje zadatka 9........................................................................................................................15

2.10

Rešenje zadatka 10..................................................................................................................16

1

1. PROJEKTNI ZADATAK Projektuje se PV panel koji treba postaviti na krov jedne kuće i povezati na distributivnu mrežu. Opis objekta:  WGS koordinate kuće su N = 44.01°, E = 18.55°, H = 1155 m;  Objekat je izveden sa krovom “na dve vode“ sa jednakim stranama. Dimenzije strana krova su (10 x 25) m i potpuno su raspoložive za postavljanje solarnih panela. Postavljanje PV panela je predviđeno da bude na jednoj strani krova;  Nagib strane krova u odnosu na horizontalu je 1 = 35°;  Sleme krova je orjentisano u odnosu na pravac istok-zapad pod uglom 2 = 15°;  Kuća se nalazi na ravnom terenu i okružena je livadom. Koeficijent ambijentalne refleksije za travnatu površinu iznosi 15% do 20%. Usvojeno je da je koeficijent refleksije ρ = 0.2. Opis mernih podataka:  Merni podaci obuhvataju: desetominutni vrmenski interval, srednju desetominutnu horizontalnu iradijaciju [W/m2], srednju desetominutnu temperaturu vazduha [0C] merenu na visini 6 m;  Merenje horizontalne solarne iradijacije je vršeno u neposrednoj blizini objekta pomoću Li-Core piranometra;  Merenje temperature vazduha je vršeno pomoću NRG S110 senzora temperature. 1.1

ZADATAK 1. Za analiziranu mernu lokaciju odgovarajućim usrednjavanjem raspololoživih mernih podataka formirati dnevni dijagram promene srednjih satnih vrednosti horizontalne iradijacije (IH=f(t)) i dnevni dijagram promene srednjih satnih vrednosti temperature vazduha (=f(t)) za prosečan dan u januaru. 2. Dekomponovati ukupnu horizontalnu iradijaciju na direktnu i difuzionu komponentu i dati grafički prikaz srednjih satnih vrednosti za prosečan dan u analiziranom mesecu. 3. Odabrati stranu krova na koju će biti projektovan PV panel. Za odabranu površ (stranu krova) proračunati i grafički predstaviti: direktnu, difuzionu, reflektovanu i ukupnu iradijaciju sa srednjom satnom rezoluciojom za prosečan dan u analiziranom mesecu. Proračunati odgovarajuće komponente dnevne insolacije. 4. Izvršiti izbor fotonaponskih modula (proizvođač i model) i šemu njihovog električnog povezivanje u panel i dati osnovne karakteristike formiranog panela (aktivna površina, nazivna DC-STC snaga, nazivna efikasnost, napon otvorenog kola, struja kratkog spoja, ...). Pri projektovanju težiti da se odabrana strana krova što bolje iskoristi vodeći računa i o estetskom faktoru. Skicirati izgled objekta sa postavljenim PV panelom. 5. Izvršiti izbor odgovarajućeg invertora (proizvođač i model) za povezivanje PV panela na distributivnu mrežu. Proračunati maksimalni napona koji se može javiti na DC priključcima invertora uz pretpostavku da je najniža ambijentalna temperatura -200C. Pretpostaviti koeficient nadtemperaturnog smanjenje napona na priključcima panela od 0,38%/ 0C (ukoliko za odabrani modul nije deklarisana druga vrednost).. 2

6. Izvršiti proračun i dati grafički prikaz dnevnog dijagrama snage proizvodnje PV panela sa satnom rezolucijom. Proračun izvršiti za snagu na DC i AC priključcima. Pretpostaviti nadtemperaturno smanjenje efikasnosti od 0,5 %/0C (ukoliko za odabrani modul nije deklarisana druga vrednost). Pri proračunu usvojiti dodatne gubitke i to: 3% zbog neuparenosti modula i 4% zbog zaprljanja aktivne površine modula. Na osnovu krive efikasnosti odabranog invertora proračunati Euro efikasnost i proračunatu efikasnost koristiti u analizi gubitaka u ivertoru. 7. Izvršiti proračun očekivane proizvodnje električne energije koju bi projektovani PV panel predao distributivnoj mreži u prosečnom danu analiziranog meseca. Proračunati odgovarajući faktor iskorišćenja kapaciteta za analizirani mesec. 8. Izvršiti proračun (iterativno) optimalnog nagibnog i azimutnog ugla panela i izvršiti proračun proizvodnje PV panela ako bi on bio optimalno orjentisan. Proračunati smanjenje efiksanosti proizvodnje projektovanog PV panela u odnosu na optimalnu orjentaciju. 9. Izvršiti proračun prosečne cene proizvedenog kWh projektovanog PV panela u analiziranom mesecu, ako bi se energija plasirala na evropsku berzu električne enrgije (EEX). Uporediti dobijenu cenu sa prosečnom cenom na berzi za analizirani mesec. 10. Predložiti i skicirati električnu šemu vezivanja opreme i izvršiti proračun nazivnog napona i struje rasklopne opreme.

3

2. IZRADA PROJEKTA 2.1 REŠENJE ZADATKA 1 Za analiziranu mernu lokaciju odgovarajućim usrednjavanjem raspololoživih mernih podataka formirati dnevni dijagram promene srednjih satnih vrednosti horizontalne iradijacije (IH = f (t)) i dnevni dijagram promene srednjih satnih vrednosti temperature vazduha ( = f (t)) za prosečan dan u januaru. Srednja dnevna horizontalna iradijacija iznosi: I srednje=54.5427

W m2

Slika 1. Dnevni dijagram promene srednjih satnih vrednosti horizontalne iradijacije (IH = f (t)) za prosečan dan u januaru

Slika 2. Dnevni dijagram promene srednjih satnih vrednosti

4

temperature vazduha (θ = f (t)) za prosečan dan u januaru

2.2

REŠENJE ZADATKA 2

Dekomponovati ukupnu horizontalnu iradijaciju na direktnu i difuzionu komponentu i dati grafički prikaz srednjih satnih vrednosti za prosečan dan u analiziranom mesecu. Nagibni ugao PV panela: 1 = 350 Azimutni ugao PV panela u odnosu na jug: 2 = 150 Redni broj centralnog dana za mesec januar je: n = 31/2 = 15.5 ≈ 16. Geografska širina na kojoj se nalazi PV panel: N 44.010 Formule potrebne za računanje podataka traženih u zadatku 2. su: Komponente horizontalne insolacije: I H =I DH + I BH Srednja horizontalna dnevna insolacija ekstraterestičkog zračenja: H SR +¿ H SR sin L sin δ cos L cos δ sin ¿ 24 360 n I 0= SC 1+ 0.034 cos ¿ π 365

( )

[

(

)]

Solarna deklinacija za centralni dan u analiziranom mesecu: 360 δ =23.45 sin ( n−81) 365

[

]

Satni ugao izlaska Sunca: H SR=cos−1 (−tan L tan δ) Liu-Jourdan-ova relacija za dekompoziciju ukupne horizontalne komponente zračenja na direktno i difuziono: I DH I =1.390−4.027 K T + 5.531 K 2T −3.108 K 3T , K T = H , IH I0 gde je KT indeks vedrosti. Rezultati proračuna:  Srednja dnevna ukupna horizontalna insolacija: kWh I 0=W ukupno =1.309 2 m 

Direktna komponenta srednje dnevne horizontalne insolacije: kWh I BH =W direktno =0.6608 2 m 

Difuziona komponenta srednje dnevne horizontalne insolacije: kWh I DH =W difuziono=0.6482 2 m 5

Slika 3. Grafički prikaz srednjih satnih vrednosti direktne i difuzione komponente za prosečan dan u analiziranom mesecu

2.3

REŠENJE ZADATKA 3

Odabrati stranu krova na koju će biti projektovan PV panel. Za odabranu površ (stranu krova) proračunati i grafički predstaviti: direktnu, difuzionu, reflektovanu i ukupnu iradijaciju sa srednjom satnom rezoluciojom za prosečan dan u analiziranom mesecu. Proračunati odgovarajuće komponente dnevne insolacije. Usvojeno je da je koeficijent refleksije ρ = 0.2. Formule potrebne za proračun podataka traženih u zadatku 3. su: Ukupna insolacija za prosečan dan u analiziranom mesecu: I C =I BC + I DC + I RC Direktna komponenta iradijacije na površini panela: I BC =I B cos θ I BC =I BH

θ =I ( cos sin β )

BH

RB

Difuziona komponenta iradijacije na površini panela: 1+cos Σ I DC =I DH 2

(

)

6

Reflektovana komponenta iradijacije na površini panela: 1−cos Σ I RC =ρ ( I BH + I DH ) 2

(

)

7

Rezultati proračuna:  Direktna komponenta srednje dnevne insolacije na površini panela: kWh I ´BC =W dirpv =1.309 2 m 

Difuziona komponenta srednje dnevne insolacije na površini panela: kWh I ´DC =W difpv =0.5896 2 m 

Reflektovana komponenta srednje dnevne insolacije na površini panela: kWh I ´RC =W refpv =0.0237 2 m 

Ukupna srednja dnevna insolacije jednaka je zbiru ove tri i iznosi: kWh I´C =W ukupno =W dirpv +W difpv +W refpv =2.0051 2 m

Slika 4. Grafički prikaz iradijacije na površini PV panela za srednji dan u mesecu

8

2.4

REŠENJE ZADATKA 4

Izvršiti izbor fotonaponskih modula (proizvođač i model) i šemu njihovog električnog povezivanje u panel i dati osnovne karakteristike formiranog panela (aktivna površina, nazivna DC-STC snaga, nazivna efikasnost, napon otvorenog kola, struja kratkog spoja, ...). Pri projektovanju težiti da se odabrana strana krova što bolje iskoristi vodeći računa i o estetskom faktoru. Skicirati izgled objekta sa postavljenim PV panelom. Prilikom izbora PV modula na internetu sam pronašao firmu „Telefon inženjering“ iz Zemuna, koja se bavi distribucijom PV panela, invertora, regulatora, gotovih sistema, rasvetom... Saradnik je i prodaje proizvode sledećih firmi: „Luxor“, „Solar Fabrik“, „Morningstar“, „Power Spout“. Sajtove ovih firmi, njihovih ponuda i cena mogu se naći na sajtu „Telefon inženjering“-a: http://www.solarni-paneli.co.rs Upoređujući cene, kvalitet (pre svega stepen iskorišćenja) između polikristalnih i monokristalnih panela, odabir se sveo na monokristalne, jer je razlika u ceni svega 10% do 20%, a stepen iskorišćenja je čak i do 18%. U početku ova investicija je skuplja, ali na duži vremenski period će svakako opravdati uložena sredstva. Usvojen je Luxor-ov monokristalni panel snage 250W (LX-250M), cena jednog panela je 250 € sa PDV-om. Dimenzije i ostale karakteristike ovog panela prikazane su na Slici 5. „Modul sa 60 ćelija, velikih dimezija, poseban je među ostalim Luxor modelima. Eco u ovom slučaju znači posebno ekonomičan: velika snaga čini ovaj modul idealnim rešenjem za industrijska postrojenja, od montaže na zemlju, preko traking sistema do instaliranja na krov. Visoko kvalitetne solarne ćelije sa efikasnošću do 18,5% u najboljim uslovima male osunčanosti daju najbolju izlaznu snagu i to sa pozitivnom tolerancijom od 1,5 do 6,49W. Kompatibilan je sa postojećim sistemima za montažu, poseduje okvir od eloksiranog aluminijuma. Proizveden je u skladu sa Nemačkim standardima, pod strogim nadzorom vrhunskih inženjera. Svaki Luxor fotonaponski modul je označen specijalnim nivoom trajnosti i pouzdanosti.“, sa sajta. Ima garanciju od 10 godina za 100% naznačene snage, 12 godina za 90% naznačene snage i 25 godina za 80% naznačene snage. Za stranu krova dimenzija 10×25 m2, moguće je postaviti n =150 panela LX-250M (površine 1.64×0.992 m). Tada bi ispuna južne strane krova krova bila: n∙ S panela 150 ∙1.64 ∙ 0.992 = =97.61 S krova 10∙ 25 Ukupna instalisana snaga sistema je: Pin  n  250  37.5 kW Ukupna ulaganja u PV panele su: C panela  n  250  37500 €

C nosačo  60 kom  23.81

€  1500 € kom

C ukupno  C panela  C nosačo

(jedna Al šina je dugačka 2.5 m)  37500  1500  39000 €

9

Na Slici 6. prikazan dat je predlog konfiguracije PV panela na krovu. Paneli se smeštaju 5 grupa po 30 modula, svaka sekcija je snage 7.5 kW. Isprekidanom linijom prikazan je krov, plavom i crvenom prikazivane su grupe. U grupi je 15 panela povezano na red i u grupi se nalaze dva takva stringa koji se povezuju paralelno.

Slika 5. Karakteristike panela LX-250M

10

Slika 6. Idejno rešenje povezivanja PV modula i izgled date strane krova

2.5

REŠENJE ZADATKA 5

Izvršiti izbor odgovarajućeg invertora (proizvođač i model) za povezivanje PV panela na distributivnu mrežu. Proračunati maksimalni napona koji se može javiti na DC priključcima invertora uz pretpostavku da je najniža ambijentalna temperatura -200C. Pretpostaviti koeficijent nadtemperaturnog smanjenje napona na priključcima panela od 0,38%/0C (ukoliko za odabrani modul nije deklarisana druga vrednost). Maksimalni napon na DC priključcima invertora je: U 0C , max  15  Voc( stc)  (1  0.0038  (25  20))  15  37.57  1.171  659.91 V

Maksimalna struja je: I max  2  I sc  2  8.62  17.24 A Usvojeno je pet ABB-ovih trofaznih invertora za svaki blok po jedan: TRIO-7.5-TL-OUTD, snage 7.65 kW. Maksimalna snaga jednog bloka je 7.5 kW ispunjen je uslov sa aspekta snage. Detaljnu specifikaciju invetora prikazanog na slici dato je u Tabeli 1. S obzirom da je maksimalna dozvoljena struja invertora 30 A, ispunjen je uslov Imax < 30 A. Što se tiče napona, ulazni napon invertora je moguće podešavati u opsegu od 200 do 950 V, što zadovoljava potrebe za napon od 660 V. Karakteristika efikasnosti ovog invertora je najbolja za napon od 620 V. S obzirom da je napon PV modula 660 V, opravdano je posmatrati karakteristiku napona 620V i za napon od 660 V (vidi se sa grafika da je za 800 V karakteristika neznatno niža, ustaljena vrednost je 97.5%). Stepen euro efikasnosti je dat u Tabeli 1. iznosi 97.5%.

11

Cena jednog inverotra je 1657 €. Dakle, ukupna ulaganja u invertore su: 5×1657 € = 8285 € Tabela 1. Karakteristike invertora TRIO7.5-TL-OUTD

12

2.6 REŠENJE ZADATKA 6 Izvršiti proračun i dati grafički prikaz dnevnog dijagrama snage proizvodnje PV panela sa satnom rezolucijom. Proračun izvršiti za snagu na DC i AC priključcima. Pretpostaviti nadtemperaturno smanjenje efikasnosti od 0.5 %/0C (ukoliko za odabrani modul nije deklarisana druga vrednost). Pri proračunu usvojiti dodatne gubitke i to: 3% zbog neuparenosti modula i 4% zbog zaprljanja aktivne površine modula. Na osnovu krive efikasnosti odabranog invertora proračunati Euro efikasnost i proračunatu efikasnost koristiti u analizi gubitaka u ivertoru. Instalisana snaga panela: 37.5 kW NOCT (Normal Operation Cell Temperature): 47 °C Procentualno smanjenje efikasnosti usled nadtemperature panela: 0.45 %/°C Procentualno smanjenje efikasnosti usled zaprljanja PV panela: 4 % Procentualno smanjenje efikasnosti usled neuparenosti PV modula : 3 % Stepen efikasnosti invertora: 97.5 % Relacije potrebne za računanje podataka traženih u zadatku 6. su: Snaga na DC priključcima: PDC  PDCSTC  T  N Z Snaga na AC priključcima : PAC  PDC I  PDCSTC   T  N Z I Temperature PV modula:  NOCT  20  I ,   (25  35) 0 C 2  C  800W / m 

Tcell  Tamb  

13

Slika 7. Ambijentalne temperatura i temperatura PV modula u funkciji vremena

Slika 8. Snaga na DC priključcima PV panela u funkciji vremena

14

Slika 9. Snaga na DC i AC priključcima PV panela u funkciji vremena

2.7 REŠENJE ZADATKA 7 Izvršiti proračun očekivane proizvodnje električne energije koju bi projektovani PV panel predao distributivnoj mreži u prosečnom danu analiziranog meseca. Proračunati odgovarajući faktor iskorišćenja kapaciteta za analizirani mesec. Formule potrebne za računanje podataka traženih u zadatku 7. su: Energija koja se predaje distributivnoj mreži u toku analiziranog meseca: 24

W   PACPTC (t )dT 0

Faktor iskorišćenja:

CF 

W PDCSTC  24

100 

PACAVG 100 [%] PDCSTC

Rezultati proračuna:  Prosečna snaga injektiranja električne energije panela u distributivnu mrežu: PACavg  3.0646 kW 

Prosečna dnevna energija koju preda panel distributivnoj mreži: W AC  73.551 kWh / dan



Faktor iskorišćenja kapaciteta CF: CF  8.1723 %

15

Deklarisana efikasnost PV modula pri standardnim uslovima: 15.46 %

' Slika 10. Snaga solarnog zračenja na površini PV panela i električna snaga na AC priključcima u funkciji vremena

16

2.8

REŠENJE ZADATKA 8

Izvršiti proračun (iterativno) optimalnog nagibnog i azimutnog ugla panela i izvršiti proračun proizvodnje PV panela ako bi on bio optimalno orjentisan. Proračunati smanjenje efiksanosti proizvodnje projektovanog PV panela u odnosu na optimalnu orjentaciju. U Matlab-u izvršena je modifikacija izvornog koda, gde se u for petlji ugao α1 (nagibni ugao) menja u opsegu od 0° do 90°, a ugao α2 (azimutni ugao) se menja u opsegu od -90°do 90°. Za svaku od mogućih kombinacija program je računao proizvodnju PV panela i tražio maksimalnu vrednost energije. Dobijena rešenja za α1 i α2 optimalno, kao i za maksimalnu proizvodnju su:

 1optimalno  68  2optimalno  27 , W AC max  95.7408 kWh Smanjenje efikasnosti proizvodnje u odnosu na optimalnu orjentaciju su:

W AC 73.551 kWh   76.82 % W AC max 95.7408 kWh

2.9

REŠENJE ZADATKA 9

Izvršiti proračun prosečne cene proizvedenog kWh projektovanog PV panela u analiziranom mesecu, ako bi se energija plasirala na evropsku berzu električne energije (EEX). Uporediti dobijenu cenu sa prosečnom cenom na berzi za analizirani mesec. Prosečna cena na berzi za januar se računa po formuli i iznosi: 31 24

C berze 

 C i 1 j 1

ij

 50.126 €/MWh

31  24

Ukupna zarada za prosečni dan u mesecu se računa po formuli i iznosi: 24 h

C zarada/ dan   C i  Wi  4.11 € i 1h

Prosečna cena otkupa MWh na berzi za mesec januar iznosi: 24h

C zarada/ dan 

C

i 1h 24 h

i

 Wi

W

i 1h

 56.342 €/MWh

i

Mesečna zarada na osnovu prosečnog dana u mesecu iznosi:

17

C zarada/ me sec  31  C zarada/ dan  127.41 € Srednja cena otkupa proizvedenih MWh u odnosu na prosečnu cenu na berzi za mesec januar veća je za 6.216 €/MWh, tj veća za 12.4 %. U Tabeli 2. prikazane su prosečne cene otkupa na berzi, proizvedenu električnu energiju i zaradu za dati sat za prosečan dan u mesecu. Tabela 2. Prikaz zarade po satu u prosečnom danu T [h]

00-01

01-02

02-03

03-04

04-05

05-06

06-07

07-08

08-09

09-10

10-11

11-12

C [€/MWh]

40.74

37.06

33.67

29.50

29.93

35.09

39.74

50.61

54.31

56.41

58.42

59.35

W [KWh] Zarada [€]

0.00 0.00

0.00 0.00

0.00 0.00

0.00 0.00

0.00 0.00

0.00 0.00

0.00 0.00

0.00 0.00

1.16 0.06

5.329 0.30

8.627 0.50

11.41 0.68

T [h] C [€/MWh] W [KWh] Zarada [€]

12-13 58.70 12.14 0.71

13-14 56.33 12.27 0.69

14-15 53.48 10.39 0.56

15-16 51.64 10.32 0.53

16-17 55.16 1.1 0.06

17-18 63.31 0.132 0.01

18-19 67.62 0.00 0.00

19-20 63.74 0.00 0.00

20-21 57.72 0.00 0.00

21-22 51.20 0.00 0.00

22-23 52.62 0.00 0.00

23-24 46.69 0.00 0.00

2.10 REŠENJE ZADATKA 10 Za izbor opreme uglavnom se primenjuju Američke preporuke NEC (National Electrical Code). Prema ovim preporukama potrebno je opremu birati tako da je podnosivi napon 1.25 puta veći od napona otvorenog kola pri STC. Ovaj koeficijent uvažava mogućnost povećanja napona iznad vrednosti pri STC pri niskim ambijentalnim temperaturama. Maksimalna strujna opterećenja svih elemenata treba da budu 1.25 puta veća od struje kratkog spoja pri STC. Ovaj koeficijent se sugeriše kako bi se uvažilo povećanje struje kratkog spoja zbog iradijacije veće od 1000 W/m 2 i zbog povećanja struje kratkog spoja pri temperaturama modula nižim od 25 °C. Pored ovog faktora koji uvažava fizičke mogućnosti povećanja struje kratkog spoja sugeriše se još dodatno povećanje nazivne struje elemenata od 1.25 kao siguronosnu rezervu. Dakle, potrebno je da svi elementi u pogledu strujne opteretljivosti budu dimenzionisani na 1.25×1.25 = 1.5625 puta u odnosu na struju kratkog spoja pri STC. Za svaku od grana treba predvideti DC prekidač nominalne struje: grane grane I nom > I maxDC =I stc ∙ 1.25∙ 1.25=8.62∙ 1.5625=13.469 A →16 A Za svaku grupu (dve paralelne grane) predviđen je DC prekidač nominalne struje (glavni DC prekidač): grane I glnom > I grupe maxDC =N ∙ I maxDC =2 ∙ 13.469=26.938 A →30 A Prekidač za pojedinačne inverore na AC strani: P √3 7500 √3 1.25∙ nAC =1.25 ∙ =40.59 A →50 A Un 400 Podnosivi napon opreme na DC strani: U podn >1.25 ∙ V OCSTC=1.25 ∙ 15∙ 37.57=704.437 V

18

Slika 11. Šema veza opreme

19