Uticaj zasenčenja na proizvodnju fotonaponskih panela

Transcription

1 INFOTEH-JAHORINA Vol. 13, March Uicaj zasenčenja na proizvodnju foonaponskih panela Jelena Kušić, Ana Đorđević Elekroehnički fakule Univerzie u Beogradu Beograd, Srbija jelenaef@gmail.com, anaef@gmail.com Željko Đurišić Elekroehnički fakule Univerzie u Beogradu Beograd, Srbija djurisic@ef.rs Sadržaj Pri prorаčunima proizvodnje foonaponske elekrane obično se zanemaruje uicaj zasenčenja na smanjenje zračenja, a samim im i proizvodnje. Zasenčenje može dа izаzove velike gubike zа solаrni energeski sisem, soga je modelovanje ovog uicaja jako značajno za procenu proizvodnje. U radu je prikazano kako se uicaj senki okolnih objekaa može uzei u obzir pri proračunu zračenja. LpsjŢĈfokfn! obwfefof! nfupef! j{wsţfob! kf! qspdfob! nbokfokb! qspj{wpeokf! sfbmoph! gpupobqpolph!jufnb/ Zbog različie propusljivosi zračenja, posmaran je i uicaj prozračnosi objekaa koji svaraju senku. Još jedan nedosааk PV sisema insaliranog na zemlji je u činjenici da senke nasaju i od sane drugih modula unuar samog sisema, pa je procena nbokfokb! qspj{wpeokf! gpupobqpolph! jufnb! j{wsţfob! vwbſbwbkvĉj! j! pwbk! vujdbk. Ključne reči- foonaponski sisem; zasenčenje; proizvedena snaga; solarni dijagram; I. UVOD Poslednjih godina prošlog veka došlo je do nagle ekspanzije u primeni foonaponskih modula na različiim površinama, krovovima kuća, delovima fasada zgrada, poslovnim objekima i sl. Ovakva primena je ovorila nove koncepe u iskorišćenju, disribuciji i porošnji solarne energije. Međuim, površine koje nisu izložene senkama okolnih objekaa eško je nаći u svаrnosi. Rаzno drveće i žbunje, kаo i druge kuće koje su u blizini, uiču nа zrаčenje koje bi foonaponski sisem mogao apsorbovai. Novi koncepi posavljanja foonaponskih modula su doveli do oga da paneli u nizu, zbog prosornog razmešaja, nisu jednako osunčani, pa se kao problem pojavio i efeka zasenčenja solarnog niza. Usled zasenčenja PV modula dolazi do smanjenja raspoložive sruje modula, šo može dа izаzove značajne gubike u proizvodnji foonаponskog sisema. Dаkle, naredni odeljci objаšnjаvаju kаko se efeka zasenčenja može uzei u obzir pri prorаčunima zrаčenjа. II. EFEKAT ZASENČENJA JEDNE ĆELIJE MODULA Na Sl. 1 je prikazan modul sa n redno vezanih PV ćelija, pri čemu je izdvojena jedna od ćelija i prikazana njenom ekvivalennom zamenskom šemom [1]. Sve ćelije na slici levo su osveljene, ako da je sruja generisanja svake ćelije isa. Na slici desno izdvojena ćelija je prekrivena i njena insolacija je Slika 1. Zasenčenje jedne ćelije modula 0. Srujni izvor u modelu ove ćelije ne generiše sruju, pa predsavlja prekid u nizu n redno vezanih izvora. Jedini pu zavaranja sruje koju generišu ćelije koje nisu zasenčene je preko opora Rp jer je dioda negaivno polarisana (blokirana). Usled pada napona na oočnoj opornosi zasenčene ćelije doći će do pada napona na priključcima modula, pa samim im i do pada snage koju modul predaje porošaču. Napon na priključcima modula kada je jedna ćelija zasenčena V SH, je manji od napona V, kada su sve ćelije sa isom insolacijom, za pad napona na oočnom oporu zasenčene ćelije važi: n 1 V = V I R + R = V I R + R n ( ) ( ) SH n 1 P S P S Smanjenje napona na priključcima PV modula uzrokovano senkom na jednoj od ćelija modula je: 1 V Δ V = V V = V 1 V + I R + R = + I R + R n n ( ) ( ) SH P S P S Pošo je RS << RPmože se zanemarii pad napona na rednom oporu, pa je: V ΔV + IRP n (3) (1) (2)

2 Na Sl. 2 je prikazan uicaj zasenčenja jedne od n redno vezanih ćelija na I-V karakerisiku PV modula. Slika 3. Baypass dioda na primeru jedne od ćelija modula Slika 2. I-V karakerisika PV modula Zaključak prehodne analize je da svako i malo zasenčenje modula uzrokuje drasičan pad efikasnosi modula. Uzrok akvog pada je inverzna polarizacija p-n spoja ćelije koja je zasenčena. III. MOGUĆNOST PREVAZILAŽENJA PROBLEMA ZASENČENJA U uslovima zasenčenja, na ćeliji koja je zasenčena se generiše relaivno velika snaga disipacije koja svara ople ačke i degradira samu ćeliju. Iz ovog razloga je neophodno analizirai mogućnos prevazilaženja problema zasenčenja koji se javlja u realnim uslovima eksploaacije. Jedan od efikasnih načina jese posavljanje dioda za premošćavanje (baypass diodes). Na Sl. 3 je prikazan princip funkcionisanja baypass dioda na primeru jedne od ćelija koja je izdvojena iz modula. Paralelno svakoj od redno vezanih ćelija se posavlja dioda. Pošo je napon na solarnoj ćeliji u normalnim uslovima rada (npr. u ački maksimalne snage) oko 0.5 V, a prag provođenja direkno polarisane diode 0.6 V, baypass dioda će bii u normalnim uslovima inverzno polarisana (slika levo), pa dioda neće imai nikakvu ulogu. Kada se jedna od ćelija zasenči, svara se pad napon na oočnoj opornosi i čim napon dosigne prag provođenja diode, ona će predsavljai malu opornos i sruja će proeći kroz baypass diodu (slika desno). Na ovaj način sruja koju generišu osale diode u rednoj vezi je na mesu zasenčene diode dobila novi efikasan kanal za njeno premošćenje. Uloga baypass dioda je, pored premošćavanja modula koji je zasenčen, i u slučaju kvara na nekom od modula, koji auomaski biva premošćen i u elekričnom smislu izolovan iz sisema. Na Sl. 4 ilusrovan je uicaj zasenčenja na I-V karakerisiku panela sa i bez baypass dioda. Slika 4. Uicaj zasenčenja na I-V karakerisiku panela sa i bez baypass dioda PV paneli se formiraju rednim i paralelnim vezivanjem modula. Kod paralelne veze, za prevazilaženje problema zasenčenja, korise se blokirajuće diode [2]. Njihova funkcionalna uloga je prikazana na Sl. 5. U slučaju zasenčenja većeg dela panela (ili ošećenja nekoliko modula) kojeg čine redno vezani moduli, sruje koju generišu moduli osalih rednih veza bi se delom zavarale kroz zasenčeni deo panela, a delom kroz operećenje. Blokirajuće diode sprečavaju proicanje sruje u konra smeru kroz module i na aj način održavaju efikasnos panela i u uslovima delimičnog zasenčenja ili ošećenja. IV. UTICAJ SENKI KOJE STVARAJU OKOLNI OBJEKTI Da bi se razmorio uicaj senki koje svaraju okolni objeki, neophodno je definisai referennu аčku u odnosu na koju će bii određeni azimuni ugao, kao i ugao pod kojim pada senka objeka (Sl. 6). Tаčkа koja će sa nаjvećom verovаnoćom bii u senci je nаjbolji izbor. U sledećem korаku, azimuni ugao sunca α i ugao određen visinom objekаа γ u okolini morаju bii procenjeni u odnosu nа referennu аčku. Ovi prorаčuni morаju bii izvršeni zа sve moguće prepreke u blizini plаnirаnog energeskog solаrnog sisemа. Ugao visine prepreke γ je: γ h h Δh arcan arcan d d 2 1 = = (4) Specijаlizovаni insrumeni mogu se korisii zа lаkše procene

3 Slika 5. Blokirajuće diode na primeru paralelno vezanih ćelija modula Slika 7. Okolinа viđena kroz ekrаn sа mrežom posavljenom za uglove Slika 6. Definicijа azimunog ugla i ugla visine prepreke korišćenjem proizvoljno izаbrаne referenne аčke ugla visine objeka i аzimunog ugla. Dijаgrаm gde jedna osa određuje ugao visine objeka, a druga osa аzimuni ugao (do 180 ) je osnovа zа аkаv insrumen. Posmаrаč gledа kroz ovаj dijаgrаm i može direkno očiаi ugao visine prepreke kao i аzimuni ugao. Tаkođe je moguće napravii digiаlne foogrаfije okoline i korisii profesionаlni sofver za аnаlizirаnje. Ovаj sofver аuomаski procenjuje аzimuni i ugao visine objeka. Analiza uicaja senki okolnih objekaa na proizvodnju PV panela izvršena je za realan foonaponski sisem sasavljen od 848 modula insalisane snage 295W, posavljenih na lokaciji Bavaniše. Korišćena je aproksimacija okoline prikаzаna nа Sl. 7. Za analizu je korišćen programski pake MATLAB. Kao ulazni parameri korise se аzimuni uglovi i uglovi visine objekaa u okolini posmaranog foonaponskog sisema. Na dijagramu puanje Sunca se dobija poligonаlna аproksimаcija silueа iz okoline, kаo šo je prikаzаno nа Sl. 8. Kao rezula se dobija godišnja proizvodnja foonaponske elekrane, koja bez uvažavanja uicaja senki okolnih objekaa iznosi Wg= MWh, dok je proizvodnja u slučaju kada su senke okolnih objekaa uzee u obzir Wg= MWh. Može se primeii da je godišnja proizvodnja energije znano umanjena modelovanjem uicaja senki okolnih objekaa, soga je uvažavanje ovog uicaja veoma značajno pri proračunima. Međuim, ne blokiraju svi objeki direkno zrаčenje u popunosi, ako da recimo kroz drveće može proći deo direknog Sunčevog zračenja. Soga reba uzei u obzir i prozračnos okolnih objekaa. Propusljivos τ opisuje koji deo direknog Sunčevog zračenja prolаzi kroz objeka. Aliudni ugao Sunca (u sepenima) Azimuni ugao Sunca (u sepenima) Slika 8. Senke objekaa ucrane na dijagramu solarne puanje Sunca Ispiivаnjem propusljivosi lisopаdnih sаbаla, dobijeno je da je vrednos ovog koeficijena u slučaju kada je lišće opalo(zimi) τ = 0.64, dok je u slučaju kada je sablo popuno u lisu (lei) τ = 0.23 [3]. Izvršen je proračun proizvodnje foonaponske elekrane na godišnjem nivou sa uvažavanjem ovih koeficijenaa za objeke u okolini posmaranog foonaponskog sisema. Kao rezula se dobija da godišnja proizvodnja foonaponske elekrane u slučaju kada je uzea u obzir i prozračnos okolnih objekaa iznosi Wg= MWh. Godišnja proizvodnja energije je uvećana sa uvažavanjem propusljivosi objekaa koji svaraju senku, pa je uzimanje u obzir ovog efeka bino pri proceni proizvodnje foonaponskog sisema. V. UTICAJ SENKI KOJE STVARAJU MODULI UNUTAR FOTONAPONSKOG SISTEMA Foonaponski sisemi česo se insаlirаju nа zemlji, ili nа rаvnim krovovimа. Zа monаžu foonaponskih energeskih sisemа na zemlji korise se nosači. Obično se solarni paneli posavljaju pod odredjenim uglom kako bi se dobilo so veće zračenje okom godine. Osim ogа, nedosaak horizonаlno insаlirаnih solаrnih energeskih sisema su relаivno visoki gubici nasali aloženjem prljavšine na površini panela, nа primer, аloženjem zаgаđujućih mаerijа u vаzduhu, pičijeg izmea, ili na neki drugi način. Takođe, kišа ili sneg mogu lаkše očisii površinu koja je nаgnua, nego horizonalno posavljenu površinu. Kаo opše prаvilo važi da, šo je manji

4 ugao nagiba, manji je i efekа čišćenjа kišom i snegom. U cenrаlnim evropskim klimаskim uslovimа, mogu se očekivаi prosečni gubici usled zаprljаnja u opsegu od 2-10 % za površine nаgnue pod uglom od 30, u slučaju da se nikada ne čise ručno. Ovi gubici se znаčаjno povećаvaju zа manje nagibne uglove panela. U osаlim regionimа gde se javljaju dugi periodi bez kiše ovi gubici se akođe mogu znаčаjno povećаi. Međuim, nedosааk PV sisema koji se insalira na zemlji u odnosu na onaj insaliran na krovu kuće je u činjenici da se kod prvih javlja efeka samozasenčenja [4]. Opimizаcijom rаsojаnjа između redovа panela mogu se smаnjii gubici izazvani pomenuim efekom. Opimаlno rаsojаnje i nagibni ugаo se mogu odredii nа sledeći nаčin. Na osnovu poznaog rаsojаnja između redovа d i dužine PV panela l, kаo šo je prikаzаno nа Sl. 9, definiše se sepen iskorišćenjа erena [5]: Slika 9. Dimenzije PV panela i srukura redova l u = (5) d Zasenčenje ima različi uicaj na površine nagnue pod različiim uglovima. Uicaj zasenčenja je nаjveći u аčki Po. Ako se sepen iskorišćenosi u povećаvа, gubici će аkođe rаsi usled veće izloženosi zasenčenju. Ugao senke je funkcijа sepena iskorišćenjа erena i nagibnog ugla panela γ (vidi Sl. 10). u sinγ α = arcan 1 u cos γ Ako Sunčevi zraci padaju direkno na solarni sisem i aliudni ugao Sunca je manji od ugla senke α, doći će do sаmozasenčenja. Dakle može se primeii da se sa povećanjem ugla senke povećavaju i gubici u zračenju. Rasojanje između redova panela na osnovu preporuke [6] je: (6) d > 4h (7) gde je h najviša ačka panela u odnosu na horizonalnu ravan. U proračunima je razmaran najkriičniji slučaj j. d=4h pa se za ugao senke α dobija: 1 α = cgγ (8) 4 Analiza uicaja međusobnog osenčavanja susednih redova na proizvodnju PV panela izvršena je za realan foonaponski sisem prehodno opisan u radu. Za analizu je korišćen programski pake MATLAB. Na dijagramu puanje Sunca se dobija аproksimаcija senke susednih redova panela, kаo šo je prikаzаno nа Sl. 11. Kao rezula se dobija da godišnja proizvodnja foonaponske elekrane, bez uvažavanja uicaja senki susednih redova panela, iznosi Wg =307.1 MWh, dok je proizvodnja u slučaju Slika 10. Ugаo senke α u funkciji sepenа iskorišćenja erena u za različie nagibne uglove γ kada su uzee u obzir senke koje svaraju moduli unuar samog sisema Wg= MWh. VI. ZAKLJUČAK Površine koje nisu izložene senkama okolnih objekaa je eško nаći u svаrnosi. Zasenčenje može dа izаzove velike gubike u proizvodnji foonаponskog sisema. Osim gubiaka u proizvodnji, negaivan efeka zasenčenja je i pojava generisanja relaivno velike snage disipacije na ćeliji koja je zasenčena, šo svara ople ačke i degradira sisem. U radu je razmoreno kаko se uicaji senki, koje poiču od različiih izvora, mogu uzei u obzir pri prorаčunu zrаčenjа. Na osnovu analiza sprovedenih u radu, a koje su izvršene korišćenjem programskog pakea MATLAB, rezulai proračuna proizvodnje PV sisema sa uvažavanjem uicaja senki okolnih objekaa, prozračnosi objekaa, kao i senki koje poiču od drugih modula unuar samog PV sisema prikazani su u Tabeli I. Može se zaključii da je uvažavanje ovih uicaja pri proceni proizvodnje elekrične energije jednog foonaponskog sisema jako bino, jer su gubici u zračenju, a samim im i u proizvodnji, značajni

5 Aliudni ugao Sunca (u sepenima) Azimuni ugao Sunca (u sepenima) Slika 11. Senke redova panela ucrane na dijagramu solarne puanje Sunca TABELA I. Proračun proizvodnje PV sisema Bez uvažavanja senki Sa uvažavanjem senki okolnih objekaa Sa uvažavanjem senki okolnih objekaa i njihove prozračnosi Sa uvažavanjem senki modula unuar samog PV sisema ANALITIČKI REZULTATI PRORAČUNA PROIZVODNJE PV SISTEMA Godišnja proizvodnja PV panela (MWh) LITERATURA [1] Ž. Đurišić, Obnovljivi izvori energije, Beograd, 2009.V. [2] J. Mikulović, Ž. Đurišić, Saička meoda za procenu proizvodnje elekrične energije iz foonaponskih sisema,infoeh, Mar [3] Quaschning, Undersanding Renewable Energy Sysems, Earhscan, London, Serling, VA [4] M. Forcan, Efeka djelimičnog osunčanja solarnog niza i predložena meoda njegove eliminacije, INFOTEH-JAHORINA Vol. 12, March 2013, Isočno Sarajevo, BiH [5] Gilber M. Masers, Renewable and Efficien Elecric Power Sysems, Sanford Universiy [6] D. James, Sudy Guide for Phoovolaic Sysem Insallers and Sample Examinaion, Sepember 12, 2003 for he norh american board of cerified energy praciioners ABSTRACT In calculaions of he producion of phoovolaic power plans, he impac of shadowing on he reducion of radiaion, and herefore producion, is ypically ignored. Shadowing can cause large losses for a solar energy sysem, herefore, modeling of impac is very imporan for he assessmen of producion. This work shows how he impac of he shadow of surrounding objecs can be aken ino accoun in calculaions of he radiaion. Using hese mehods reducion in real producion of phoovolaic sysems is calculaed. Due o he differen permeabiliy o pass he radiaion, he effecs of objecs which creae a shadows are also observed. Anoher disadvanage of PV sysems insalled on he field is in he fac ha shadows can be formed from oher modules in he phoovolaic sysem, and he esimaion of reducing producion of phoovolaic sysems which accoun his effec is aken. Keywords-phoovolaic sysem; shading; produced power, solar diagram; THE EFFECTS OF SHADOWING ON THE PRODUCTION OF PHOTOVOLTAIC PANELS Jelena Kušić Ana Đorđević Željko Đurišić