ANALIZA GODIŠNJE PROIZVODNJE I EFIKASNOST SOLARNE ELEKTRANE NA KROVU ZGRADE ENERGOPROJEKT-a Sredić Dijana, Grujić Jasna i Žerajić Miroslav Energoprojekt-Entel, Bulevar Mihajla Pupina 12, Beograd Apstract: U radu je dat detaljan opis solarne elektrane na krovu zgade Energoprojekt-a i vršena je analiza njenog rada u periodu od godinu dana. Analiza je vršena na osnovu realnih podataka, izmerenih i prikupljenih pomoću senzora i datalogger-a koji su sastavni deo solarne elektrane. Elektrana je preko trasformatorske stanice priključena na distributivni elektroenergetski sistem i na osnovu merenja izvršenih na 10kV strani određena je sopstvena potrošnja solarne elektrane. Kako je jedan od osnovnih motiva za nagli razvoj obnovljivih izvora energije smanjenje negativnog uticaja na životnu sredinu, u radu je prikazan uticaj ove elektrane na smanjenje emisije štetnih gasova. Ključne reči: Solarna elektrana, sopstvena potrošnja, energetska efikasnost, emisija štetnih gasova ANALYSIS OF THE ANNUAL ENERGY PRODUCTION AND EFFICIENCY OF THE SOLAR POWER PLANT LOCATED ON THE ROOF OF ENERGOPROJEKT Sredić Dijana, Grujić Jasna i Žerajić Miroslav Energoprojekt-Entel, Bulevar Mihajla Pupina 12, Beograd Abstract: A detailed description of the solar power plant located on the roof of Energoprojekt building is shown in this paper. Analysis of the solar power plant, for a period of one year, is based on the measured parameters. Parameters were measured using sensors and collected using datalogger. The solar power plant is connected to the grid through a transformer station and based on measurements taken at 10kV the auxiliary consumption has been determined. The influence of this solar power plant to reduce emissions of greenhouse gases is also shown in this paper. That is one of the main reasons for the development of renewable energy. Key words: solar power plant, auxiliary consumption, efficiency, emissions of greenhouse gases
1.DETALJAN OPIS SOLARNE ELEKTRANE NA KROVU ZGRADE ENERGOPROJEKT-a Krov zgrade Energoprojekta u Beogradu sastoji se od šest odvojenih površina, označene kao lamele A, B1, B2, C1, C2 i D, koje su iskorišćenje za postavljanje solarnih panela. Na slici 1. prikazan je izgled krova sa rasporedom lamela, orijentacija zgrade Energoprojekta i označen je ugao od 40 između ose zgrade i istoka. Slika 1: Krov zgrade Energoprojekta Pošto je krov zgrade Energoprojekta ravan, paneli su postavljeni na posebnoj konstrukciji (slika 2) koja obezbeđuje željeni nagibni ugao (34 stepeni). Konstrukcija takođe poboljšava uslove hlađenja tako da se postižu niže radne temperature. Ovo je veoma bitna osobina koja doprinosi da pad efikasnosti solarnog panela usled temperature bude manji. Slika 2: Noseća konstrukcija panela
1.1.Karakteristike opreme: Solarni paneli: Maksimalna snaga panela: 235W (poli-kristalne silicijumske solarne celije sa 14.7% efikasnošću konverzije) broj ćelija 156x156mm: 60 napon pri maksimalnoj snazi: 29.3V struja pri maksimalnoj snazi: 8.19A napon praznog hoda: 36.8V struja kratkog spoja: 8.58A dimenzije panela: 1642x992 mm NOCT: 46 C modul sadrži i bypass diode koje minimizuju pad efikasnosti usled zasenčenja aluminijumski ram sertifikati: IEC 61215 i IEC 61730 proizvedeno po standardu ISO 9001 Invertori: Nazivna snaga: 20 i 30 kva Nazivni ulazni napon: do 1.000 V= Nazivni izlazni napon: 410 V~ Varijacija izlaznog napona: 5% u sklаdu sа TP 16 Nazivna učestanost: 50Hz Energetski transformator: Nаzivnа snаgа: 250kVA Naponski odnos: 10.000/415 V~ Nazivni napon: 415 V~ Sprega: Dy5 Klasa izolacije namotaja: F 10kV ćelije: Nazivni napon: 12kV Nаzivnа struja: 630A Nazivna učestanost: 50Hz Paneli su vezani rednom vezom, po 6 panela u nizu, a potom su redno vezivani u grupe od tri ili četiri niza. Paneli su preko stringova povezani na invertore koji su preko energetskog transformatora i brojila vezani na 10kV mrežu Elektrodstribucije Beograd (EDB). Raspored i međusobne veze panela su pre svega uslovljeni velikim dužinama JSS kablova i maksimalnim brojem ulaza u Invertore. Fotonaponski sistem moguće je realizovati sa jednim centralim invertorom velike snage ili sa više invertora manje snage. Invertori većih snaga imaju stepen efikasnosti konverzije (93-95)% dok kod manjih invertora on dostiže vrednost i do 98%. Poznato je da je stepen iskorišćenja invertora veći ukoliko je ulazna snaga bliža nominalnoj snazi invertora, što se lakše postiže sa
manjim brojem panela i invertorima manjih snaga. Još jedna prednost većeg broja invertora je skraćenje dužina kablova i manji gubici pri kvarovima. U cilju unifikacije opreme i lakšeg održavanja, izabrani su invertori snaga 20kVA i 30kVA. Invertori su dimenzionisani prema maksimalnoj instalisanoj snazi solarnih panela, tako da su solarni paneli na krovnim površinama A,C i D povezani na po jedan invertor, dok su na lameli B postavljena dva invertora. U svakom trenutku svi parametri solarne elektrane mogu da se prate preko lokalnog SCADA sistema, a datalogger omogućava skladištenje i grafički prilaz tih podataka. 1.2.Snaga elektrane U tabeli 1 dat je broj solarnih panela i instalisana snaga na svakoj lameli. Tabela 1. Broj panela i ukupna snaga po lamelama Lamela A B1 B2 C D Ukupno Broj panela 132 84 72 120 84 492 Snaga [W] 31020 19740 16920 28200 19740 115620 Instalisana snaga na lameli A je 31,02kW i ona je veća od nazivne snage invertora 30kW postavljenog na datoj lameli. Ovaj invertor izabran je radi uštede, jer u praksi snaga koja se dovodi tom invertoru, nikad neće biti veća od 30kW. S obzirom da u vreme leta, kada je najveća solarna iradijacija, temperatura je takođe najveća, čime se smanjuje efikasnost panela i njihova snaga. U realnim eksploatacionim uslovima snaga koju PV sistem predaje mreži (P AC ) je manja od snage na priključcima panela pri standardnim uslovima (P DC-STC ) zbog gubitaka odnosno efikasnosti konverzije: P AC = P DC-STC efikasnost konverzije Na efikasnost konverzije bitno utiču: stepen efikasnosti invertora, zaprljanost panela, neuparenost panela i razlike u ambijentalnim uslovima u odnosu na standardne. Da bi efikasnost sistema bila što bolja treba težiti da paneli budu što približnijih karakteristika.usvaja se da su gubici usled zaprljanja 4% i gubici usled neuparenosti panela 3%. Gubitak usled povećanja temperature je 0.45%/ C. Može se usvojiti da je gubitak usled temperature oko 8%, jer je on relativan i menja se u toku godine. Euro-efikasnost invertora je 97.7%, a nazivna snaga AC strane je: P AC =P DC(STC) η Z η N η T η I = 115,62kW 0,96 0,97 0,92 0,977 = 115,62kW 0,837=96,77kW [1] 2. PROIZVODNJA ELEKTRANE ZA 2013. GODINU I PRORAČUN SOPSTVENE POTROŠNJE Po definiciji sopstvena potrošnja je snaga koja je potrebna za rad pomoćnih pogona elektrane. Kako je u period od 01.01.2013. do 31.12.2013. praćena proizvodnja električne energije solarne elekrane i električna energija predata u mrežu mogu se izračunati ukupni gubici energije. Upravo ti gubici u radu su označeni kao sopstvena potošnja solarne elektrane i ako postoje određeni gubici na invertoru i transformatoru. Izračunata sopstvena potrošnja i svi izmereni podaci prikazani su u Tabeli 2.
Tabela 2: Proizvedena električna energgija, energija predata mreži i sopstvena potrošnja na mesečnom nivou Mesec Energija Mesečna Sopstvena Sopstvena predata proizvodnja potrošnja potrošnja mreži MWh MWh % MWh Januar 0.852 0.693 0.159 18.66 Februar 5.26 4.59 0.67 12.74 Mart 10.05 9.17 0.88 8.76 April 15.55 14.89 0.66 4.24 Maj 16.46 15.21 1.25 7.59 Jun 15.38 14.48 0.9 5.85 Jul 19.92 19.49 0.43 2.16 Avgust 17.72 16.79 0.93 5.25 Septembar 12.04 11.48 0.56 4.65 Oktobar 11.01 10.45 0.56 5.09 Novembar 4.37 3.95 0.42 9.61 Decembar 3.21 2.83 0.38 11.84 Ukupno 131.822 124.023 7.799 5.92 Na osnovu ovih podataka dobijamo realnu sliku o radu solarne elektrane na godišnjem nivou. Proizvodnja se kreće između 19,92MWh u julu i 3,21MWh u decembru. Izuzetno je bila mala proizvodnja u januaru (0,852MWh) zbog snežnog pokrivača koji se dugo zadržavao na panelima. Dok se energija predata u mrežu kreće između 19,49MWh i 2,83MWh u istim mesecima. Ovo su podaci koji su od ključne važnosti jer je to energija koja se prodaje mreži i donosi profit.drugi veoma bitan zaključak koji možemo doneti na osnovu ove analize je da je procenat izbubljene energije manji ukoliko je snaga bliža nominalnoj. Ovo se može direktno povezati sa efikasnošću konverzije invertora i opravdati upotrebu većeg broja invertora manje snage. 3. ENERGETSKA EFIKASNOST SOLARNE ELEKTRANE Pod energetskom efikasnošću (η) solarne elektrane podrazumeva se odnos električne energije koja se u određenom vremenskom intervalu dobija pomoću solarne elektrane i energije Sunčevog zračenja koje pada na solarne module elektrane u istom vremenskom intervalu a izračunava se pomoću izraza: gde je: Ee - iznos električne energije koja se u određenom vremenskom intervalu dobija pomoću solarne elektrane (Wh), Gopt - iznos energije globalnog Sunčevog zračenja koje je u određenom vremenskom intervalu dospelo na solarne module elektrane (Wh/m 2 ) S -ukupna površina solarnih modula elektrane (m 2 ). [2] U tabeli 3 prikazana je proizvodnja solarne elektrane po mesecima i srednja mesečna vrednost energije Sunčevog zračenja koja dospeva na kvadratni metar površine solarnih panela u kwh/m 2.Kako se elektrana sastoji iz 492 solarna panela dimenzija 1,642m x 0,992m, površina prekrivena panelima iznosi: P = 492 (1,642 0,992)=492 1,63=801,4m 2
Može se izračunati energija globalnog Sunčevog zračenja dospela na solarne panele svakog meseca. A samim tim i energetska efikasnost solarne elektrane za svaki mesec posebno. [3] Tabela 3:Proizvodnja električne energije, Sunčeva energija koja dospeva na panele i energetska efikasnost na mesečnom nivou Srednja mesečna vrednost Mesečna vrednost Mesec energije Sunčevog energije Sunčevog Mesečna Energetska zračenja koja dospeva na zračenja koja dospeva proizvodnja efikasnost kvadratni metar površine na površinu solarnih MWh % solarnih panela panela kwh/m2 MWh Januar 0.852 61 48.89 1.74 Februar 5.26 77 61.71 8.52 Mart 10.05 132 105.78 9.50 April 15.55 150 120.21 12.94 Maj 16.46 175 140.25 11.74 Jun 15.38 186 149.06 10.32 Jul 19.92 198 158.68 12.55 Avgust 17.72 193 154.67 11.46 Septembar 12.04 175 140.25 8.58 Oktobar 11.01 119 95.37 11.54 Novembar 4.37 81 64.91 6.73 Decembar 3.21 54 43.28 7.42 Godišnje 131.822 133 1279.03 10.31 Vidi se da se efikasnost elektrane ne povećava značajno u letnjim mesecima, kao što je očekivano. Razlog tome je što se gubici usled temperature znatno povećavaju baš u letnjim mesecima kada je i temperatura najviša. Može se izvršiti i analiza na godišnjem nivou.energija ukupnog Sunčevog zračenja koja u toku godine dospeva na kvadratni metar solarnih modula postavljenih pod optimalnim uglom u odnosu na horizontalnu ravan u Beogradu iznosi 1510kWh/m 2. Kada se preračuna za solarnu elektranu površine 801,4m 2 dobija se ukupna energija od 1210,114MWh. A energetska efikasnost na godišnjem nivou iznosi 10,89%.Kako je efikasnost konverzije solarne ćelije 14% dobijeni su očekivani rezultati. 4. ANALIZA EMISIJE ŠTETNIH GASOVA Glavni negativni uticaj proizvodnje električne energije kvalifikuje se kroz emisiju štetnih gasovau atmosferu pri proizvodnji svakog kwh električne energije.solarna elektrana na poslovnoj zgradi Energoprojekta je u toku 2013. Godine proizvela 131,822MWh, odnosno 0,132GWh. Ukupna godišnja emisija ove elektrane je: [4] Ekvivalentni CO 2 : Ekvivalentni SO 2 : Ekvivalentni PO 4 : MCO 2 =0,132 104,354=13,775 tco 2ekv /god MSO 2 =0,132 0,3816=0,0503 tso 2ekv /god MPO 4 =0,132 0,02314=0,003054 tpo 4ekv /god
Smanjenje emisije štetnih gasova uvek se izražava u odnosu na emisiju tih gasova pri proizvodnji iste količine električne energije u termoelektrani na lignit.ukupna godišnja emisija termoelektrane na lignit je: Ekvivalentni CO 2 : Ekvivalentni SO 2 : Ekvivalentni PO 4 : MCO 2 =0,132 1911,660=252,339 tco 2ekv /god MSO 2 =0,132 18,6012=2,4554 tso 2ekv /god MPO 4 =0,132 0,38818=0,05124 tpo 4ekv /god Na osnovu prethodnih proračuna mogu se izračunati uštede u emisiji štetnih gasova pri radu ove elektrane: Ušteda u emisiji CO 2 : MCO 2 =252,339-13,775 = 238,564 tco 2ekv /god Ušteda u emisiji SO 2 : MSO 2 =2,4554-0,0503 = 2,4051 tso 2ekv /god Ušteda u emisiji PO 4 : MPO 4 = 0,05124-0,003054 = 0,048186 tpo 4ekv /god Iz priložene analize vidi se značaj proizvodnje električne energije u solarnim elektranama i njihov doprinos u smanjenju emisije štetnih gasova i očuvanju životne sredine. U planu Energoprojekta je da se za 10-15 godina trenutni paneli zamene savremenijim panelima veće efikasnosti. Kao problem javlja se njhovo odlaganje i deponovanje s obzirom da se radi o poluprovodničkom materijalu. 5. ZAKLJUČAK U skladu sa evropskim trendovima vezanim za zaštitu okoline i primenu obnovljivih izvora energije, Srbija je prihvatila obavezu da donese i realizuje plan primene direktive 2001/77/EC o promovisanju proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora. U tom smislu Ministarstvo za urbanizam, prostorno planiranje rudarstvo i energetiku je donelo odgovarajuću zakonsku regulativu i propise kojima se reguliše instalacija, ugradnja i priključenje obnovljivih izvora energije na elektroenergetsku mrežu Srbije. Želeći da učestvuje u razvoju i primeni obnovljivih izvora električne energije, Energoprojekt je odlučio da sopstvenim sredstvima realizuje projekat solarne elektrane instalisane snage 120kW. Proizvonja ove elektrane za 2013. godinu prikazana i analizirana u ovom radu. Proračunata je efikasnost elektrane i prikazani su gubici koji se javljaju. Glavni cilj razvoja solarnih elektrana, i obnovljivih izvora elekrične energije uopšte, jeste očuvanje živone sredine i smanjenje emisije štetnih gasova u cilju smanjenja efekta staklene baste i pojave kiselih kiša. Te se značaj ovog rada upravo ogleda u proračunu smanjenje emisije štetnih gasova i promociji solarnih elektrana.
REFERENCE [1]Roger A. Messenger, Jerry Ventre, Photovoltaic Systems Engineering, Second edition, 2004. [2] Dragana D. Milosavljević, Proučavanje energetske efikasnosti solarnih elektrana, doktorska disertacija, Prirodno-matematički fakultet Univerzitet u Nišu, 2013. [3] Željko Đurišić, Dušan Mikičić, Amir Kunosić, Energetski potencijal Sunca, Elektrotehnički fakultet Univerzitet u Beogradu [4] Nemanja Leštarić, Realizacija projekta solarne elektrane na krovu poslovne zgrade Energoprojekta, Master rad, Elektrotehnički fakultet Univerzitet u Beogradu, 2012.