mikrovõrgud ehk elektrienergia tootmine hoonetes · paneelide kalde ja asimuudi mõju...
TRANSCRIPT
Mikrovõrgud ehk elektrienergia tootmine hooneteshoonetes
Argo Rosin, D.Sc.Eng
Energeetikateaduskond
Tallinna Tehnikaülikool
Lokaalse energiatootmise võimalused
• PV-paneelid
• Päikesekollektorid
• Tuulegeneraatorid
• Koostootmisjaamad
• Gaasiturbiinid
• Hübriidlahendused
Keskmine päevane kiirgus kuus (Harku 2005-2009)
250300350400450500550600650
Wh/m²
050
100150200250
00:0
0
02:0
0
04:0
0
06:0
0
08:0
0
10:0
0
12:0
0
14:0
0
16:0
0
18:0
0
20:0
0
22:0
0
Time, hoursJanuary February March AprilMay June July AugustSeptember October November DecemberSun average
PV-paneelid linnas
PV-paneelide eelised ja puudused
• Tootmine langeb kokku büroohoonete tarbimisega
• PV-süsteem silub tarbimise tipud
• Talvel ja suvel energia tootlikkuses sõltuvalt kaldenurgast ja päikese järgitavusest 20…50 kordne vahe
• Suvine soojus suurendab ja talvine jahedus • Suvine soojus suurendab ja talvine jahedus vähendab kadusid,
• Väikese kaldenurgaga paneelidel talvine hoolduskulu suurem ja energiatootlikkus väikesem
• Eestis hajutatud kiirguse osakaal suur ‒ järgivajamite tasuvus küsitav
• Kasutegurid vahemikus 5…20%
Päikese järgimisest ja paneelide kaldest saadav võit
• Suvel kuni 50% ja talvel kuni 300%. Absoluutväärtustes on suvine võit suurem
• Kesk-Euroopa laiuskraadidel on PV-paneelidel kaheteljelise järgivajamiga saadav võit kuni 30% ning üheteljelise järgivajamiga 20%
• Kesk-Euroopa laiuskraadidel on terve aasta kasutatavatel statsionaarsete PV-paneelide kalle 30°kasutatavatel statsionaarsete PV-paneelide kalle 30°suunaga lõunasse. Suvel 10°...20°, talvel 60°...70°. Lähtudes tootlikkusest on soovituslik kalle Eestis ca 40°.
• Optimaalseim pinnaühiku kasutus oleks siis kui paneelid paigaldatakse kaldega 30°.
• Suurema kiirgusega regioonides on paneelide kallutamise mõju oluliselt väiksem kui väiksema kiirgusega regioonides
Paneelide kalde ja asimuudi mõju tootlikkusele
• Tootlikkus võrreldes 40 kraadise kaldega paneelidega väheneb ligikaudu 1%, kuid kasutatav pind suureneb 5 % võrra, mistõttu suurema arvu paneelide installeerimisest tulenev summaarne aastane tootlikkus suureneb teoreetiliselt 10%.
• Paneelide paigaldusel kaldega 30º tuleb arvestada mustumisest tingitud kadudega arvestada mustumisest tingitud kadudega 2...10%, väiksema kaldega paigaldamisel suurenevad mustumisest tingitud kaod märgatavalt
• Päikesekiirgus pinnaühikule ei muutu kui PV-paneele pöörata lääne või ida suunal 15 kraadi.
• Kui paneelid on pööratud lõuna suhtes 15...25 kraadi, siis toob see kaasa ca 1% päikesekiirguse languse pinnaühikule sh ka samaväärse tootlikkuse languse.
Horisontaalselt paigaldatud PV paneelide (kasuteguriga 20%) pindala keskmisele, puhkepäeva ja tööpäeva tarbimisele.(Tarbimine: keskmine - 0.5 kWh/h, puhkepäev - 0.66 kWh/h, tööpäev - 0.38 kWh/h) [2]
52
3,7
39
9,8
309,
7
271,
2
690,
7
400,0
500,0
600,0
700,0
800,0m
²
234
,9
67
,7
28
,3
15
,2
11
,3
10
,4
11
,3
16
,1
25
,2 67
,0
205
,7
17
9,3
51
,6
21,
6
11
,6
8,6
7,9
8,7 12
,3
19,3 51
,1
157
,0
309,
7
89,2
37,4
20,0
14,9
13,7
15,0
21,3
33,3 88
,4
271,
2
0,0
100,0
200,0
300,0
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Month
Average day (AD) Average workday (WD) Average holiday (HD)
Kodutarbimise katmine PV-ga töö-ja puhkepäeval, PV – 34m2, 20%. TARBIJA – 10kWh/p
00:0
001
:00
02:0
003
:00
04:0
005
:00
06:0
007
:00
08:0
009
:00
10:0
011
:00
12:0
013
:00
14:0
015
:00
16:0
017
:00
18:0
019
:00
20:0
021
:00
22:0
023
:00
Jan
Jun
No -4,00-3,50-3,00-2,50-2,00-1,50-1,00-0,500,000,501,001,50
kWh
00:0
001
:00
02:0
003
:00
04:0
005
:00
06:0
007
:00
08:0
009
:00
10:0
011
:00
-4,000--3,500 -3,500--3,000 -3,000--2,500 -2,500--2,000 -2,000--1,500 -1,500--1,000
-1,000--0,500 -0,500-0,000 0,000-0,500 0,500-1,000 1,000-1,500
00:0
001
:00
02:0
003
:00
04:0
005
:00
06:0
007
:00
08:0
009
:00
10:0
011
:00
12:0
013
:00
14:0
015
:00
16:0
017
:00
18:0
019
:00
20:0
021
:00
22:0
023
:00
Jan
Jun
No-4,00-3,50-3,00-2,50-2,00-1,50-1,00-0,500,000,501,001,502,00
kWh
-4,000--3,500 -3,500--3,000 -3,000--2,500 -2,500--2,000 -2,000--1,500 -1,500--1,000
-1,000--0,500 -0,500-0,000 0,000-0,500 0,500-1,000 1,000-1,500 1,500-2,000
Päikesekollektorid
• Vaakumtorudega päikesekollektorite kasutegur sõltub kõige vähem ümbritsevast temperatuurist
• Vajab suvekuudel soojussalvestite kasutamist
Kollektorid tarbevee soojendamiseks
Üldised printsiibid
• Kollektori suurus: 1...1,5 m2 inimese kohta
• Salvesti suurus: 80...100 l inimese • Salvesti suurus: 80...100 l inimese kohta
• Vaakumtorudega kollektorite puhul võib kollektori pindala vähendada ca 30%
• Alla 3...4 m2 kollektorite puhul kadude osakaal torudes kõrge
Tuulikute tüübid ja tuuleenergia
3,00
3,50
4,00
4,50v
(win
d sp
eed)
, m
/s
Keskmine päevane tuulekiirus kuus (Harku 2005-2009)
1,50
2,00
2,50
00:0
0
02:0
0
04:0
0
06:0
0
08:0
0
10:0
0
12:0
0
14:0
0
16:0
0
18:0
0
20:0
0
22:0
0
t (time), hours
v (w
ind
spee
d),
m/s
Jan Feb Mar Apr MayJun Jul Aug Sep OctNov Dec Average
Tuulikute eelised ja puudused• Kõige tõhusamad on horisontaalse rootoriga
seadmed
• Vertikaalse rootoriga seadmed ei vaja tuulde suunamist ja reageerivad paremini tuule turbulentsidele
• Savonius-rootori eeliseks on töö väiksematel tuulekiirustel. Puuduseks madal kasutegur -25%. Kasutatakse väikesevõimsusega 25%. Kasutatakse väikesevõimsusega turbiinides
• Darrieus-rootori kasutegur on 75% võrreldes horisontaalse rootoriga turbiinidega. H-rootoriga turbiinid on parameetritelt sarnased Darrieus-rootoriga seadmetele
• Hoonele paigaldamise asukoht on väga tähtis
• Tootlikkus sõltub maapinna ebatasasusest.
• Talvel pikemad tuulepausid kui suvel
• Talvel keskmine tootlikkus parem kui suvel
Eesti jaoks sobimatu lahendus
Horisontaalse rootoriga tuuleturbiini installeeritav võimsus keskmisele, puhkepäeva ja tööpäeva tarbimisele (Tarbimine: keskmine - 0.5 kWh/h, puhkepäev - 0.66 kWh/h, tööpäev - 0.38 kWh/h) [2]
8,4
5
8,5
5
12
,56
10
,67
8,3
99,5
8
8,9
0
10
,82
9,8
5 11
,14
11
,27
16
,56
14
,06
11
,06
8,3
610,00
12,00
14,00
16,00
18,00
20,00P
ow
er,
kW
4,4
6
6,7
5 8,2
1
7,4
7 8,4
5
8,5
5
8,3
9
6,3
4
5,0
8
4,8
4
3,4
0 5,1
5 6,2
6
5,7
0
6,4
5
6,5
3
9,5
8
8,1
4
6,4
0
4,8
4
3,8
8
3,6
9
5,8
8
8,9
0 9,8
5
8,3
6
6,7
0
6,3
8
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Month
Po
we
r, k
W
AL_kW WD_kW HD_kW
Kodutarbimise katmine tuulikuga töö- ja puhkepäeval, TUULIK – 2 x 5kW. TARBIJA – 10kWh/p
02:0
003
:00
04:0
005
:00
06:0
007
:00
08:0
009
:00
10:0
011
:00
12:0
013
:00
14:0
015
:00
16:0
017
:00
18:0
019
:00
20:0
021
:00
22:0
023
:00
Jan
Apr
Jul
Oct-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
kWh
00:0
001
:00
02:0
003
:00
04:0
005
:00
06:0
007
:00
08:0
009
:00
10:0
0
Janhours
-1,50--1,00 -1,00--0,50 -0,50-0,00 0,00-0,50 0,50-1,00 1,00-1,50
00:0
001
:00
02:0
003
:00
04:0
005
:00
06:0
007
:00
08:0
009
:00
10:0
011
:00
12:0
013
:00
14:0
015
:00
16:0
017
:00
18:0
019
:00
20:0
021
:00
22:0
023
:00
Jan
Apr
Jul
Oct-1,5
-1,0
-0,5
0,0
0,5
1,0
1,5
kWh
hours
-1,50--1,00 -1,00--0,50 -0,50-0,00 0,00-0,50 0,50-1,00 1,00-1,50
NÄIDISLAHENDUS UURINGUTEKSTTÜ energeetikateaduskonna mikrovõrk
DC-BUS (400 VDC)
Vertical axis
windturbine
3kW (5 kWp)
PV, dual-axis
tracking system
48 V, 400....800 Wp
Hydrogen Storage
50 litre, 10 bar
Electrolyser
0,48 kW
Fuel Cell
1.2 kWVRLA Battery
48V / 200 Ah
Ultra-
capacitor
48,6 V / 165F
3 x 400 V AC (ON-GRID)
DC/AC
5 kW
Flywheel
15 kW
20 sec
(with DC-link)
Gasturbine
30 kW
1 x 230 V AC (ON-GRID)
Controllable
Load
Electronic
Load
600V / 6 kW
DC/AC
5 kW
1 x 230 V AC (OFF-GRID)
Controllable
Load
• Kütuseelement:
− U/I tunnusjoon , sõltuvus temperatuurist ja niiskusest,
• kasutegur erinevatel koormustel ja voolutihedustel,
• vesinikutarve, salvesti dimensioneerimine, energiavaru.
• Ülikondensaator- ja akusalvesti:
− laadimis-tühjenemiskõverate ülesvõtmine,
• Päikesepaneel:
− U/I- ja P/I-tunnusjooned(curves),
• Kasutegur,
• järgivajami kasutaminel,
• Spektraaltundlikkus,
• Toodangu sõltuvus paneelidetemperatuurist.
• Tuulegeneraator:
− U/I- ja P/I-tunnusjooned
• energiatoodang ja selle kõikumine, sh tuulekiiruse mõju ülesvõtmine,
• Kasutegur,
• salvesti omadused:
− salvede eripäradtühjenemisel ja laadimisel,
− Ohutus ,
− mahutavuse ja laetusemääramine ,
− salvesti dimensioneerimine
• Energiasaare pikaajaline töö jälgimine
• Koostöö võrgust sõltuvalt
• Tasuvusarvutused.
kõikumine, sh tuulekiiruse mõju
• kasutegur,
• optimaalsed koormusgraafikud,
• tuuleenergia salvestamise karakteristikud
• Päikese- ja tuuleenergiast vesiniku tootmise karakteristikud
• Komponentide võimalikud konfiguratsioonid:
− talitlusviisid ja –strateegiad,
Mida arvesse võtta süsteemide projekteerimisel?!• Elektritarbimise ja –tootmise kõverate
kokkulangevust
• ON-grid lahendusel lisaks hinna ja tootmise kõverate kokkulangevust
• Ehitus- ja elektrotehnilisi aspekte (nt olemasolevate konstruktsioonide vastupidavus, temperatuuri mõjud tootlikkusele, temperatuuri mõjud tootlikkusele, tootmiskõverad, salvestusvajadused jpm)
• Keskkonnaaspekte (nt. müra, valgusvärelus, valguse peegeldus, vibratsioon jne)
• Ohutusaspekte (nt. vastupidavus lumele, tuulele, temperatuurile, niiskusele jne)
• Majandusaspekte
• Esteetilisi aspekte
• Protsesside võimalikku dünaamikat
Kasutatud kirjandus
1. Quaschning, Volker. Regenerative Energiesysteme, Technologie − Berechnung − Simulation. 6., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Hanser Verlag München. 2009. 397 s. ISBN 978-3-446-42151-6.
2. Rosin, A.; Hõimoja, H.; Möller, T.; Lehtla, M.; , "Residential electricity consumption and loads pattern analysis," Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 2010 , vol., no., pp.111-116, 16-18 June 2010, 10.1109/PQ.2010.5550009June 2010, 10.1109/PQ.2010.5550009
3. Rosin, A.; Rosin, K.; Auväärt, A.; Strzelecki, R. (2012). Dimensioning of household electricity storage for PV-systems and load scheduling based on Nord Pool Spot prices. Przeglad Elektrotechniczny, 88(4b), 294 - 299.
4. Russak, Viivi; Kallis, Ain. Handbook of Estonian Solar Radiation Climate. Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituut. Printed by AS ILOPRINT. Tallinn 2003.
Tänan tähelepanu eest!Tänan tähelepanu eest!