usporedba procjene i stvarne proizvodnje električne ... · pdf filebesplatna. možete...
TRANSCRIPT
1
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
ZAVRŠNI RAD br. 1435
Usporedba procjene i stvarne proizvodnje električne energije
Josip Šekelja
Zagreb, lipanj 2010.
2
3
Sadržaj
Uvod ......................................................................................................................................... 5
Osnovno o fotonaponskom sustavu SOLVIS Varaždin 96x215 W ............................................ 6
O tvrtci SOLVIS ..................................................................................................................... 6
SE SOLVIS Varaždin ............................................................................................................... 6
Sunčevo zračenje na području Europe ..................................................................................... 9
Sunčevo zračenje na području Hrvatske ................................................................................ 10
FOTOEFEKT ............................................................................................................................. 11
Povijest ............................................................................................................................... 11
Princip rada fotonaponske ćelije ........................................................................................ 12
Maksimalan stupanj djelovanja fotonaponske ćelije je ograničen termodinamički .......... 13
Osnovne prednosti FN pretvorbe ...................................................................................... 13
Koliko će fotonaponski panel proizvesti struje .................................................................. 14
Optimalno okretanje panela prema Suncu ........................................................................ 14
O HOMER-u ............................................................................................................................ 15
Nastanak ukratko ............................................................................................................... 15
SIMULACIJA .................................................................................................................... 16
OPTIMIZACIJA ................................................................................................................. 16
ANALIZA OSJETLJIVOSTI ................................................................................................. 17
Korisničko sučelje HOMER-a .............................................................................................. 18
PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) procjena sunčevog zračenja i proizvodnje električne energije za Varaždin .......................................................................... 19
Podaci za fotonaponski panel (SOLVIS Modul SV 215) .......................................................... 21
Podaci za pretvarač (Sunny Mini Central 6000TL / 7000 TL / 8000TL) .................................. 22
Ulazni podaci i analiza u HOMER-u ........................................................................................ 23
GRAFIČKI PRIKAZ REZULTATA SIMULACIJE............................................................................. 28
Proizvedena energija i snaga kroz godinu .......................................................................... 36
Prosječna snaga po mjesecima iz stvarnih podataka mjerenih na lokaciji ........................ 37
Stvarna proizvedena električna energija u godini .............................................................. 38
Karakterističan dan u toplijem dijelu godine (prosječan dan u kolovozu) ..................... 40
Karakterističan dan u hladnijem dijelu godine (prosječan dan u siječnju) .................... 41
4
Zaključak ................................................................................................................................. 42
Literatura ................................................................................................................................ 43
Naslov završnog rada ............................................................................................................. 45
Sažetak ................................................................................................................................... 45
Ključne riječi ........................................................................................................................... 45
Final work title ....................................................................................................................... 46
Summary ................................................................................................................................ 46
Keywords ................................................................................................................................ 46
5
Uvod
Cilj ovoga rada je usporedba proizvodnje električne energije fotonaponskog
postrojenja (fotonaponske elektrane u Varaždinu) između programskog alata
za simulaciju energijskih sustava HOMER-a i stvarnih mjerenih podataka
vezanih za postrojenje.
Na temelju statističkih podataka sa „Sunny portala“ i podataka za
fotonaponsku elektranu u Varaždinu (vršne snage 20,6 kW - 96 modula SV
60-215 tvrtke Solvis) pod nagibom 70 stupnjeva i 0 stupnjeva azimutom
(okrenuto na jug) putem simulacijskog programskog paketa HOMER provodi
se analiza postrojenja i dobivaju mnogobrojni rezultati simulacije od kojih će
nama od najveće važnosti biti upravo proizvodnja električne energije i snaga
elektrane kroz godinu.
Proračunom, tj. analizom stvarnih mjerenih podataka za sunčevo zračenje,
snagu i proizvedenu energiju te raznim drugim podacima vezanim za
vremenske i klimatske karakteristike te karakteristike samoga postrojenja
dobivaju se stvarni podaci o proizvodnji električne energije i snazi kroz
godinu u raznim periodima (u našem slučaju analiza po mjesecima) koji se
uspoređuju s onima dobivenima iz programa HOMER.
6
Osnovno o fotonaponskom sustavu SOLVIS Varaždin 96x215 W
O tvrtci SOLVIS
SOLVIS je proizvodna i inženjerska tvrtka osnovana 2007. godine u
Dubrovniku. Njena misija i vizija je „unaprjeđenje energetske učinkovitosti
putem proizvodnje integracijskih fotonaponskih sustava, doprinos razvoju i
implementaciji postrojenja za korištenje Sunčeve energije, poticanja
korištenja Sunčeve energije u svrhu zaštite okoliša i smanjena emisije štetnih
plinova“.
Sjedište tvrtke je u Gospodarskoj zoni Brezje u Varaždinu. Osnivači tvrtke
Solvis d.o.o. su gospodin Stjepan Talan i gospodin Mario Čebulc. 2009.
godine su započeli proizvodnju svojih modula. Njihovi moduli na tržištu slove
kao visokoučinkoviti te su temeljeni na strogim kriterijima kontrole kvalitete i
korištenju vrhunskih sirovina.
SE SOLVIS Varaždin
SE SOLVIS Varaždin je fotonaponska elektrana koja sadrži 96 fotonaponskih
modula za proizvodnju električne energije iz sunčeve, a svaki je snage 215
W. Ukupna snaga elektrane je 20,64 kWp. Elektrana je puštena u rad 11.
svibnja 2009. godine. Predviđena godišnja proizvodnja električne energije
kreće se prosječno oko 19 MWh (930 kWh/kWp). Konvencionalna elektrana
na gorivo jednake snage godišnje bi proizvela oko 5,8 tona CO2 što je ujedno
i ušteda, tj. očuvanje okoliša sa strane sunčane elektrane u Varaždinu.
7
SE SOLVIS Varaždin je "On-grid" sustav: električna energija koja se
proizvede fotonaponskim sustavom može se koristiti u privatne svrhe, ali
može se i prodati u javnu mrežu po povlaštenoj tarifi.
Za umreženi fotonaponski sustav potrebni su:
1. Solarni moduli (fotonaponski moduli) - pretvaraju sunčevo svjetlo u
istosmjernu struju
2. Pretvarač - pretvara istosmjernu struju proizvedenu putem solarnih
modula u izmjeničnu struju kompatibilnu sa strujom u javnoj mreži
3. Brojila električne energije - brojilo umreženog sustava instalirano je
pored postojećeg brojila električne energije. Ono mjeri količinu
električne energije u kWh koji se puštaju u javnu mrežu i pokazuje
koliko je proizvedeno električne energije putem fotonaponskog
sustava
4. Kontrolori - kontroliranje rada fotonaponskog sustava kako bi bili
sigurni da sustav radi optimalno.
Slika 1 – SE Solvis Varaždin [11]
8
Slika 2 – Solvis Varaždin [12] Slika 3 – Rashladno postrojenje [12]
Slika 4 – Proizvodni pogon [12] Slika 5 – Ventilacija postrojenja [12]
9
Sunčevo zračenje na području Europe:
Sunčevo zračenje je kratkovalno zračenje koje Zemlja dobiva od Sunca.
Izražava se u W/m2, a ovisno o njegovom upadu na plohe na Zemlji može
biti: neposredno (zračenje Sunčevih zraka), difuzno zračenje neba
(raspršeno zračenje cijelog neba zbog pojava u atmosferi), difuzno zračenje
obzorja (dio difuznog zračenja koji zrači obzorje), okosunčevo difuzno
(cirkum-solarno) zračenje (difuzno zračenje bliže okolice Sunčevog diska koji
se vidi sa Zemlje) te odbijeno zračenje (zračenje koje se odbija od okolice i
pada na promatranu plohu).
Sunčevo zračenje iznosi oko 3,8 x 1026 W, od čega Zemlja dobiva
1,7x1017 W. Zemlja od Sunca godišnje dobiva oko 4 x 1024 J energije što je
desetak tisuća puta više nego što iznosi ukupna godišnja potrošnja energije
iz svih primarnih izvora. Prosječna jakost Sunčevog zračenja iznosi oko 1367
W/m2 (tzv. solarna konstanta).
Slika 6 – sunčevo zračenje na području Europe [8]
10
Sunčevo zračenje na području Hrvatske:
Potencijal iskorištenja solarne energije na području Hrvatske se kreće od 970
do 1380 kW/h po m2 površine solarnog kolektora postavljenog pod
optimalnim godišnjim kutom. Sa slike [7] možemo približno odrediti
snagu solarne energije za područje od interesa u Hrvatskoj.
Slika 7 – Sunčevo zračenje na području Republike Hrvatske [8]
11
FOTOEFEKT
Sunce šalje više energije prema Zemlji u 20-ak minuta nego što svjetska
populacija konzumira u cijeloj jednoj godini. Sunčeva energija ima neke
velike prednosti: gotovo je neiscrpna, dostupna je diljem svijeta i potpuno
besplatna. Možete iskoristiti sunčevu energiju i osigurati energiju u
nedostatku električne energije, smanjiti svoje troškove potrošnje električne
energije ili čak zaraditi novac kao povlašteni potrošač. Sunce je jedan od
najčišćih i najveći ekološki prihvatljivi izvor energije na Zemlji.
Solarna fotonaponska energija je direktno pretvaranje svjetlosti u električnu
energiju na atomskoj razini.
Kada fotoni pogode FN ćeliju, oni se mogu reflektirati od nje, proći direktno
kroz nju ili biti apsorbirani (upijeni). Samo apsorbirani fotoni u posebnom
pojasu određenih materijala daju energiju za oslobađanje elektrona i
proizvodnju električne struje (fotonaponski efekt).
Neki materijali koji pokazuju to svojstvo omogućuju da apsorbirani fotoni
svjetlosti oslobađaju elektrone (npr. poluvodiči u tzv. pn spoju). Kada
uspijemo uhvatiti slobodne elektrone, nastaje elektricitet koji možemo
koristiti kao električnu struju.
Povijest
Fotoelektrični efekt je prvi primijetio je francuski fizičar, Edmund Bequerel, u
1839., koji je otkrio da neki materijali uspijevaju proizvesti male količine
električne struje kada su izloženi suncu. 1905. godine Albert Einstein je
opisao prirodu svjetlosti i fotoelektrični efekt na kojoj se temelji fotonaponska
tehnologija, a za koji je kasnije dobio Nobelovu nagradu za fiziku.
Prvi fotonaponski modul je sagradio Bell Laboratories 1954. godine, a već
1960. godine u svemirskoj industriji počelo je prvo ozbiljnije korištenje
tehnologije kako bi se osigurala električna energija na svemirskoj tehnologiji.
12
Kroz vrijeme napredna tehnologija je dobila na pouzdanosti, a trošak
proizvodnje je počeo opadati. Solarne ćelije su izrađene od istih vrsta
poluvodičkih materijala, kao što je silicij koji se koristi u industriji
mikroelektronike. To je drugi najveći element u izobilju na Zemlji. Za solarne
ćelije, tanke poluvodičke ćelije su posebno tretirane u obliku električnog
polja, s jedne strane pozitivno, a negativno sa druge. Kada svjetlosna
energija udara u solarne ćelije, elektroni se oslobode od atoma u
poluvodičkom materijalu. Ako su električni vodovi priključeni sa pozitivne i
negativne strane formira se električni krug, elektroni mogu biti zarobljeni u
obliku električne struje to jest, električne energije. Ta električna energija se
može koristiti za napajanje potrošača. Broj solarnih ćelija električki su
međusobno povezani i montirani u potpornu strukturu okvira nazvanog
fotonaponski modul. Moduli su osmišljeni za opskrbu električnom energijom
do određenog napona, kao što je 12 voltni sustav. Struja proizvedena je
direktno ovisna o tome koliko svjetla udara u modul.
Princip rada fotonaponske ćelije
Osnovni princip rada je taj da se energija sunčevog zračenja koju čine fotoni
u solarnom modulu pretvara u istosmjerni DC napon. Tako dobivena energija
se može akumulirati u baterijama i koristiti za napajanje istosmjernih
potrošača. U slučaju potrebe za napajanjem izmjeničnih (AC) potrošača tada
se u solarni sistem implementira pretvarač, tj. inverter. Inverter vrši pretvorbu
istosmjernog DC napona u izmjenični AC, te na taj način direktno omogućava
napajanje kućnih potrošača koji rade na mrežnom naponu 220V / 50Hz.
Slika 8 – Osnovna struktura fotonaponske
ćelije [5]:
13
Za prikupljanje FN struje, metalni kontakti su postavljeni na obije strane ploče
da bi prikupljali struju induciranu fotonima na ćelijama. Kontakt je omogućen
preko donje površine i na jednom bridu gornje površine. Tanka vodljiva očica
na preostaloj gornjoj površini skuplja struju i pušta prolaz svijetla. Razmaci
vodljivih vlakana u očici je stvar kompromisa između povećanja električne
vodljivosti i smanjivanja ne protočnosti svjetla. Prednje lice ćelije ima anti-
reflektirajuću oplatu da bi se što je više moguće umanjila refleksiju, a
mehanička zaštita je zaštitno staklo s prozirnim ljepilom.
Maksimalan stupanj djelovanja fotonaponske ćelije je ograničen termodinamički: 1. Gubici zbog poluvodičkih svojstava ćelije 23%
2. Gubici energije fotona većih od zabranjenog pojasa 31%
3. Gubici zbog ograničenja napona na veličinu manju od Eg/e,gdje je Eg
donja granična energija, e jedinični naboj elektrona (kod Silicija: Eg/e = 0.8V,
gubici 12%)
4. Gubici iz dodatnih termodinamičkih razloga vezani uz omjer struje kratkog
spoja i napona otvorenog kruga, tj. praznog hoda (za Silicij kod omjera 0.9
gubici su oko 3%)
Ukupni gubici fotonaponske pretvorbe min.: 67 %.
Glavne prepreke šire uporabe su dakle nizak stupanj djelovanja
(maksimalno teorijski 0.33, a i manje) i vrlo mali izlazni napon (do 0.7 V).
Osnovne prednosti FN pretvorbe: 1. Fotonaponska pretvorba je izravna - veliki mehanički sustavi generatora
nisu potrebni.
2. Korištenje i održavanje jednostavno - solarne ćelije nemaju pokretnih
dijelova, nije potrebna koncentracija zračenja, solarne ćelije iskorištavaju i
izravno i raspršeno zračenje Sunca. Bešumnost i ne zagađivanje okoline,
ekološki najčistiji izvor energije.
3. Modularna karakteristika – moguće brzo i u dopuštenim veličinama
instaliranje nizova (moguće postupno povećanje snage).
14
4. Tehnologija dokazana u komercijalne svrhe
5. Visoka pouzdanost i dugotrajnost
6. Najbolji urbani obnovljiv izvor energije
7. Arhitektonska integracija u svaki prostor
Koliko će fotonaponski panel proizvesti struje?
Jedan kvadratni metar fotonaponskih solarnih panela može proizvesti do 150
W bez održavanja snage do trideset godina. Fotonaponski paneli će raditi
čak i na difuzno svjetlo, tj. kad su oblačni dani, ali s manjom izlaznom
snagom. Napon proizveden fotonaponskim panelom ostaje približno isti bez
obzira na vrijeme, ali jakost (A) i snaga (W) će varirati.
Najvažniju stvar koju treba imati na umu pri planiranju fotonaponskih
solarnih instalacija je izlazna snaga, koje će uglavnom ovisiti o četiri faktora:
- maksimalna snaga vašeg panela (mjereno u peak-vatima ili Wp)
- intenzitet svjetlosti
- broj sati izloženosti suncu i
- kut izlaganja suncu
Optimalno okretanje panela prema Suncu
Uvijek je najbolje da se paneli usmjere prema jugu sa idealnim kutom nagiba
ovisno o geografskom položaju i dobu godine. Sunčeve zrake trebaju padati
okomito na panel. Idealna situacija u Europi je da imamo krov okrenut prema
jugu s kutom između 40 i 60 stupnjeva, ili, još bolje, ravni krov ili površinu na
kojem možemo panele podešavati po volji.
15
O HOMER-u
Programski alat HOMER pomaže korisnicima izabrati najpovoljniju
kombinaciju obnovljivih i konvencionalnih izvora energije za manja
postrojenja spojena na mrežu (on grid) ili samostalna postrojenja (off grid).
Upravo detaljna simulacija s mogućnosti odabira mnogobrojnih parametara je
najvažnija za pravilan odabir komponenti postrojenja.
HOMER prati zadivljujući razvoj obnovljivih izvora energije („up to date“),
omogućuje usporedbu raznih kombinacija sustava te predviđa, tj.
proračunava, performanse i sveukupne troškove rada, a usto nam daje
mnoge druge informacije vezane za sam rad postrojenja kao i razne druge
čimbenike koji na njega utječu ili na njih djeluje postrojenje.
Nastanak ukratko
HOMER je nastao od strane NREL-a, tj. iz programa američke vlade za
uspostavu izvora energije u teško dostupnim mjestima. Od 1990. godine
NREL se bavi razvojem obnovljivih izvora energije te njihovom
implementacijom u ruralne dijelove Amerike. Upravo da bi odabrali najbolju
konfiguraciju sustava za promatrano područje trebao im je model za analizu,
tj. simulacija. Upravo zbog ovog razloga razvijaju alat koji im to omogućuje.
1997. godine HOMER je „pušten u javnost“ kako bi se svi mogli poslužiti
njime.
Početno se HOMER bavio samostalnim (off grid) sustavima no ustanovljeno
je da bi bio veoma koristan i ako bi se taj sustav bio spojen na mrežu.
HOMER 2.0 izlazi 2001. godine.
Zahvaljujući sponzorima HOMER se nastavio razvijati i nakon gašenja
programa o uspostavi izvora električne energije u teško dostupnim mjestima.
16
Mikro hibridni sustavi čijom analizom se bavi HOMER mogu imati velik broj
nepredvidivosti, tj. promjenjivih varijabli kao i kombinacija samih sustava.
Upravo zbog ovih problema HOMER dolazi u obzir kao odličan alat za
simulaciju, tj. analizu sustava. HOMER nam omogućava usporedbu više
različitih sustava uzimajući u obzir i promjenjive varijable kao npr. cijene
goriva ili opterećenje mreže. Simulacijom u HOMERU možemo kombinirati
vjetroagregate, fotonaponske panele, hidro generatore, gorive ćelije, baterije,
motore (benzinske), bojlere i sl.
Slika 9 – Odnos između simulacije, optimizacije i analize osjetljivosti
SIMULACIJA HOMER-ova osnovna sposobnost je simuliranje dugoročnih operacija mikro
energetskih sustava. Proces simulacije određuje kakva je konfiguracija
promatranog sustava, prikazuje komponente istog sa točno određenim
tehničkim dimenzijama, prikazuje operativnu strategiju koja definira kako će
ove komponente raditi zajedno i kako će se iste ponašati kada rade zajedno
kroz duži period vremena.
OPTIMIZACIJA Optimizacijski proces određuje koja ja najbolja moguća konfiguracija sistema.
U HOMER-u je uvijek najbolja moguća, odnosno optimalna, konfiguracija
sistema ona koja zadovoljava ograničenja koje je zadao korisnik pri
najmanjem trošku (Net Present Costs - NPC). Nalaženje optimalnog rješenja
može uključiti i odluku o kombinaciji elemenata koje sistem treba sadržavati,
njihove količine i veličine te dispatch strategiju (strategiju otpreme energije)
koje sistem treba sadržavati.
17
U optimizacijskom procesu HOMER simulira razne moguće konfiguracije,
odbacuje neizvodive, rangira one koje su izvodive prema ukupnim NPC i
predstavlja one koje su najpovoljnije.
Optimizacijski proces određuje optimalnu vrijednost svake odlučujuće
varijable (decision variable) koja je interesantna korisniku. Odlučujuća
varijabla je ona nad kojom korisnik ima kontrolu, a za koju HOMER može
uzeti u razmatranje višestruke vrijednosti u optimizacijskom procesu.
Slika 10 – Primjer optimizacije u HOMER-u
ANALIZA OSJETLJIVOSTI Analiza osjetljivosti u HOMER-u pomaže nam odrediti potencijalni utjecaj
nepredvidivih čimbenika na promatrani sustav kao što su npr. cijene benzina
ili brzine vjetra u vremenu.
Slika 11 – Primjer analize osjetljivosti u HOMER-u
18
Korisničko sučelje HOMER-a:
Slika 12 – Osnovni (radni prozor) u HOMER-u
Slika 13 – Mogućnosti odabira komponenti u HOMER-u
Na slici [13] se vide sve moguće komponente koje nam na razmatranje nudi
HOMER. Princip slaganja sustava je jednostavan. Odabirom svega što
želimo u našem sustavu i onoga što bi trebalo HOMER sam spaja cijeli
sustav. Nakon toga slijedi odabir karakteristika za komponente koje smo
odabrali te sam proračun sustava.
19
PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) procjena sunčevog zračenja i proizvodnje električne energije za Varaždin:
PVGIS © European Communities, 2001-2008
Location: 46°18'35" North, 16°20'2" East, Elevation: 173 m a.s.l.
Slika 14 – PVGIS procjena proizvodnje električne energije [8]
Slika 15 – PVGIS Sunčevo zračenje [8]
20
Slika 16 – PVGIS Sunčevo zračenje na horizontalnu površinu, optimalni
nagib i nagib od 90 stupnjeva [8]
Slika 17 – PVGIS prosječne temperature u godini [8]
21
Podaci za fotonaponski panel (SOLVIS Modul SV 215):
Slika 18 i 19 – Podaci o korištenom panelu [3]
Slika 20 – Efikasnost panela s obzirom materijal panela [4]
22
Podaci za pretvarač (Sunny Mini Central 6000TL / 7000 TL / 8000TL): Tehnički podaci: Input (DC) 6000TL 7000TL 8000TL
Max. DC Voltage 700 V 700 V 700 V
Max. Input current 19 A 22 A 25 A
Number of MPP trackers 1 1 1
Output (AC)
Max. AC power 6000 W 7000 W 8000 W
AC nominal voltage 220 V - 240 V 220 V - 240 V 220 V - 240 V
AC mains frequency 50 Hz / 60 Hz 50 Hz / 60 Hz 50 Hz / 60 Hz
Efficiency
Max. Efficiency 98.0 % 98.0 % 98.0 %
Euro-eta 97.7 % 97.7 % 97.6 %
Protection features
Integrated ESS DC load break switch yes yes yes
General data
Operating temperature range -25° C - +60 ° C -25° C - +60 ° C -25° C - +60 ° C
Topology transformerless transformerless transformerless
Cooling design OptiCool OptiCool OptiCool
Install location: indoor / outdoor (IP65) yes / yes yes / yes yes / yes
Equipment
LCD display yes yes yes
Interfaces RS485/wireless optional / optional optional / optional optional / optional
Osnovni podaci: Dimenzije: 468 x 613 x 242 mm
Masa: 32 kg
Radni temperaturni opseg: -25C to 60C
Potrošnja: rad (standby) / noć: < 10 W / 0.25 W
Topologija: transformerless
Princip hlađenja: OptiCool
Instalacija: unutarnja/vanjska (IP65)
Slika 21 – Pretvarač [7]
23
Ulazni podaci i analiza u HOMER-u
Početak analize sustava u HOMER-u počinje odabirom komponenti sustava.
Osnovu SE SOLVIS Varaždin čine fotonaponski moduli, pretvarači i spoj na
mrežu.
Slika 22 – Odabir komponenti promatranog sustava u Varaždinu
Ovaj sustav spojen i prikazan u HOMER-u izgleda ovako:
Slika 23 – Prikaz spojenih komponenti sustava
24
Svaku komponentu sustava potrebno je posebno definirati, tj. za svaku je
potrebno unijeti podatke za proračun sustava.
Podaci za fotonaponske module:
Slika 24 – Unos podataka za fotonaponske panele
Na slici [24] se vidi snaga jednoga panela te ukupna snaga elektrane koju
čini 96 takvih panela. HOMER uzima u obzir cijenu panela i to se može vidjeti
na slici. Za potrebe preciznije, tj. bolje analize unose se podaci o samome
fotonaponskome panelu (efikasnost, kut postavljanja i sl.) te podaci ovisni o
temperaturi, a oni se mogu naći u podacima o karakteristikama
fotonaponskog panela.
25
Podaci o inverteru u HOMER-u:
Slika 25 – Unos podataka za inverter
Podaci za mrežu (ostavljene karakteristike koje HOMER sam daje kao
prosječne):
Slika 26 – Podaci za mrežu
26
Kao osnovna stvar kod simuliranja rada fotonaponskih panela služi nam
sunčevo zračenje [kWh/m2/dan]. Potrebno je unijeti i podatak o geografskom
položaju promatranog područja. Sunčevo zračenje je potrebno unijeti za
promatrano područje, a podaci se mogu unijeti u oblicima kao što su
prosječni podaci po mjesecima ili se može unijeti datoteka s više podataka
koji su mjereni npr. kroz godinu za recimo svaki dan ili sat.
Podaci za grad Varaždin:
Slika 27 – Podaci sunčevog zračenja i indeksi prozračnosti
Osim zračenja unosi se i indeks prozračnosti o kojem također ovisi simulacija
proizvodnje energije, tj. stvarna proizvodnja energije panela. HOMER nam
prikaže graf kroz 12 mjeseci za unesene podatke.
27
Sama simulacija traje kratko zbog jednostavnosti samoga sustava. HOMER
nam daje mnogobrojne važne kao i one manje važne podatke.
Osnovni dio koji nas zanima tiče se optimalnih rezultata, analize osjetljivosti
te općenito proizvedene energije i snage sustava ovisno o sunčevom
zračenju.
REZULTATI ANALIZE SUSTAVA:
Slika 28 – Rezultati analize sustava
Na slici [28] je prikaz rezultata s obzirom na sunčevo zračenje iznosa 3,36
kWh/m2/dan. Vidi se kolike su snage paneli, pretvarač i snaga za mrežu te
cijene, tj. troškovi samog sustava. Što se tiče emisija štetnih plinova
fotonaponski paneli ih nemaju, ali zato postoje neke emisije na strani mreže.
ANALIZA OSJETLJIVOSTI:
Slika 29 – Analiza osjetljivosti
HOMER nam daje uvid u optimalne rezultate s obzirom na različito prosječno
sunčevo zračenje. Analiza osjetljivosti može uzeti u obzir još neke
promjenjive varijable no za fotonaponske module smatram da je ovo
dostatno.
28
GRAFIČKI PRIKAZ REZULTATA SIMULACIJE:
Slika 30 – Proizvodnja kWh s obzirom na sunčevo zračenje
Slika 31 – Odnos cijene energije i sunčevog zračenja
29
Slika 32 – Ukupni troškovnik
Slika 33 – Tijek novca kroz 20 godina
Na slici [33] vidi se početni ulog, cijena zamjene neke opreme nakon, u
ovome slučaju, 15. godina te ušteda.
30
Slika 34 – Identična slici [33] samo je razlika u tome što se na ovoj vidi koliko
troška, tj. uštede se odnosi na koje komponente sustava
Slika 35 – Prosječno zračenje po mjesecima kroz period od 24 sata
31
Slika 36 – Prikaz snage kojom rade paneli kroz mjesece u periodima od 24h
Na slici [36] vidimo prosječan tijek snage za svaki mjesec u godini, tj.
HOMER za svaki mjesec računa prosječan dan i daje nam prikaz snage
panela od 0-24h.
Slika 37 – Sunčevo zračenje kroz godinu
32
Slika 38 – Zračenje na panele kroz godinu
Slika 39 – Odnos snage i sunčevog zračenja
33
Slika 40 – Temperature kroz godinu
Slika 41 – Prikaz temperatura kroz godinu; prosječne, minimalne i
maksimalne vrijednosti tokom dana
34
Slika 42 – Prikaz rada pretvarača kroz godinu
Slika 43 – Podaci za mrežu, tj. preuzeta energija od elektrane
35
Slika 44 – Prikaz ušteda emisije štetnih plinova
36
Proizvedena energija i snaga kroz godinu:
Slika 45 – Snaga i energija procijenjena u HOMER-u
HOMER nam ovim grafom prikazuje s kolikom prosječnom snagom naš
sustav radi u godini za svaki mjesec. Vrijednosti su u kW po mjesecima i
kreću se do maksimalno 3kW u rujnu 2009.
U tablici iznad grafa možemo vidjeti koliko je HOMER proračunao da sustav
proizvede energije (20.657 kWh/g.) te koliko mreža uzima, tj. kupuje energije
(18.591 kWh/g.).
37
Prosječna snaga po mjesecima iz stvarnih podataka mjerenih na lokaciji
Slika 46 – Stvarni prosjek snage po mjesecima iz mjerenih podataka
Slika [46] prikazuje prosječnu snagu panela u periodu kada Sunce sja. U
slučaju uzimanja u obzir i dijela dana kada nema Sunca vrijednosti snage bi
bile niže no graf ostaje identičan. Važan utjecaj na prosjek snage čini
temperatura. Fotonaponski paneli tokom noći jednake su temperature kao i
okolina no preko dana oni se zagriju i do 300C iznad temperature okoline. Taj
porast temperature utječe na panele na način da im smanjuje efikasnost tako
da možemo zaključiti da će u toplijim mjesecima (srpanj, kolovoz) efikasnost
panela biti niža nego u hladnijim mjesecima u godini.
Ovaj „stvarni“ graf [Slika 46] se čini čudnim na prvi pogled s obzirom na
snage prikazane u HOMER-u, ali ju objašnjavam činjenicom da je ljeti
količina sunčeva zračenja dugotrajnija, tj. paneli rade prosječno oko 12h dok
je ta brojka zimi oko 8h dnevno tako da su i prosjeci snaga po mjesecima
nepravilno raspoređeni. Od ranog jutra (6h) do kasno u večer (20h) u toplijem
razdoblju pojavljuju se podaci koji su za red veličine manji od onih u
podnevnim satima tako da oni smanjuju prosjek snage u toplijim mjesecima.
Podaci u rano jutro i kasno u večer ne postoje u hladnijim mjesecima stoga je
i prosjek takav kakav jest. Treba uzeti i u obzir moguće pogreške u analizi
podataka.
00,5
11,5
22,5
PROSJEČNA SNAGA PO MJESECIMA
kW
38
Stvarna proizvedena električna energija u godini
Stvarna proizvedena električna energija (iz podataka mjerenih na lokaciji)
kroz mjesece prikazana od puštanja postrojenja u rad [Slika 47] te graf koji
prikazuje kako bi to izgledalo od 1.-12. Mjeseca [Slika 48]:
Slika 47 – Energija u jednoj godini od puštanja postrojenja u rad
Slika 48 – Energija od 1.-12. mjeseca
Podatak za 6. mjesec nije greška nego je toliko stvarna proizvodnja
električne energije iznosila. Razloga zbog kojih je proizvodnja električne
energije u 6.mj. manja od one u 5.mj. može biti više, a najjednostavniji su da
je mjesec bio nešto „ispod prosjeka“ zbog količine sunčevog zračenja ili da je
došlo do nekog problema s radom elektrane.
0100020003000
kWh od puštanja elektrene u rad
kWh
0
1000
2000
3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
kWh kroz godinu od 1.-12. mjeseca
kWh
39
Ukupna proizvedena energija iznosi 23.889 kWh/g. Ovaj broj je veći od
onoga u HOMER-u (20.657 kWh/g.), a to je moguće zbog nekoliko
čimbenika.
HOMER pretpostavlja da fotonaponski panel uvijek radi na svom
maksimumu, tj. da je efikasnost ćelija uvijek najviša moguća. U pretpostavku
za proračun utjecaja temperature HOMER uzima u obzir da efikasnost ćelija
ovisi linearno o temperaturi te za svaki vremenski korak računa temperaturu
ćelija. Ozračenost, temperatura okoline, temperatura panela te razni drugi
parametri u stvarnosti se mijenjaju u svakom trenutku dok HOMER radi samo
s unesenim podacima. HOMER svoju analizu temelji upravo na tih nekoliko
podataka te iz njih stvara godišnje, tj. satne vrijednosti koje se ne mogu
slagati s stvarnim stanjem. Također treba uzeti u obzir da HOMER radi
simulaciju rada postrojenja za cjelokupan pretpostavljeni period rada, tj. za
više godina, a kao što je već rečeno radi analizu nad ulaznim podacima za
samo jednu godinu.
Svaki od čimbenika koji utječu na rad elektrane može utjecati povoljno ili
nepovoljno na rad elektrane. U našem slučaju ti čimbenici su djelovali
povoljno na proizvodnju el.en. I u ovome slučaju moguće su manje pogreške
u računu.
40
Karakterističan dan u toplijem dijelu godine (prosječan dan u kolovozu):
Slika 49 – Prosječna proizvodnja energije u danu u toplijem dijelu godine
Slike 50, 51, 52 – Snaga i energija po fazama ljeti (6-20h)
05
101520
Energija u danu kroz periode od 1h
kWh
41
Karakterističan dan u hladnijem dijelu godine (prosječan dan u siječnju):
Slika 53 – Prosječna proizvodnja energije u danu u hladnijem dijelu godine
Slike 54, 55, 56 – Snaga i energija po fazama zimi (~ 7-16h)
0123456
8-9h 9-10h 10-11h 11-12h 12-13h 13-14h 14-15h 15-16h 16-17h
Energija u danu kroz periode od 1h
kWh
42
Zaključak
Projektiranjem sustava u programskom alatu za projektiranje mini hibridnih
obnovljivih sustava za proizvodnju električne energije, HOMER-u, dolazim do
zaključka da je, bez obzira na nemogućnost uzimanja u obzir brojnih
relevantnih faktora koji utječu na rad nekog sustava izloženog klimatskim i
vremenskim prilikama te mnogim drugim utjecajima, rezultat simulacije vjeran
stvarnim podacima. Da sam kojim slučajem unio vjerniji prikaz podataka za
lokaciju rezultati bi bili bolji. U svakom slučaju projektiranje sustava u
HOMER-u je veoma jednostavno i pruža nam dobar temelj za planiranje i
odabir optimalnog rješenja za izgradnju postrojenja sa željenim
karakteristikama.
Proračunata energija u HOMERU iznosi oko 86% proizvedene energije naše
elektrane, tj. u stvarnosti se proizvelo 3.232 kWh energije u godini dana više
nego što je to pokazala simulacija. Greška proračuna nije zanemariva, ali je u
prihvatljivim granicama s obzirom na broj unesenih podataka u program kao i
principe proračuna podataka u programu. U slučaju da je elektrana svoje
panele postavila pod optimalnim kutom, koji iznosi oko 330 za promatrano
područje prema PVGIS-u, procijenjena proizvodnja energije u godini dana u
HOMER-u bi iznosila 24.267 kWh. To bi značilo da se u stvarnosti (pod
stvarnim kutom panela od 700) proizvelo oko 2% manje energije nego što
prikazuje simulacija s panelima namještenim na optimalni kut. Možemo
nagađati dali bi stvarni podaci elektrane u slučaju panela pod optimalnim
kutom bili bolji, tj. dali bi se proizvelo više energije nego što nam prikazuje
simulacija no rezultati sugeriraju na to da bi to bilo točno.
Naša budućnost od nas zahtijeva da radimo na obnovljivim izvorima energije,
a upravo sunčeva je najčišća, najjednostavnija, najjeftinija te sigurno jedan
od najboljih putova razvoja obnovljivih izvora energije, a i činjenica je da na
Zemlju svaki dan pristiže količina sunčeve energije dovoljna da namiri sve
naše potrebe za električnom energijom.
43
Literatura:
1. Peter Lilienthal, Ted Ladd, Tom Lambert, Homer energy, HOMER,
https://www.homerenergy.com/download.html
2. Sunny portal, mjereni podaci o radu elektrane i klimatske
karakteristike promatranog područja (Varaždin),
http://www.sunnyportal.com/Templates/PublicPageOverview.aspx?pa
ge=0ffdc2db-e237-48ce-bbfc-f52a3df1f28d&plant=7d7a45c9-767f-
419e-84da-5d7f3a3de11d&splang=en-US
3. Solvis Varaždin, paneli i tvrtka, http://www.solvis.hr/pocetna.html
4. Wikipedija, fotonaponska energija,
http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija
5. Besplatna Energija - Obnovljivi izvori energije, 2010.,
http://besplatna-energija.com/solarni-fn-moduli/fotonaponska-
energija.html
6. Sonnengeld GmbH, podaci za pretvarač,
http://www.sonnengeld.de/48-1-SMA-SUNNY-MINI-CENTRAL-
6000TL7000TL8000TL.html
7. Slika pretvarača,
http://www.solarshop-europe.net/product_info.php?products_id=524
8. European commission, Joint Research Centre (JRC),
- interaktivne mape i animacije:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/imaps/index.htm
- zračenje i ozračenost :
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?en=&europe=h
ttp://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/pvreg.php
- procjena snage fotonaponskih panela na lokaciji:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/pvest.php?en=&europe=
9. HRVATSKA STRUČNA UDRUGA ZA SUNČEVU ENERGIJU
(HSUSE),
http://www.hsuse.hr/novosti/otvorena_tvornica_fotonaponskih_modula
_solvis_/default.aspx
44
10. Portal gradimo d.o.o, fotonapon, sunčeva energija,
http://www.gradimo.hr/Znacaj-rijeci-fotonapon/hr-HR/13186.aspx
11. Fakultet elektrotehnike i računarstva (FER), Stručni posjet studenata
FER-a tvornici FN panela SOLVIS i HE Dubrava, slike,
http://www.fer.hr/?@=1maaw
12. Instalomont, Termocentar d.o.o., poduzeće za termo-tehničke
instalacije, slike Solvis Varaždin,
http://www.instalomont-termocentar.hr/Reference_SOLVIS%20-
%20VARAzDIN_.html
45
Naslov završnog rada:
Usporedba procjene i stvarne proizvodnje električne energije
Sažetak
Potrebno je bilo implementirati stvarnu elektranu pod nazivom „SE Solvis
Varaždin“ u programskom alatu za simulaciju obnovljivih sustava HOMER-u
te odsimulirati njen rad. Rezultate simulacije (u našem slučaju snagu i
energiju) potrebno je usporediti s stvarnim mjerenim podacima koje smo
dobili u obliku excel file-ova koji sadrže mnogobrojna mjerenja u samoj
elektrani posebno za svaku fazu (3f). Sama usporedba je relativno
jednostavna i jasna jer dovoljno je vidjeti stvarne grafove i simulaciju u
HOMER-u, uvidjeti razlike te zaključiti zbog čega su one nastale, ako ih
uopće ima.
Prije samoga rada potrebno je bilo ukratko objasniti osnovne definicije, tj.
principe rada same elektrane. Dakle, od sunčeva zračenja, fotonaponskog
efekta, principa rada fotonaponskog panela te raznih mnogobrojnih utjecaja
na panele išli smo prema proizvodnji energije same elektrane.
Ključne riječi:
Sunčevo zračenje, fotonaponski efekt, fotonaponski paneli,HOMER.
46
Final work title:
Comparison of estimated and actual production of electricity
Summary
I needed to implement a real power plant under the name "SE Solvis
Varaždin" in a programming tool for simulation of renewable energy systems
named HOMER and simulate her work. Simulation results (in our case, the
power and energy) are then compared with actual measured data obtained in
the form of Excel files containing many of these measurements in the power
plant separately for each phase (3 phases). The mere comparison is
relatively simple and clear because it is enough to see the actual graphs and
simulation in HOMER, find the differences and conclude why they occurred, if
it were any.
Before any work it was necessary to briefly explain the basic definitions, ie,
principles of operation of the plant. So, from solar radiation, photovoltaic
effect, the principle of photovoltaic panels and a variety of many effects on
panels we went step by step to the energy production of the plant.
Keywords:
Solar radiation, photovoltaic effect, photovoltaic panels, HOMER.