Prognozowanie produkcji energii w domowej mikroelektrowni słonecznej
Rys. 2. Sposób wyznaczania kąta pochylenia odbiornika do podłoża
Fot. G. Mazurek
Nowa ustawa o odnawialnych źródłach energii (OZE), przyjęta przez Radę Ministrów w kwietniu 2014 r. [7], promuje prosumenckie wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych (prosument to jednocześnie producent i konsument). Otwiera to możliwość wytwarzania energii, w pierwszej kolejności na własne potrzeby, w małych przydomowych elektrowniach OZE. Dla użytkowania tzw. mikroinstalacji (tj. instalacji OZE o łącznej mocy zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 40 kW) nie trzeba będzie mieć koncesji ani prowadzić działalności gospodarczej, zaś nadwyżki energii mogą być odsprzedane zakładowi energetycznemu [7]. Lokalizacja mikroelektrowni blisko odbiorcy pozwala uniknąć strat związanych z dystrybucją energii oraz obniża koszty utrzymania gospodarstwa domowego.
Zobacz także
VOLT Polska Sp. z o.o. Inteligentna instalacja – fundament nowoczesnego prosumenta
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak...
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak skutecznie zniwelować te ograniczenia, zapewniając użytkownikowi realną kontrolę nad zużyciem energii, większą niezależność od rynku energii oraz ciągłość zasilania, nawet w sytuacjach awaryjnych.
VOLT Polska Sp. z o.o. Mądry prosument z inteligentną instalacją
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się...
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się cen energii elektrycznej oraz samowystarczalność energetyczną i spełnienie celów środowiskowych (np. zmniejszenie emisji CO2) czy ciągłość dostaw energii – jest jednak możliwe!
Weidmüller Rozwiązania fotowoltaiczne Weidmüller: najwyższa jakość i bezpieczeństwo
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
StreszczenieW artykule opisano prosty sposób oszacowania ilości energii wyprodukowanej w krzemowych modułach PV w ciągu dnia, miesiąca lub roku na podstawie ogólnodostępnych źródeł. Krótko przedstawiono wybrane internetowe bazy danych nasłonecznienia dla lokalizacji w Europie. Prognozowane wartości, pobrane z pięciu baz danych, porównano z wynikami pomiarów przeprowadzonych w eksperymentalnej mikroinstalacji PV. Wyniki porównania wykazały skuteczność opisanej metody, szczególnie dla prognoz rocznej produkcji energii.AbstractForecasting of energy yield in a household solar micro power stationIn this paper, a simple method of PV module energy yield estimation has been described. This method is based on open-access sources and can provide forecasts in a scale of a day, month, or year. A few selected internet solar databases for European locations have been briefly presented. Estimated insolation values obtained from five solar databases have been compared with results of ground measurements from a small experimental PV system. Comparison results show the efficiency of described method, especially in case of annual energy production forecasts. |
Jednym z najpopularniejszych źródeł energii odnawialnej są systemy fotowoltaiczne (elektrownie słoneczne). Jak pokazano na łamach „elektro.info”, mogą one zostać z powodzeniem wykorzystane do zasilania urządzeń elektrycznych w gospodarstwie domowym [4], do zasilania instalacji autonomicznych [8] lub nawet jako elementy domowego systemu zasilania gwarantowanego [1]. Mikroelektrownie fotowoltaiczne (PV), w porównaniu z innymi źródłami „czystej” energii, wyróżniają się prostą konstrukcją mechaniczną (szczególnie w przypadku stałego kąta pochylenia odbiorników, przy braku elementów ruchomych), minimalnym zakresem prac konserwacyjnych oraz niskimi kosztami eksploatacji. Niezbędnym etapem projektowania każdego systemu PV jest oszacowanie jego zdolności produkcyjnych – determinują one opłacalność całego przedsięwzięcia. W przypadku instalacji wykorzystujących promieniowanie słoneczne, ilość produkowanej energii zależy od wielu czynników, m.in. od strefy klimatycznej i szerokości geograficznej miejsca instalacji, aktualnych warunków pogodowych, orientacji i kąta pochylenia odbiorników. Przy projektowaniu i analizowaniu systemów PV z pomocą przychodzi specjalistyczne (często komercyjne) oprogramowanie. W artykule przedstawiono przykład zastosowania kilku powszechnie dostępnych, bezpłatnych narzędzi internetowych do prognozowania ilości energii produkowanej w mikroinstalacji PV.
Wpływ nasłonecznienia na produkcję energii
Chwilowa moc P wytwarzana przez moduł PV w warunkach dopasowania energetycznego (MPP) [2] jest w przybliżeniu proporcjonalna do całkowitego natężenia promieniowania słonecznego E padającego na jego płaszczyznę, wyrażonego w [W/m2]:
Wzór 1
gdzie:
Pmax – maksymalna (katalogowa) moc modułu PV w [W] lub [Wp], osiągana przy nominalnej wartości natężenia promieniowania E0 = 1000 W/m2.
Wzór ten można zastosować w sytuacji, kiedy sprawność ogniw PV pozostaje niemal stała w funkcji natężenia promieniowania (dla ogniw z krzemu krystalicznego: dla E > 200 W/m2 [2]). Drugim istotnym czynnikiem wpływającym na produkcję energii jest temperatura pracy modułu. Moc znamionowa Pmax określana jest w standardowej temperaturze T0 = 25°C i w przypadku ogniw wykonanych z krzemu krystalicznego spada o 0,35...0,45% na każdy 1°C przyrostu temperatury [2, 3].
Sumując energię promieniowania padającą na płaszczyznę modułów PV w ustalonym okresie (godziny, dnia, miesiąca, roku) uzyskuje się sumę nasłonecznienia całkowitego H wyrażoną w [Wh/m2]. Na podstawie tej wartości można prognozować ilość energii wytworzonej w rozpatrywanym okresie w modułach PV o łącznej mocy Pmax:
Wzór 2
Ilość energii uzyskanej na wyjściu całego systemu PV będzie w rzeczywistości nieznacznie mniejsza ze względu na straty wprowadzane przez pozostałe jego elementy (np. falownik, przewody, itp.)
Wartości nasłonecznienia zmieniają się w ciągu roku w Polsce w bardzo szerokim zakresie (patrz rys. 1.). W związku z tym około 80% całkowitej energii pochodzącej z systemu PV produkowane jest w miesiącach wiosennych i letnich – od początku kwietnia do końca września [4]. Nasłonecznienie jest zależne od kąta padania promieni słonecznych na płaszczyznę modułów PV. W związku z pozornym ruchem Słońca po nieboskłonie należałoby stale dostosowywać orientację modułów tak, aby utrzymać optymalny kąt padania i największą wartość nasłonecznienia. Prowadzi to do instalacji układu śledzącego Słońce (tzw. trackera). W polskich warunkach klimatycznych rozwiązanie takie nie sprawdza się pod względem ekonomicznym, gdyż koszty zakupu, instalacji i konserwacji systemu nadążnego przewyższają oferowany zysk energetyczny, który wynosi około 30% [4]. W praktyce najczęściej stosuje się zatem konstrukcje o stałej orientacji modułów PV (skierowanych na południe) i o stałym kącie pochylenia b, jak pokazano na rysunku 2.
Optymalny (ze względu na ilość rocznie produkowanej energii) dla Polski kąt b pochylenia odbiornika zorientowanego na południe wynosi 30...45° [2, 9]. W przypadku systemów autonomicznych, od których wymagana jest całoroczna funkcjonalność, stosowane powinny być większe kąty pochylenia, tak aby zwiększyć nasłonecznienie w miesiącach zimowych. Niekiedy kąt pochylenia modułów może być także zdeterminowany przez architekturę miejsca instalacji, w sytuacji, gdy wykonanie bardziej złożonej konstrukcji nośnej jest ekonomicznie nieopłacalne lub z innych powodów – niemożliwe.
Ogólnodostępne bazy danych nasłonecznienia
Oszacowanie nasłonecznienia w miejscu instalacji jest kluczem do prognozowania ilości energii wytwarzanej w konkretnym systemie zasilanym energią słoneczną, w tym również w przydomowej mikroelektrowni fotowoltaicznej. Wyniki takiego oszacowania mają decydujący wpływ na dobór elementów systemu (np. moc zainstalowanych modułów PV, pojemność akumulatora), a także stopień niezawodności w przypadku instalacji autonomicznych, dla których energia słoneczna jest jedynym źródłem zasilania [6, 8]. Obecnie wykonywanie takich prognoz stało się znacznie łatwiejsze dzięki powszechnej dostępności internetowych baz danych nasłonecznienia. Powstały one w efekcie licznych projektów badawczych realizowanych w skali międzynarodowej przez poszczególne kraje albo przez instytucje naukowe lub firmy komercyjne.
Do celów niniejszej pracy wybrano pięć baz danych z otwartym dostępem, udostępniających przez Internet wartości nasłonecznienia całkowitego dla płaszczyzny pochylonej, a więc najbardziej typowego przypadku instalacji modułów PV. Parametry tych źródeł zestawiono w tabeli 1.
Baza danych PVGIS-CMSAF jest jednym z najnowszych narzędzi, udostępniającym dane dla Europy, Afryki oraz części Azji. Oferuje ona estymaty nasłonecznienia bazujące na danych pochodzących z obrazów z satelitów Meteosat z okresu 18 lat, przy czym jej zawartość jest nadal aktualizowana. Poprzednia wersja tej bazy (PVGIS-3 lub Classic PVGIS) wykorzystuje starsze wyniki pomiarów, zbierane w okresie 10 lat z naziemnych stacji meteorologicznych. Obie wersje bazy PVGIS dostępne są przez Internet przez wygodny interfejs użytkownika, który umożliwia również analizowanie najczęściej spotykanych rodzajów instalacji PV: dołączanych do sieci energetycznej (ang. grid-connected) oraz autonomicznych (ang. stand-alone). Wśród parametrów analizowanej instalacji można określić m.in. orientację i kąt pochylenia modułów PV albo wybrać opcję systemu nadążnego, śledzącego Słońce w jednej lub dwóch płaszczyznach. Lokalizację miejsca instalacji można wskazać na mapie, wprowadzić jako współrzędne geograficzne lub po prostu podać nazwę miejscowości.
Baza danych Satel-Light powstała jako rezultat projektu badawczego zrealizowanego przy wsparciu Komisji Europejskiej. Wykorzystuje ona obrazy z satelitów Meteosat i pokrywa 5 lat obserwacji wykonywanych w 30-minutowych odstępach. Z bazy tej można pobrać szczegółowe informacje na temat nasłonecznienia dla licznych lokalizacji w Europie.
W Stanach Zjednoczonych w ramach badań rządowych opracowano bazę danych NASA-SSE, wykorzystującą wyniki pomiarów dostarczone przez 25 lat zarówno przez obserwacje satelitarne, jak i pomiary naziemne. Jest to baza danych o zasięgu globalnym, przy czym wyniki z pomiarów naziemnych dostępne są tylko dla wybranych lokalizacji.
W ramach komercyjnego serwisu SoDa dostępna jest m.in. baza danych Helioclim-3, generująca na żądanie bardzo szczegółowe dane nasłonecznienia dla wskazanej lokalizacji. Możliwe jest uzyskanie serii wartości nasłonecznienia całkowitego (oraz poszczególnych składowych promieniowania) w bardzo krótkich odstępach czasu (1 dzień lub nawet 1 godzina). Dane z dwóch pierwszych lat obserwacji (2004–2005) dostępne są nieodpłatnie; dane z późniejszych okresów są udostępniane na zasadzie komercyjnej.
Naziemne pomiary nasłonecznienia
Dokładne pomiary nasłonecznienia wykonywane są w naziemnych stacjach aktynometrycznych z wykorzystaniem tzw. pyranometrów lub ogniw referencyjnych. Zastosowanie tak dokładnych urządzeń pomiarowych w przydomowej mikroelektrowni PV z przyczyn ekonomicznych nie jest uzasadnione. Dlatego też w ramach niniejszej pracy do pomiarów zastosowano typowy i łatwo dostępny moduł PV (Celline CL005-12P) wykonany na bazie krzemu polikrystalicznego [2], którego parametry zebrano w tabeli 2.
Mikroinstalacja PV będąca przedmiotem badań [5] zlokalizowana jest w Starachowicach (51°03’ N, 21°04’ E) na dachu 2-piętrowego budynku mieszkalnego. Powierzchnia modułu jest skierowana na południe i pochylona pod kątem równym szerokości geograficznej miejsca instalacji (b = 51°) w celu zwiększenia ilości energii produkowanej w miesiącach jesiennych i zimowych. W otoczeniu miejsca instalacji nie ma przeszkód mogących zacieniać ogniwa słoneczne. W ramach badań wykonano nieprzerwaną serię rejestracji ilości energii wytwarzanej przez moduł PV w warunkach dopsasowania energetycznego (MPP) [6] w odstępach 5-minutowych, w okresie ponad dwóch lat (1.04.2012-31.12.2014). Dla każdego dnia obserwacji sumowano ilość uzyskanej energii Wd [Wh] i na tej podstawie, po unormowaniu względem mocy modułu PV, estymowano dzienne sumy całkowitego nasłonecznienia Hd na powierzchnię pochyloną:
Wzór 3
Uzyskane efektywne wartości nasłonecznienia uwzględniają wszystkie czynniki wpływające na wytwarzanie energii w module PV (np. temperaturę, zapylenie, chwilowe pokrycie śniegiem w czasie zimy, reflektancję powierzchni otoczenia). Dane te mogą w łatwy sposób posłużyć do prognozowania ilości energii wytwarzanej w instalacji PV wykorzystującej taką samą technologię, orientację i kąt pochylenia modułów o innej mocy. Przykładowo, ilość energii wytwarzanej w ciągu dnia w identycznych warunkach w module PV o mocy Pmod [Wp] (określonej dla standardowej intensywności promieniowania E0 = 1 kW/m2) można oszacować jako:
Wzór 4
W przypadku konkretnej instalacji w obliczeniach należy również uwzględnić straty wnoszone przez dalsze elementy systemu PV (np. falownik, przewody i ewentualnie akumulatory z kontrolerem ładowania).
Porównanie zmierzonych i prognozowanych wartości nasłonecznienia
Sumy dzienne nasłonecznienia wyznaczone z wykorzystaniem eksperymentalnej instalacji PV zostały wykorzystane do obliczenia sum miesięcznych oraz rocznych. Sumy miesięczne uśredniono za wszystkie dostępne lata z wynikami pomiarów (2012, 2013, 2014), przy czym od kwietnia do grudnia dostępne były rejestracje z trzech lat, a dla pozostałych miesięcy – z dwóch lat. Na tej podstawie wyznaczono dalej średnie dzienne nasłonecznienie dla poszczególnych miesięcy w roku. Uzyskane w ten sposób wyniki przedstawiono na rysunku 3. niebieską linią ciągłą w porównaniu z wartościami prognozowanymi z pięciu internetowych baz danych nasłonecznienia.
Wyniki eksperymentalne pokrywają się z prognozami w dość dobrym stopniu dla miesięcy od marca do czerwca i od sierpnia do października. W lipcu przez kolejne trzy lata rejestrowano wartości nasłonecznienia przekraczające wartości prognozowane. Procentowe różnice pomiędzy wartościami prognozowanymi a zmierzonymi zestawiono w tabeli 3. W ostatnim wierszu tabeli przedstawiono sumaryczną liczbę dni, z których dostępne były rejestracje dla każdego miesiąca.
Najmniejsze odchyłki pomiędzy prognozami a wartościami zmierzonymi zaobserwowano w maju, czerwcu i sierpniu, a największe – w styczniu. W tym miesiącu każda prognoza zawyżona jest o ponad 100%. Na tak duże różnice składa się wiele czynników, w tym: chwilowe pokrycie śniegiem i zablokowanie dostępu promieni słonecznych podczas niektórych zimowych dni, spadek sprawności ogniw PV przy bardzo małych intensywnościach promieniowania (poniżej 200 W/m2 [2]), a także małe wartości sumy nasłonecznienia podczas najkrótszych dni w roku i związana z tym numeryczna wrażliwość na błędy pomiaru i estymacji.
Po przemnożeniu średniego dziennego nasłonecznienia, wyznaczonego oddzielnie dla każdego miesiąca, przez liczbę dni w miesiącu i zsumowaniu wyników uzyskiwana jest średnia roczna suma nasłonecznienia Hy. Wartość ta (po przeliczeniu na kWh/m2) pozwala w łatwy sposób oszacować ilość energii wytwarzanej w ciągu roku w module PV o mocy Pmod [Wp] (określonej przy E0 = 1 kW/m2) wykonanym na bazie krzemu polikrystalicznego i zainstalowanym w identycznych warunkach:
Wzór 5
przy czym w analizie całego systemu PV należy uwzględnić również sprawność jego dalszych elementów (tzn. układów przetwarzania, magazynowania i dystrybucji energii). W tabeli 4. porównano roczną sumę nasłonecznienia dla powierzchni pochylonej pod kątem 51° wyznaczoną z pomiarów naziemnych z prognozami pobranymi z pięciu internetowych baz danych.
W przypadku rocznej sumy nasłonecznienia błędy pomiarów powstałe w poszczególnych miesiącach częściowo się redukują i w rezultacie wszystkie wartości prognozowane w skali roku zgadzają się z wartością zmierzoną w eksperymentalnym systemie z odchyłką rzędu 5%.
Wnioski
Wyniki przeprowadzonych badań wykazały, że z wykorzystaniem powszechnie dostępnych źródeł internetowych (w postaci baz danych: PVGIS, Satel-Light, NASA-SSE, Helioclim-3) można skutecznie prognozować ilość energii wytwarzanej przez moduły PV zbudowane na bazie krzemu krystalicznego, zainstalowane w przydomowych mikroelektrowniach. Prognozy uzyskane dla miesięcy wiosennych i letnich (tj. od marca do sierpnia) w większości przypadków nie odstają więcej niż o 10% od wartości zmierzonych. Największe różnice (ponad 119...193%) zaobserwowano w styczniu. Ma to szczególne znaczenie w przypadku dobierania elementów autonomicznego systemu PV, gdyż wymaga znacznego zwiększenia mocy zainstalowanych modułów PV i pojemności akumulatora ze względu na najmniej nasłoneczniony miesiąc. W przeciwnym przypadku rozważany system przestanie pracować w styczniu.
Prognozowanie w opisany sposób ilości energii wytwarzanej w modułach PV w skali roku może być wykonane z lepszą dokładnością (rzędu 5%), niż w przypadku prognoz miesięcznych. Taka dokładność pozwala już przeprowadzić wstępną analizę opłacalności produkcji energii w przydomowej mikroelektrowni PV zainstalowanej w wybranym miejscu w Polsce.
Literatura
- J. Biskupski, System zasilania gwarantowanego dla budynku mieszkalnego z zastosowaniem PV i MTW, „elektro.info” 6/2012.
- G. Jastrzębska, Ogniwa słoneczne. Budowa, technologia i zastosowanie, WKiŁ, 2013.
- E. Klugmann-Radziemska, Fotowoltaika w teorii i praktyce, BTC, 2010.
- M. Mazur, J. Partyka, Zastosowanie energii słonecznej do zasilania urządzeń elektrycznych w typowym gospodarstwie domowym, „elektro.info” 5/2012.
- G. Mazurek, Statistical Analysis of Photovoltaic Power Generation in Poland, Proc. of Signal Processing Symposium (SPS), Serock, 2013.
- G. Mazurek, Performance study of solar power source for wireless systems, International Journal of Electronics and Telecommunications, 59(3), pp. 271–276, 2013.
- Ministerstwo Gospodarki, Ustawa o OZE przyjęta przez Radę Ministrów, http://www.mg.gov.pl/node/20480, 2014-04-08
- Z. Porada, Autonomiczne systemy fotowoltaiczne w warunkach Krakowa i okolic, „elektro.info” 3/2010.
- M. Suri, T. A. Huld, E. D. Dunlop, H. A. Ossenbrink, Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries, Solar Energy, 81, pp. 1295–1305, 2007.
