ZMOGLJIVOST SONČNIH FOTONAPETOSTNIH ELEKTRARN SKOZI ŽIVLJENJSKI CIKELKIRN, BLAŽ (Avtor) Topič, Marko (Mentor) fotonapetostni modulfotonapetostni sistemmodel zmogljivostinadzor zmogljivostizanesljivost sistemaV doktorski disertaciji obravnavamo modele zmogljivosti fotonapetostnih modulov, pri čemer smo analizirali tudi merilno opremo vhodnih podatkov modelov zmogljivosti, vpliv obratovalne temperature na zmogljivost in staranje modulov ter možnost uporabe modelov zmogljivosti za nadzor delovanja in napovedovanje izplena električne energije fotonapetostnih sistemov. V prvem poglavju smo opisali področje fotovoltaike s poudarkom na modelih zmogljivosti fotonapetostnih modulov. Predstavili smo izzive in možnosti napredka na tem področju ter podali vsebino poglavij doktorske disertacije. Drugo poglavje je posvečeno karakterizaciji fotonapetostnih modulov. Poudarek je na karakterizaciji modulov na zunanjem preizkuševališču pri naravni sončni svetlobi po standardu IEC 60904-1. Na področju merjenja gostote moči sončnega sevanja smo izvedli trimesečno primerjavo različnih merilnikov sončnega sevanja in merilnih sončnih celic na zunanjem preizkuševališču, pri čemer smo za referenco uporabili najnatančnejši piranometer. Največji standardni odklon meritev smo zaznali pri sončni celici a-Si (5,7%), najmanjši pa pri merilni fotodiodi s kosinusnim korektorjem (3,5%). Testirali smo tudi merilno sončno celico c-Si z interno temperaturno korekcijo, ki je izkazala primerljive rezultate kot celica s korekcijo preko merjenja temperature. Na področju merjenja obratovalne temperature smo se posvetili različnim metodam temperaturne korekcije meritev največje moči modula. V raziskavo smo zajeli več metod, med drugim tudi metode po standardu IEC 60981. Natančnost metod smo preverili na podlagi meritev največje moči mc-Si modula na zunanjem preizkuševališču. Z uporabo meritev kratkostičnega toka referenčnega modula iste tehnologije kot vir podatkov o gostoti moči sončnega sevanja smo iz analize odstranili vpliv sprememb sončnega spektra. Vpliv vpadnega kota sončne svetlobe pa smo močno zmanjšali z uporabo meritev pri večjih gostotah moči sončnega sevanja, ko je sonce visoko na nebu. Najboljšo natančnost je dosegla 1. metoda po standardu IEC 60981, in sicer standardni odklon meritev največje moči 0,52%. Slabo so se odrezale metode korekcije z linearnimi temperaturnimi koeficienti, kjer je standardni odklon v primeru uporabe tovarniških podatkov dosegel tudi 1,46%. Standardni odklon se močno zmanjša ob uporabi izmerjene vrednosti temperaturnega koeficienta moči γ, in sicer na 0,56%. Na področju staranja modulov smo izvedli skoraj triletno dolgoročno merjenje treh mc-Si modulov na zunanjem preizkuševališču, ki so obratovali bodisi v režimu točke največje moči, kratkem stiku ali odprtih sponkah. Meritve različnih parametrov zmogljivosti enodiodnega modela smo filtrirali in jih normirali na gostoto moči sončnega sevanja 1000 W/m2 ter obratovalno temperaturo 25 °C in z linearno regresijo določili stopnjo staranja oz. degradacije. Degradacija največje moči modula, ki je obratoval v točki največje moči je bila 0,91% na leto, medtem ko je degradacija kratkostičnega toka dosegla 0,27%, napetosti odprtih sponk 0,39% in faktorja polnjenja 0,25% na leto. Degradacija modulov v kratkem stiku in odprtih sponkah je bila zaradi višje obratovalne temperature večja, pri čemer je zaradi pojava vročih točk najhitreje degradiral modul v kratkem stiku (1,75% na leto). S pomočjo razlike v degradaciji in obratovalni temperaturi modulov v režimu točke največje moči (0,91% na leto) in odprtih sponk (1,23% na leto) smo določili aktivacijsko energijo testiranih modulov, ki znaša 0,81 eV. Pozornost smo posvetili tudi napakam pri izračunu parametrov zmogljivosti na zunanjem preizkuševališču po standardu IEC 61724. Napake smo analizirali s pomočjo podatkov dolgoročnih meritev na različnih preizkuševališčih v različnih podnebnih okoljih, in sicer v puščavi Negev v Izraelu, na otoku Gran Canaria ter na gori Zugspitze v Nemčiji. Izvedli smo analizo vpliva vzorčevalne periode, pri čemer smo filtrirali podatke tako, da smo umetno podaljšali interval vzorčenja iz prvotnih dveh minut na poljubno dolžino do petih ur. Analiza je pokazala, da je za verodostojne rezultate priporočljiva uporaba vzorčevalne periode do 30 minut, saj je v tem primeru napaka pri izračunu parametrov zmogljivosti v enoletnem obdobju v primerjavi s periodo dveh minut le 0,3%. Ukvarjali smo se tudi z odstranjevanjem napačnih podatkov meritev, ki so posledica slabe sinhronizacije in drugih napak ali odpovedi na preizkuševališču. Napake in odpovedi smo filtrirali s pomočjo linearne regresije največje moči modula v odvisnosti od gostote moči sončnega sevanja. Podatke izven intervala zaupanja 3σ smo odstranili, pri čemer smo uporabili različno dolge periode meritev. Analiza je pokazala, da je pri uporabi linearne regresije najprimernejše filtriranje na enomesečnem nivoju ob uporabi temperaturne kompenzacije meritev največje moči. Na koncu smo naredili tudi analizo vpliva filtriranja podatkov (ali izpada meritev) na natančnost izračuna parametrov zmogljivosti. Iz dejanskih podatkov smo odstranili meritve različnih dolžin trajanja in ob različnih časih v različnih dneh in tako simulirali izpade meritev. Izkazalo se je, da je v primeru enega enournega izpada na dan napaka RMSE pri izračunu končnega donosa modula ob uporabi linearne interpolacije manjkajočih meritev manjša od 0,8%, medtem ko je napaka brez interpolacije 7,8%. Pri izračunu zmogljivostnega razmerja sta vrednosti napak 0,1% in 0,4%. V tretjem poglavju smo se osredotočili na modele zmogljivosti fotonapetostnih modulov. Natančnost obstoječih hevrističnih modelov smo izboljšali z razvojem modela DDPR (Diffuse-Direct Power Rating), ki ločeno obravnava difuzni in direktni del sončnega sevanja ter upošteva tudi dodatne izgube pri večjih vpadnih kotih sončne svetlobe. Model smo aplicirali na klasični mc-Si in tankoplastni CIGS modul, in sicer na podlagi meritev na zunanjem preizkuševališču v mesecu juniju 2014, s pomočjo katerih smo določili vse koeficiente modela. Model za tankoplastne module se v primerjavi z mc-Si moduli razlikuje v enačbi odvisnosti največje moči modula od difuznega dela sončne svetlobe, kjer zaradi nižje paralelne upornosti tankoplastnih modulov pride do manjših izkoristkov. Validacija modela DDPR za mc-Si modul je na letnem nivoju pokazala napako RMSE 3,6%, medtem ko sta bili napaki za primerjana dvosegmentni linearni model ter enosegmentni nelinearni model 4,5% in 4,7%. Novi model tako prinaša zmanjšanje napake za 0,9 odstotne točke. Za tankoplastni CIGS modul so bile vrednosti napak 3,9% za model DDPR, 4,7% za dvosegmentni linearni model in 4,8% za enosegmentni nelinearni model. Natančnost modela DDPR smo izboljšali z uvedbo spektralnega faktorja. S pomočjo spektroradiometra, ki je bil nameščen v ravnino modulov preizkuševališča, smo izmerili spektre difuznega in direktnega dela sončnega sevanja v različnih časih sončnega in oblačnega dne. Vpliv spektra na izkoristek silicijevih modulov smo določili s pomočjo merjenja spektralnega odziva referenčnega c-Si mini-modula. Spekter difuznega dela svetlobe ob jasnih dneh prinaša do 23,9% izgub v primerjavi z AM1.5 referenčnim spektrom, medtem ko so spektralne izgube v oblačnih dneh okrog 3,5%. Pri direktnem sončnem sevanju je stanje obratno, in sicer gre za spektralni dobitek, ki se je pri naših meritvah gibal od 0,83% za vrednost faktorja zračne mase 1,09 in do 10,3% pri faktorju zračne mase 5,0. Omenjene ugotovitve smo vgradili v model DDPR v obliki korekcije gostote moči difuznega in direktnega sončnega sevanja na podlagi deleža difuzne svetlobe ter vrednosti zračne mase. S pomočjo enomesečnih meritev mc-Si modula smo spektralno nadgrajeni model S-DDPR primerjali z osnovnim modelom DDPR in zaznali zmanjšanje napake RMSE na mesečnem nivoju z 2,7% na 2,3% v primeru upoštevanja vpliva spektra sončne svetlobe. Četrto poglavje je osredotočeno na praktično implementacijo modelov zmogljivosti na fotonapetostne sisteme oziroma sončne elektrarne. Delo smo začeli z razvojem senzorskega vmesnika LPVO, ki nam je omogočil priključitev dodatnega piranometra in merilne sončne celice c-Si na zapisovalnik podatkov elektrarne LPVO na strehi Fakultete za elektrotehniko. Merjenje vremenskih podatkov je namreč ključni pogoj za uspešno implementacijo modela zmogljivosti na fotonapetostni sistem. S pomočjo vremenskih podatkov in meritev električnih parametrov enosmernega dela elektrarne smo na elektrarno LPVO aplicirali različne modele zmogljivosti. Rezultati analize so pokazali, da največjo natančnost dosega enosegmentni nelinearni model z uporabo c-Si merilne sončne celice (RMSE na letnem nivoju 2,5%), medtem ko uporaba piranometra prinaša slabšo natančnost, in sicer 3,5% pri modelu DDPR in 4,3% pri enosegmentnem nelinearnem modelu. To je posledica ujemanja kotnega in spektralnega odziva senzorja c-Si ter modulov na elektrarni. Kljub manjši natančnosti modela DDPR pa ima le-ta še vedno prednost v primeru simulacije zmogljivosti elektrarne na podlagi vremenskih podatkov iz različnih podatkovnih baz, kjer so podani tako difuzni kot direktni del sončnega sevanja ter položaj sonca. V skladu s tem smo z uporabo modela DDPR in vremenskih podatkov izvedli simulacije zmogljivosti elektrarne LPVO pri različnih orientacijah za območje Ljubljane. Rezultati kažejo, da je temperaturno kompenzirano zmogljivostno razmerje največje pri orientaciji proti jugu z naklonom 30° (0,918), medtem ko je pri orientaciji proti jugu z vertikalno postavitvijo najmanjše (0,904), kar se ujema z večjim deležem sončnega sevanja ob večjih vpadnih kotih. V četrtem poglavju smo obravnavali tudi uporabo modela zmogljivosti za nadzor delovanja sončnih elektrarn, kjer je najboljše rezultate dosegel enosegmentni nelinearni model zmogljivosti ob uporabi merilne sončne celice c-Si. V sklopu raziskave smo razvili programsko opremo, kjer se izmerjena moč elektrarne stalno preverja z izračunano vrednostjo in v primeru dveh zaporednih večjih odstopanj preko elektronskega sporočila opozori operaterja na napako. Koeficienti modela zmogljivosti modula se zaradi staranja in sezonskih razlik v zmogljivosti stalno posodabljajo vsakih štirinajst dni. S pomočjo analize spreminjanja koeficientov modela lahko hitro zaznamo pričakovano staranje ali nepričakovane spremembe, vključno z odpovedjo elektrarne. Analiza za primer sončne elektrarne LPVO je pokazala 3,0% izgube letnega izplena zaradi snega ter 0,7% izgube v poletnem času predvsem zaradi krajših izpadov ter tudi manjšega izkoristka ob večjih vpadnih kotih direktnega sončnega sevanja v popoldanskih urah (elektrarna je orientirana za 25° proti vzhodu, kar pomeni, da v poletnem času sonce »zaide« za module).20162017-10-11 10:03:49Doktorsko delo/naloga96695sl