Odolnost fotovoltaického solárního systému proti zatížení větrem

Úvod

Před dvěma lety jsme na stránkách časopisu "Energie kolem nás" popisovali unikátní a patentovanou konstrukci automatického pohyblivého stojanu fotovoltaických (PV) panelů [1], který sleduje pohyb po obloze a natáčí panely stále kolmo ke směru záření. Zmínili jsme zde i životnostní zkoušky prováděné v naší laboratoři a zkoušky odolnosti proti zatížení větrem prováděné v aerodynamickém tunelu ve Výzkumném a zkušebním ústavu leteckém v Praze-Letňanech. Od té doby jsme konstruovali řadu solárních (PV) systémů s použitím uvedeného pohyblivého stojanu a výsledky jsme pravidelně publikovali v tomto časopisu i v jiném odborném tisku (např. [2,3]).

I na Technické fakultě ČZU v Praze jsme již testovali různé solární PV systémy. V roce 2006-2007 to byl systém s nominálním výkonem P_max = 500 Wp na obr. 1. Ve dnech 18. - 19. ledna 2007 byl náš systém podroben neplánované ale úspěšné zkoušce odolnosti proti zatížení větrem, když se přes Prahu přehnala vichřice síly orkánu.

Popis solárního fotovoltaického systému

Začátkem roku 2006 jsme na Technické fakultě ČZU v Praze konstruovali a instalovali solární PV systém, který zahrnoval pět PV panelů na bázi monokrystalického křemíku, z nichž čtyři byly umístěny na automatickém pohyblivém stojanu typu TRAXLE^TM [1,3], který natáčí panely neustále kolmo ke směru dopadajícího slunečního záření. Dva PV panely byly standardní konstrukce čínské výroby s nominálním výkonem P_max = 110 Wp a dva PV panely byly oboustranné konstrukce ruské výroby s nominálním výkonem P_max = 100 Wp. Jeden PV panel čínské výroby s nominálním výkonem P_max = 110 Wp byl umístěn na pevný stojan jako srovnávací. Pro připojení systému k síti jsme použili měniče OK4E-100 (NKF-Electronics), které měnily stejnosměrný elektrický proud z PV panelů na střídavý a datový výstup na počítač umožňoval měření okamžitého výkonu i množství vyrobené energie v místních podmínkách Prahy 6 - Suchdola.

Obr. 1

Obr. 2

Uchycení horního konce pohyblivého stojanu je vidět na obr. 2, k připevnění ke stěně sloužily plastové hmoždinky. Uchycení dolního konce je vidět na obr. 3, dolní konec byl pouze položen na zemi a proti pohybu byl zajištěn ocelovými lanky napnutými do tvaru V. Detail napnutí lanka je vidět na obr. 4, napínací háky byly rovněž uchyceny ke stěně pomocí plastových hmoždinek.

Výsledky testování množství vyrobené energie

Na obr. 5 je závislost okamžitého výkonu na čase pro zmíněné dva stejné PV panely standardní konstrukce (pevný a pohyblivý) během vybraných dní roku 2006. Pro zajímavost je vynesena tato závislost i pro oboustranný panel, ale jeho nominální výkon byl menší, jak je výše uvedeno. Potvrdilo se předpokládané navýšení množství vyrobené energie během slunečních dní přes 30% v případě pohyblivého PV panelu. Takové navýšení jsme naměřili již dříve na jiných systémech [3]. Množství vyrobené energie odpovídá ploše pod grafem, neboť je dáno integrálem , kde P je okamžitý výkon a t je čas. Prudký pokles výkonu večer je způsoben stěnou budovy. Na křivkách odpovídajících oboustrannému panelu bývá v ranních hodinách vidět pík odpovídající dopadu záření na zadní stranu PV panelu před jeho reorientací k východu. Ráno totiž bývá PV systém otočen k západu, kde ukončil činnost večer předchozího dne a teprve energie ranního slunečního záření ho otočí k východu [1,3].

Neplánovaná zkouška odolnosti proti zatížení větrem

Ve zmíněných dnech 18. - 19. ledna 2007 vichřice překračovala rychlost větru 100 km.h^-1 ve směru JZ odpoledne 18. ledna, v noci a dopoledne 19. ledna. Maximální síly dosáhla vichřice večer 18. ledna ve 20:20 hod., kdy rychlost větru byla 162 km.h^-1 ve směru 230° (JZ). Údaje byly převzaty z meteorologické stanice Praha-Karlov.

Zařízení montovaná ve venkovních prostorech, musí vyhovovat bezpečnosti i co se týče odolnosti proti větru. Mezinárodní norma ČSN P ENV 1991-2-4 "Zásady navrhování a zatížení konstrukcí, část 2-4 Zatížení konstrukcí větrem" se zabývá odolností konstrukcí proti působení větru. Na teritoriu celé Evropy se i v nejhorších podmínkách počítá s běžným větrem v přízemní vrstvě do rychlosti v = 160 km.h^-1. Náš automatický stojan je proti působení větru chráněn samosvorným převodem s maximálním kroutícím momentem M = 500 N.m a jeho konstrukce je dimenzována tak, aby s rezervou odolala silám větru o rychlosti do v = 160 km.h^-1.

Obr. 3

Obr. 4

Podle práce [4] pro sílu, kterou působí vítr o rychlosti v při hustotě vzduchu na rovinnou obdélníkovou plochu S orientovanou kolmo ke směru proudění, platí . Zde c_x je součinitel odporu vzduchu, který pro rovinnou obdélníkovou plochu S orientovanou kolmo ke směru proudění o srovnatelných délkách stran obdélníka má hodnotu 1,18. Obr. 1 byl pořízen během vichřice, orientace systému je zde vidět a směr větru byl v tomto pohledu zleva doprava. Plocha panelů byla orientována téměř kolmo ke směru větru. Výpočet ukazuje, že síly působící na systém byly při maximální síle vichřice až 5450 N ve směru kolmém k pohyblivé ose. Během vichřice nebyl poškozen ani mechanizmus se samosvorným převodem uvnitř rotační osy ani uchycení celého systému.

Obr. 5

Závěr

Na Technické fakultě ČZU v Praze byl zkonstruován a testován solární PV systém s automatickým pohyblivým stojanem unikátní konstrukce typu TRAXLE^TM. Systém s pohyblivým stojanem vykazoval v průběhu roku 2006 přírůstky množství vyrobené energie přes 30% v porovnání se systémem s pevným stojanem. Výsledky našich experimentů velmi dobře souhlasí s teoretickými výpočty [3]. Přírůstky množství vyrobené energie snižují cenu této energie.

Konstrukce našeho PV systému vyhověla i z hlediska zatížení větrem. Během vichřice síly orkánu 18.-19. ledna 2007 nedošlo k žádnému poškození.

Více informací a obrázků našich zařízení je možno najít například na internetové adrese http://www.solar-trackers.com.

Práce probíhá v rámci výzkumného záměru MSM 6046070905.

Literatura:

[1] V. Poulek, M. Libra, Moderní solární fotovoltaický systém se zvýšenou účinností, Energie kolem nás, 3, 2, (2005), str.36-41, ISSN 1214-5998
[2] Poulek, V., Libra, M., Koncentrátory záření pro vyšší efektivitu solárních fotovoltaických systémů, Energie kolem nás, 4, 3, (2006), str.31-35, ISSN 1214-5998
[3] M. Libra, V. Poulek, Solární energie, fotovoltaika - perspektivní trend současnosti i blízké budoucnosti, kniha-monografie, vydala Česká zemědělská univerzita v Praze, (2006)
[4] F. M. White, Fluid Mechanics, Mc. Graw-Hill, inc., (1994)

doc. Ing. Martin Libra, CSc., Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta, Kamýcká 129, 165 21 Praha 6, tel. 224383284, e-mail: libra@tf.czu.cz
Ing. Vladislav Poulek, CSc., Poulek Solar, s.r.o., Velvarská 9, 160 00 Praha 6, tel. 603342719, e-mail: info@solar-trackers.com