Studie: rok provozu unikátní fotovoltaické elektrárny v Austrálii
Koncem roku 2014 dokončila společnost Photon Energy v Austrálii unikátní fotovoltaickou elektrárnu se záložním bateriovým systémem. Systém o výkonu 39 kWp a kapacitě 215 kWh totiž nenapájí budovu ani nedodává elektřinu do sítě, ale je zdrojem energie pro rozhlasový vysílač. První rok provozu ukazuje velmi vysokou efektivitu a potvrzuje, že fotovoltaická energie je vysoce spolehlivá a je ideálním zdrojem i pro náročné spotřebitele.
V listopadu 2014 dokončila mezinárodní společnost s českými kořeny Photon Energy výstavbu hybridní fotovoltaické elektrárny s bateriovým záložním systémem nedaleko australského městečka Muswellbrook, asi tři hodiny autem od Sydney. Jedná se o pilotní projekt a zároveň studii pro využití obnovitelných zdrojů v odlehlých regionech.
Projekt se uskutečnil ve spolupráci s německou státní agenturou pro energetiku (DENA) a globální telekomunikační společností BAI Group. BAI je zároveň zákazníkem a odběratelem energie. Telekomunikační společnost vlastní a provozuje v Austrálii infrastrukturu pro telekomunikační a mediální sítě, tedy například rozhlasové a televizní vysílače či repeatery. Vzhledem k tomu, že se vysílač v Muswellbrooku o výkonu 5 kW a dosahem 700 kilometrů používá nejen pro vysílání rádia, ale i nouzových informací v případě přírodních katastrof (jako jsou v Austrálii běžné požáry), bylo pro BAI naprosto nezbytné, aby vysílač byl provozuschopný 24 hodin denně, 365 dnů v roce. Pro dodavatele elektrárny to tedy znamenalo, že systém musí garantovat dodávku elektřiny nepřetržitě.
Skutečnost, že se jedná o pilotní projekt, vedla společnost BAI k otestování řešení nejdříve na rozhlasovém vysílači, který je připojen k distribuční síti. Původní záměr byl vyzkoušet provoz „na ostro“ na jednom z mnoha vysílačů bez připojení (tzv. off-grid). BAI se však nakonec rozhodl pro vysílač v Muswellbrooku, i vzhledem ke vzdálenosti k centrále v Sydney.
V rámci propagace projektu byl zřízen speciální web na adrese www.solaroffgrid.info, kde lze v přímém přenosu sledovat aktuální výrobu elektrárny. (Poznámka: vzhledem k časovému posunu 10–12 h je třeba při prohlížení webu z České republiky brát na vědomí, že zrovna může být noc).
Projekt tedy není pouze studií ekonomické návratnosti vlastní výroby energie, ale také spolehlivosti obnovitelných zdrojů. Systém má čtyři hlavní komponenty:
- Fotovoltaická elektrárna (39 kWp)
- Fotovoltaické panely: 156× Q-Cells 255Wp poly-Si
- Fotovoltaické nabíječe: 13× MorningStar TriStar TS-MPPT-60
- Bateriový kontejner (216 kWh / C10)
- Baterie: 72× BAE 10 PVV1500, 1500 Ah, 2 V
- Střídače: 3× SMA Sunny Island 6.0H
- Back-up zdroje (veřejná síť, diesel generátor)
- Systém řízení a monitoringu elektrárny
Výběr technologie, resp. určitých výrobců byl v tomto případě do značné míry ovlivněn podmínkami grantu z Německé agentury DENA. Při výběru centrálních komponent, tedy panelů, střídačů a baterií, bylo nutné integrovat německou technologii.
Elektrárnu navrhl, projektoval a na výstavbu dohlížel český inženýr Zbyněk Vala.
Technologie – panely
Foto: Photon Energy
Photon Energy vybrala pro projekt PV panely Q Cells Q.PRO-G3 255 Wp, které jsou díky speciální „All Weather Technology“ obzvlášť výkonné při nižší ozářenosti a odolné vůči teplotním výkyvům. Při výrobě jsou tyto panely podle informací výrobce Q Cells vystaveny speciálnímu procesu „Sol-Gel roller coating“, který zvyšuje jejich odolnost proti korozi a snižuje odraz světla o 50 procent. Vzhledem k nutnosti maximalizovat výrobu v zimních měsících jsou tyto vlastnosti velikou výhodou.
Jelikož systém nedodává energii do sítě, bylo nutné instalovat panely ve vyšším úhlu než obvykle, aby se maximalizovala výroba energie v zimě. Na rozdíl od letních měsíců, kdy je dostatek sluneční ozářenosti, je totiž v zimě nutné využít potenciál panelů na maximum. Při výrobě fotovoltaické elektřiny pro prodej do sítě na základě výkupního tarifu jsou elektrárny běžně navržené na maximální celkovou roční produkci, což v praxi znamená tak, aby produkovaly maximálně v měsících s nejvyšší ozářeností. U PVPS pro vlastní spotřebu se zálohováním energie je naopak nutné maximalizovat výrobu v měsících, kdy je nejméně světla.
Vzhledem k tomu, že slunce je v létě na obloze výš než v zimě, je nutné dbát na to, aby úhel dopadu světla na panely byl ve všech ročních obdobích podobný. Následující grafy ukazují, jak světlo dopadá na panely v Muswellbrooku, které jsou instalované pod úhlem 40°, přičemž je uvedena i pozice slunce (elevation angle of sun). Rozdíl úhlu dopadu světla na modul (S module) je tedy v zimě i v létě poměrně nízký.
Graf 1: Ozářenost na PV panel (S module) v Muswellbrooku 1. ledna (léto). Zdroj: PVeducation.org
Graf 2: Ozářenost na PV panel (S module) v Muswellbrooku 1. července (zima). Zdroj: PVeducation.org
Technologie – střídače a baterie
Foto: Photon Energy
Foto: Photon Energy
U projektu v Muswellbrooku jsou použity střídače společnosti SMA, typ Sunny Island 6.0H. Jak napovídá název, střídače jsou primárně koncipovány pro systémy na vlastní spotřebu elektřiny na místě a nikoli na dodávky do distribuční sítě. Střídače Sunny Island jsou díky vysoké ochraně IP54 vysoce odolné vůči vnějším vlivům, jako je vlhkost, ale i písek či výkyvy teploty. Na systému v Muswellbrooku jsou však umístěny uvnitř technologického kontejneru, kde je teplota automaticky kontrolovaná a řízená. Střídače monitorují stav nabití baterií a převádí jejich energii na klasické síťové napětí a proud pro napájení vysílače. Zároveň jsou tyto střídače schopny se synchronně připojit k externí záložní síti, pro zajištění nepřetržitého napájení i při vybitých bateriích a pravidelnou kalibraci baterií, tzv. ekvalizaci.
Bateriový systém se skládá ze 72 fotovoltaických olověných baterií německého výrobce BAE Batterien typu BAE 10 PVV1500, 1500 Ah, 2 V, s celkovou kapacitou bateriové banky 216 kWh. Společnost BAE Batterien je známá tím, že má dlouhé zkušenosti s výrobou baterií a ani výroba fotovoltaických baterií není pro BAE novinkou. Velkou výhodou pro projekt v Muswellbrooku je odolnost vůči vysokému vybití, tzv. deep discharge. Opakované hluboké vybití baterií zkracuje dlouhodobě jejich životnost, ale vzhledem k nutnosti dodávat energii do vysílače ideálně non-stop hrozí přeci jen občasné vybití až na hranici 30 %. Následující graf tuto skutečnost ilustruje. Lze vidět, že při špatné ozářenosti se baterie vybijí, avšak k úplnému vybití nedojde, systém totiž včas přepne na záložní generátor a zamezí následnému vybíjení.
Graf 3: Ozářenost (žlutá) vs stav nabití baterie (zelená). Zdroj: Photon Energy
U bateriové části systému bylo nutné rozhodnout, zda zvolit takzvané DC-coupled nebo AC-coupled řešení. AC-coupled je moderní řešení, které je běžně používáno u domácích hybridních bateriových elektráren. Fotovoltaické panely jsou připojeny přes běžný střídač do domovních rozvodů, baterie je pak připojena a řízena samostatným hybridním měničem. Oba systémy se tak potkají až v domovním rozvaděči a jsou na sobě teoreticky nezávislé. DC-coupled řešení má podstatně delší historii a je používáno ve většině autonomních bateriových aplikací. Fotovoltaické panely jsou přes nabíječku napojeny přímo na baterii. Na druhé straně baterie je měnič, který poskytuje veškerou energii pro spotřebiče. Oba systémy se tak potkávají na sběrnici baterie, nikoliv domovním rozvaděči.
Na projektu v Muswellbrooku je výkon PV panelů (39 kWp) podstatně vyšší než spotřeba vysílače (5 kW). Většina energie vyráběná během dne je tedy použita pro nabíjení baterií. Použitím DC-coupled řešení jsme zvýšili účinnost systému, protože energie teče pouze přes fotovoltaickou nabíječku. U AC-coupled řešení by energie proudila pres fotovoltaický střídač a dále přes hybridní bateriový střídač, což by znamenalo dvoje ztráty.
Navíc se tím značně snížily nároky na bateriový měnič. Jelikož v našem řešení je měnič používán pouze jednosměrně, kdy napájí vysílač o výkonu 5 kW, stačí měnič o výkonu 5 kW. Výkon 39 kW má pouze fotovoltaická nabíječka. Použitím AC-coupled by hybridní měnič musel zvládnout nabíjet baterie plným výkonem z fotovoltaických panelů, tudíž by musel mít výkon 39 kW. Vzhledem k cenovému rozdílu mezi střídačem o výkonu 5 kW a 39 kW bylo toto rozhodnutí velice pozitivní pro projektový rozpočet. Řešení AC-coupled má určitě své značné výhody v jiných aplikacích, ale v našem případě jasně vyhrálo řešení DC-coupled.
Graf 4: Typický letní den výroby (zdroj: Photon Energy)
Rok provozu
Celkem lze konstatovat, že systém v prvním roce provozu pracoval s výbornými výsledky za všech okolností, jak při teplotách okolo 40 °C, tak kolem bodu mrazu. Systém byl navržen jako hybridní a v původním plánu bylo, že fotovoltaická elektrárna dodá až 93 procent požadované energie, zbytek se odebere z back-up zdrojů. Technologicky je systém připraven také k úplnému odpojení od distribuční sítě při použití dieselového generátoru jakožto doplňkového zdroje. V případě provozu v off-grid oblasti by se zbylých sedm procent vyrobilo pomocí diesel generátoru. Systém, který by se v off-grid verzi skládal z PVPS, bateriového kontejneru a diesel agregátu, by tedy pokryl sto procent spotřeby. Vzhledem k ekonomice fotovoltaických projektů s bateriovou zálohou je cenově velice náročné dosáhnout bez záložního zdroje (diesel agregátu) stoprocentního pokrytí spotřeby elektřiny. Pro období dlouhého a mimořádně špatného počasí by musela být fotovoltaická a bateriová kapacita extremně vysoká, zároveň by se taková investice do kapacity kvůli několika dnům v roce finančně nevyplatila.
V případě elektrárny v Muswellbrooku bylo zbylých sedm procent – v období dlouhodobě horšího počasí – odebráno ze sítě. Rozhodnutí využít jako back-up zdroj DS a nikoli diesel agregát bylo též rozhodnuto společností BAI vzhledem k pilotnímu charakteru projektu.
Graf 5: Typický zimní den výroby (zdroj: Photon Energy)
Červená čára na grafu 2 reprezentuje spotřebu vysílače, která je prakticky konstantní. Žlutá čára zobrazuje výkon fotovoltaických panelů a zelená stav nabití baterií. Lze tedy poznat, že baterie jsou vybíjeny, když fotovoltaické panely nevyrábí dostatek energie pro pokrytí spotřeby vysílače, jinými slovy žlutá je níž než červená. Při dostatečném slunečním svitu je pak přebytečná energie použita pro nabíjení baterií. Čím větší je rozdíl mezi žlutou a červenou, tím rychleji se baterie nabíjí. V zimním grafu se ještě vyskytuje modrá, reprezentující záložní generátor (distribuční síť). Distribuční síť je připojena v případě vybití baterií na úroveň 30 %, kdy poté dodává veškerou energii pro provoz vysílače a je odpojena až při dostatečném slunečním svitu, kdy systém může přepnout zpět na fotovoltaické panely a baterie.
Na dalším grafu lze přehledně sledovat, kolik z energie, kterou vysílač pro provoz vyžadoval, bylo v průběhu roku dodáno z obnovitelných zdrojů a kolik ze zálohy (v tomto případě ze sítě). V letních měsících pokryly OZE kompletní spotřebu vysílače.
Spotřeba vysílače pro každý měsíc je zobrazena oranžovou čárou. Sloupce pak reprezentují podíl na pokrytí spotřeby (zelený sloupec je OZE, šedý je energie ze sítě). Zelená čára kromě toho udává, kolik procent z celkové spotřeby bylo každý měsíc pokryto z OZE.
Graf 6: Podíl OZE (zelená) na spotřebě systému (oranžová čára) vs back-up ze sítě (šedá) za poslední rok. Zelená čára nahoře ilustruje, jak se měnil podíl OZE průběhem roku. Zdroj: Photon Energy
Fotovoltaické panely a bateriový kontejner (Foto: Photon Energy)
Klíčem pro analýzu dat z výroby je bateriový kontejner, ve kterém byla díky klimatizační jednotce udržována vždy ideální teplota mezi 10 °C a 30 °C. Na následujícím grafu lze vidět, že teplota baterií byla i v letním období s teplotními výkyvy stabilní.
Graf 7: Teplota baterií (modrá) vs okolní teplota (žlutá). Zdroj: Photon Energy
Důležitý je i stav nabití baterií, které byly cyklicky nabíjeny a částečně vybíjeny každý den, průměrná hodnota se pak pohybovala na úrovni cca 70 procent. Baterie jsou vybíjeny jen částečně, přibližně o 30 procent každý den. Toto se považuje za zkrácený cyklus 30 %, zatímco kompletní cyklus je vázán na kompletní vybití. 365 částečných cyklů 30 % se tak rovná přibližně 123 kompletním cyklům za rok. Photon Energy na základě této hodnoty očekává životnost baterií okolo 12 let.
Graf 8: Stav nabití baterií (zdroj: Photon Energy)
Klíčový je i přenos dat z výroby. V energetice je dnes vyhodnocení dat z monitoringu výroby klíčové a množství dat z elektrárny je obrovské, denně se přenáší cca 250 MB. V monitoringu elektrárny lze mimochodem spatřit další českou stopu. PLC komponenty pro monitoring totiž dodala česká společnost Domat.
Monitoringový systém sleduje celkem více než 40 veličin, mezi které patří:
- Denní výroba energie
- Výkon PVPS
- Stav nabití baterie
- Napětí baterie
- Teplota všech komponentů (panel, baterie, kontejner, chladič, atd.)
- Frekvence střídače
- Ozářenost
- A další
Graf 9: Roční výroba PV systému (zdroj: Photon Energy)
Detailní data z prvního roku provozu
| Nejnižší teplota | 0,3 °C |
| Nejvyšší teplota | 40,2 °C |
| Max. rychlost větru v m/s | 58,68 |
| Max výroba PVPS v kW | 39,07 |
| Energie dodaná v kWh | 37 813 |
| Úspory energie | 92,83 % |
| Back-up energie použitá v kWh | 2 710,5 |
| Počet hodin provozu back-up | 368,2 |
| Počet bateriových cyklů | 123 |
| Max. teplota baterií | 28,4 °C |
| Průměrný stav nabití | 71,10 % |
Budoucí možnosti systému
Data z prvního roku ukazují, že fotovoltaika kombinovaná se záložním systémem je spolehlivým řešením pro odlehlá místa, ve kterých je výroba elektřiny drahá nebo vzhledem ke zdrojům (diesel generátory) neekologická. Jen v Austrálii je vysoký počet rádiových a telekomunikačních vysílačů, které by mohly být vybaveny podobným systémem. Jen společnost Broadcast Australia jich provozuje 620.
| AC výstupní napětí | |
| Nominální výkon | 12 kW |
| Maximální výkon 5 min | 18 kW |
| Počet fází | 3 |
| Jmenovité napětí | 400 V |
| Frekvence | 50 Hz |
| Maximální efektivita | 96 % |
| DV vstup PVPS | |
| Nominální PV výkon | 39000 Wp |
| Max. vstupní napětí | 150 V |
| Max. vstupní proud | 780 A |
| Počet MPPT | 13 |
| Počet vstupů na jeden MPPT | 1 |
| AC vstup záložní generátor | |
| Nominální vstupní proud | 11500 W |
| Počet fází | 3 |
| Vstupní napětí | 400 V ±15 % |
| Frekvence | 50 Hz ±20 % |
| Úložní kapacity | 216 kWh |
| Typ baterií | VRLA-GEL |
| Nabíjecí stupně | Bulk (nabíjení), Absorption (záporné nabíjení), Float (udržování), Equalize (vyrovnávání) |
Ochrany
- Ochrana zkratu na AC výstupu – Ano
- Ochrana přetížení AC výstupu – Ano
- Ochrana přepětí výstupu, Úroveň 2
- Ochrana zkratu AC vstupu – Ano
- Ochrana přetížení AC vstupu – Ano
- Ochrana zkratu PV pole – Ano
- Ochrana přetížení PV pole – Ano
- Odpojení PV pole – Ano
- Ochrana přepětí PV pole, Úroveň 2
- Ochrana proti hlubokému vybití baterií – Ano
- Hlídání zkratu baterií – Ano
- Ochrana proti přehřátí – Ano
| Měřidlo ozářenosti | Ano |
| Měřidlo rychlosti větru | Ano |
| 3G modem | Ano |
| Ethernet | Ano |
| RS485 | Možné |
| Počet spínaných výstupů | 8 |
| Webový monitoringový portál | Ano |
| Rozměry (D × Š × V) | 6055 × 2435 × 2590 mm |
| Váha | 9750 kg |
| Provozní teplota | −10 °C … 45 °C |
| Stupeň krytí | IP54 venek |
Data komunikace
SMA Sunny Remote Control, Sunny Webbox, Sunny Sensorbox, Domat control system
Podrobné technické detaily a více informací o projektu včetně aktuálních dat z výroby najdete na www.solaroffgrid.info
In late 2014 Photon Energy commissioned a unique solar PV storage project in Australia. Instead of feeding energy into the grid, the 39 kWp / 215 kWh power plant powers a radio broadcast tower. This article explains in detail the set-up of the hybrid PV system, which was designed to prove that renewables can be used for on-site production even for demanding customers. Which technology was used and why? After one year the authors examine production data to evaluate the system’s performance.