Návrh fotovoltaických systémů na rovných plochách s ohledem na efektivní využití technologie i dostupné plochy
Návrh FV systémů s ohledem na maximální roční výnos (celková získaná energie vztažená na jednotku instalovaného výkonu) se pomalu stává minulostí. Do popředí zájmu se dostávají systémy s přizpůsobením diagramu výroby odběrovému diagramu místní spotřeby a systémy s lepším využitím plochy potřebné pro instalaci FV pole.
Úvod
Prvně jmenovaný faktor souvisí se snahou o minimalizaci potřebné akumulační kapacity (protože akumulátory jsou stále jednou z dražších komponent moderních energetických systémů) a druhý požadavek je způsoben růstem ceny půdy ve vyspělých státech. Jak bude v článku ukázáno, při toleranci mírného poklesu ročního výnosu lze dosáhnout výrazně vyšších ročních energetických zisků z dané plochy pozemku, kde je FV systém instalován.
Obrázek 1: Parkovací stání přestřešené FV systémem. Zdroj: SolarCity ZS Beam, Solarthermalmagazine.com
Obrázek 2: Zelená střecha s FV systémem na technologickém centru v Mnichově. Zdroj: www.Zinco-Greenroof.com
Obrázek 3: Příklad agrofotovoltaiky – sklizeň brambor. Zdroj: Energetická komunita Heggelbach, Německo
Obrázek 4: Plovoucí FV systém na ostrově Texel v Nizozemsku. Zdroj: www.solarfloat.com
Geometrie FV systémů na rovné ploše
Obrázek 5: Základní geometrie FV systému na rovné ploše
U stacionárních FV systémů na rovných plochách (ať se jedná o rovné střechy či pozemky) je třeba volit vhodný úhel sklonu FV modulů (β) od vodorovné roviny na konstrukcích a vzájemný odstup řad a jejich velikost (výšku). U volby odstupu řad se vychází z tzv. návrhového úhlu (αD), což je nejmenší úhel osvitu, kdy nedochází k vzájemnému (tzv. vnitřnímu) stínění za sebou ležících řad, Obr. 5. Dříve byla běžná praxe k dosažení maximální roční výtěžnosti z instalovaného výkonu volit sklon modulů β okolo 35° a návrhový úhel αD cca 17°, který odpovídá v ČR nejmenšímu úhlu dopadu slunečního záření na rovinu terénu v pravé poledne 21. prosince, ve skutečnosti je αD mírně větší a vnitřní stínění se po dobu několika málo dní kolem zimního slunovratu toleruje.
Lze tedy konstatovat, že zvýšením návrhového úhlu dosáhneme menších odstupů sousedních řad, a tím vyššího využití plochy za cenu vzniku častějšího vnitřního stínění, a tím snížení roční energetické výtěžnosti vztažené na instalovaný výkon.
Jak bylo uvedeno v úvodu článku, je kromě výtěžnosti vztažené na instalovaný výkon v současnosti zohlednit i další parametry:
Obrázek 6: Pozemní FVE s orientací východ−západ. Zdroj: IBC solar
- Roční energetická výtěžnost vztažená na plochu pozemku (obestavěného prostoru). Vysoké výtěžnosti na plochu a rovnoměrnějšího profilu výroby energie dosahují instalace s orientací východ–západ (Obr. 6)
- Odstup mezi řadami s ohledem na obslužnost technikou a možné další využití (např. výše uvedenou agro-fotovoltaiku) nebo z důvodů požární bezpečnosti.
- Zachování minimálního sklonu FV modulů β (obvykle alespoň 15°) s ohledem na udržení samočistící schopnosti modulů.
- Samočistění od sněhu – obzvláště v horských oblastech je vhodnější proto preferovat vyšší sklony FV modulů.
Dále je třeba volit vhodnou výšku konstrukce od země pro zjednodušení údržby a zabránění stínění FV modulů např. sněhem či travním porostem. Výška dolní hrany FV pole je také důležitou veličinou pro tzv. agrofotovoltaiku, kde určuje možnosti kombinovaného využití plochy pro získávání elektrické energie a zemědělskou činnost. Jako příklad lze uvést dostatečnou výšku dolní hrany v případě chovu ovcí. V takovém případě ještě přibude nutnost zajištění svodů a instalace FVE proti okusu a mechanickému poškození ovcemi.
Pokles výkonu FV systému způsobený vnitřním stíněním není pro převažující technologii modulů s křemíkovými FV články přímo úměrný stíněné ploše a jeho míra úzce souvisí se způsobem uložení modulů [3] a jejich vnitřním zapojením.
Zastíněná část FV článků se totiž může stát z generátoru energie jejím spotřebičem a docházet na ní ke značným energetickým ztrátám. Pro snížení vlivu stínění bývají v FV modulech integrovány tzv. překlenovací (bypass) diody, Obr. 7. Pokud dojde k zastínění libovolných článků v jedné sekci chráněné bypass diodou, ztrácí uvedená sekce téměř veškerý svůj výkon a vedení proudu je realizováno příslušnou diodou. Ta se při tomto režimu provozu začíná ohřívat a její životnost je tak limitována. Navíc zastínění části jedné sekce způsobí v případně nejběžnějšího zapojení diod, třetinový pokles výkonu modulu, který je již poklesem citelným.
Obrázek 7: Schematické elektrické zapojení typického současného FV modulu se 3 bypass diodami a typický charakter vnitřního stínění
Obrázek 8: Faktor poklesu výkonu v závislosti na úhlu dopadu slunečního paprsku vůči horizontální rovině. Je uvažován návrhový úhel αD = 23°. Založeno na PVSyst ver. 6.5.2
Pokud hrozí častý výskyt vnitřního stínění FV pole, je vhodné instalovat běžné FV moduly do horizontální polohy, která zajistí průběh stínu jen v jedné (případně několika málo sekcích) místo všech sekcí dotčeného modulu. Pokud instalujeme na jednom panelu vícero FV modulů nad sebe, zajistíme tím rozdělení na více sekcí a tím nižší pokles výkonu. Výsledný efekt elektrického poklesu výkonu s ohledem na úhel dopadu slunečního paprsku vůči horizontální rovině demonstruje Obr. 8. Lineární efekt značí podíl zastíněné plochy (1 odpovídá 100% zastínění), resp. pokles výkonu modulu, který by přímo odpovídal zastíněné ploše.
Elektrický efekt značí reálný pokles výkonu vlivem zastínění při uvážení rozdělení modulu na jednotlivé sekce (1 odpovídá 100% zastínění). Z grafů je patrné, že rozdělením na velké množství sekcí se výsledný elektrický efekt přiblíží lineárnímu poklesu výkonu. Předpokladem je, že stín probíhá podél sekcí, což pro vnitřní stínění platí při instalaci modulů v horizontální poloze, Obr. 7.
Simulace ročního provozu FVE s výskytem vzájemného stínění řad s FV moduly
Pro nalezení vhodné geometrie FV systémů byla provedena řada ročních simulací výroby FVE v softwaru PVSyst. Byla užita meteorologická data ČR pro lokalitu města Olomouc s užitím FV modulu Canadian Solar CS6K 300Wp (1650 × 992 mm), efekt byl zjišťován na velkém systému (cca 100 řad, 100 modulů vedle sebe), aby se omezil vliv „bočního osvitu“ z míst mimo FV systém. Zjištěný efekt stínění je obdobný i pro jiné lokality, což bylo ověřeno pro lokalitu jižní Moravy (Kuchařovice). Výsledky jsou znázorněny v relativních hodnotách vztažené k referenčnímu FV systému se sklonem modulů β = 32° a návrhovým úhlem αD = 17°, což odpovídá optimalizaci FV systému pro maximální roční výtěžnost z instalovaného výkonu. Prvním posuzovaným parametrem je roční výtěžnost z instalovaného výkonu. Při stejném návrhovém úhlu a sklonu FV modulů dochází u horizontální instalace se 3 moduly (9 sekcí) k výrazně menším ztrátám nežli u vertikální instalace s moduly umístěnými vedle sebe, Obr. 9.
Obrázek 9: Způsob konfigurace FV modulů na konstrukcích
Můžeme vybrat např. geometrii (β = 25°, αD = 35°), přičemž se roční výtěžnost sníží o 3,8 %, Obr. 10. Při této geometrii dosáhneme ale oproti referenci o 64,5 % vyšší roční výroby energie z plochy, v důsledku možné instalace většího výkonu na shodnou plochu, Obr. 11. Pomocí Obr. 12 pak určíme, že na shodnou plochu tak instalujeme o 71 % větší výkon oproti referenčnímu provedení.
Z důvodů stále se snižující ceny FV modulů a rostoucí ceny pozemků pro instalaci tak může být cca 4 % snížení výtěžnosti ekonomicky akceptovatelnou daní za větší množství vyrobené energie z plochy navržené FVE.
Jak již bylo uvedeno, jsou daní za větší roční výrobu z jednotky zastavěné plochy částečně stíněné moduly a s tím i spojené namáhání bypass diod. Pro takový systém pak využitelné například moduly s integrovanými chytrými diodami. Tyto v podstatě integrované obvody, vzdáleně připomínající synchronní usměrňovače známé z vysoce účinných spínaných zdrojů, mají menší úbytek napětí v sepnutém stavu a tím i menší produkci škodlivého tepla. [4]
Grafické výsledky
V každém grafu jsou uvedeny i absolutní hodnoty posuzovaného parametru pro referenční provedení, tudíž se dá lehce zjistit absolutní hodnota hledaného parametru navrhovaného řešení.
Obrázek 10: Porovnání výtěžnosti FVE (kWh/kWpˑrok) oproti referenčnímu systému se sklonem β = 32° a návrhovým úhlem αD = 17°
Obrázek 11: Porovnání výtěžnosti FVE z plochy (kWh/m2ˑrok) oproti referenčnímu systému se sklonem β = 32° a návrhovým úhlem αD = 17°
Obrázek 12: Porovnání instalovaného výkonu na metr čtvereční oproti referenčnímu systému se sklonem β = 32° a návrhovým úhlem αD = 17°
Závěr
Na základě simulací se ukazuje, že i když jednotlivé řady modulů jsou blíže sobě, ztráty vnitřním stíněním mohou být relativně malé, naopak výtěžnost energie z plochy může být silně navýšena. Velký vliv má i způsob orientace FV modulů a jejich počet v jedné řadě nad sebou, jelikož to ve výsledku udává počet jednotlivých sekcí pro potlačení vlivu vnitřního stínění. Pokud je to s ohledem na estetiku a dimenzování konstrukce přípustné, je tedy vhodnější umístit nad sebe více FV modulů. Pokud u FV systému zajistíme např. 9 sekcí překlenutých bypass diodami, vliv podélného stínu (charakteristického pro vnitřní stínění) na výkon se blíží lineárnímu poklesu výkonu. Nicméně s ohledem na životnost bypass diod je vhodné u klasických systémů vnitřní stínění pokud možno eliminovat a dopustit ho pouze v několika málo týdnech během zimního slunovratu nebo v ranních či večerních hodinách. Pokud se stínění nelze vyhnout, nebo je záměrně využíváno, jak bylo popsáno výše, je nutno vždy ověřit odolnost daného typu fotovoltaického modulu vůči stínění a případně volit systémy s dostatečně dimenzovanými bypass diodami.
Tato práce byla podpořena MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.
Použité zdroje
- Fraunhofer Institute – „PHOTOVOLTAICS REPORT 2019“. [Online]. Available:
https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf [Accessed: 02-Apr-2020]. - Fraunhofer Institute – „Public Net Electricity Generation in Germany 2019: Share from Renewables Exceeds Fossil Fuels“. [Online]. Available:
https://www.ise.fraunhofer.de/en/press-media/news/2019/Public-net-electricity-generation-in-germany-2019.html [Accessed: 01-May-2020]. - STANĚK, K., Fotovoltaika pro budovy. GRADA. 2012 ISBN: 978-80-247-4278-6
- Power Electronics „Smart bypass Diode“ [Online]. Available:
https://www.powerelectronics.com/technologies/discrete-power-semis/article/21860063/smart-bypass-diode
The design of PV systems with regard to the maximum annual yield (total energy obtained per unit of installed capacity) is slowly becoming a thing of the past. Systems with the adaptation of the production diagram to the local consumption consumption diagram and systems with better use of the space required for the installation of the PV array come to the fore.