Zvyšování efektivnosti provozu fotovoltaických elektráren - teorie vs. praxe
Tento příspěvek se zabývá možností zvýšení efektivnosti výroby energie z fotovoltaických elektráren. Vstupní podklady poskytl provozovatel FVE na jižní Moravě ze svých provozoven o velikosti do 0,5 MWp. Práce si bere za cíl rozebrat jednotlivé možnosti zvýšení efektivnosti provozu, jak po stránce technického návrhu, tak optimalizace již hotových FVE a porovnání s reálnými skutečnostmi a ekonomickými faktory.
Příspěvek byl prezentován v rámci 32. ročníku konference Nekonvenční zdroje elektrické energie 2011 (www.nzee.cz). TZB-info je od roku 2009 mediálním partnerem této konference.
Letošní 33. ročník konference se bude konat 21. až 23. května 2012 ve Sport V Hotelu v Hrotovicích u Třebíče.
Úvod
V posledních letech je velmi diskutovaná výroba energie z obnovitelných zdrojů. Tato problematika svým způsobem dělí společnost na dva tábory. V jedné věci však zajisté panuje shoda. Každá technologie by měla dosahovat maximální možné efektivnosti. Jen díky tomu lze zajistit na výstupu, v našem případě výroby energie z fotovoltaických elektráren, maximální množství vyrobené energie a maximální využití vstupních zdrojů. Celkovou efektivnost výroby energie z FVE lze rozdělit na několik částí, pro lepší řešení jednotlivých částí problematiky.
Návrh FVE
Základní předpoklad vysoké efektivnosti začíná již u vlastního návrhu. Pro výpočet účinnosti lze použít následující vzorec:
Při základních výpočtech se vychází z maximální možné plochy, kterou lze technologií osadit. Výpočtových programů na vlastní návrh existuje několik, obvykle jsou z produkce výrobců střídačů. Větší společnosti používají vlastní software, který určí maximální možný výkon podle dané lokality. Pro správný výpočet je ale potřebné zadat přesné hodnoty, nejen rozměry plochy, ale také meteorologická data. Vlastní technologie sestává z fotovoltaických panelů, střídačů, elektrických ochran, kabeláže a případně transformátoru. Především výkon panelů je velmi závislý nejen na dopadajícím záření ze Slunce ale i okolní teplotou. Pro podmínky ČR je udávaný optimální sklon panelů 32°. Tím je zajištěno maximální využití slunečního záření po celý rok. Další možností je použiti otočných konstrukcí, ty jsou však náročnější a v našich podmínkách nejsou natolik výhodné. Hlavní problém nastává především v zimních měsících, kdy Slunce nevystupuje vysoko nad obzor a teplota okolí klesá pod bod mrazu. Proud vyráběný panely vzrůstá nad hodnoty výrobce. S tím je vhodné počítat při dimenzování celého systému, především průřezu vodičů a počtu střídačů, které zvládnou vyrobenou energii zpracovat a předat do distribuční soustavy.
Dalším důležitým bodem návrhu, který je spojený s vlivem teploty, je stanovení optimálního počtu střídačů pro elektrárnu. Jelikož se v tomto případě zaměřujeme na zdroje o velikosti do 0,5 MWp, lze vybrat z dvou základních uspořádání. Centrální střídač spojený s trafostanicí nebo decentralizované střídače a následně rozvaděč a trafostanici.
V případě volby jednoho nebo dvou centrálních střídačů spolu s trafostanicí je hlavní výhoda ve vysoké účinnosti přeměny energie Světoví výrobci udávají hodnoty na hranici 98 %. Účinnost není však jediným parametrem, který je potřeba uvažovat. Dalším faktorem je také možný rozsah vstupního napětí resp. napětí, od kterého začíná střídač do sítě dodávat energii. V případě použití centrálního střídače je potřeba pečlivě nastavit servisní podmínky s dodavatelem technologie, protože sebemenší výpadek a porucha znamená na výstupu velké ekonomické ztráty. Centrální střídač je vhodné umístit do středu plochy tak, aby ze všech směrů byly vodiče od panelů stejně dlouhé a nedocházelo k odchylkám vlivem ztrát na vedení.
Druhou možností volby střídačů je možnost použití menších decentralizovaných jednotek, které se montují přímo na konstrukci s panely a jejich počet a výkon je určen návrhovým softwarem. Opět je ale potřeba provést kontrolu a zadání odpovídajících teplot, které se mohou vyskytovat v zimním období. Pro podmínky jižní Moravy jsou udávané minimální hodnoty −20 °C. Dále je třeba si uvědomit, že střídače by neměly být provozovány na svém maximálním výkonu. Pro nejlepší funkci střídače je vhodné na jeho vstup přivést napětí 80–85 % maximální hodnoty, kterou dovede zpracovat. Všechny kvalitní střídače jsou však vybaveny řídicí elektronikou, hledáním bodu maximálního výkonu, tzv. MPP tracker. Tato elektronika dokáže posouvat pracovní bod střídače do optimální polohy dle vstupního napětí a proudu. Stále však platí, že jde o elektroniku, která by neměla být provozována na maximální mezi.
![Obr. 1: Mapa účinnosti střídače Refusol 20K [2]](/docu/clanky/0083/008344o1.png)
Obr. 1: Mapa účinnosti střídače Refusol 20K [2]
Pro zajištění maximální efektivnosti provozu je vhodné věnovat výpočtu poměru panelů na střídač více pozornosti. Při velmi jasných podmínkách opět v zimním období se může ve vodičích do střídače objevit vyšší proud, než se kterým bylo počítáno dle tabulkových hodnot výrobce panelů. Krátkodobé přetížení střídač většinou zvládne, pokud to je ale pravidelné, jeho životnost se rapidně snižuje. Vhodné je použít „chytré“ střídače, které jsou napojeny na komunikační okruh a pravidelně podávají hlášení o systému a v případě poruchy ji lze rychle odhalit a lokalizovat. I při použití decentralizovaných střídačů je důležité mít nastaveny servisní podmínky na opravu výměnou, případně pokud je to možné, mít v záloze jeden střídač skladem. Tím lze zajistit co největší procento efektivnosti provozu FVE a bezporuchového stavu.
Po vhodném návrhu nastává volba trafostanice. Zde opět platí, že by transformátor neměl pracovat na 100 % jmenovitého výkonu po celou dobu životnosti FVE. Obvyklá účinnost transformátoru je 96 %. Převodní poměr bývá nejčastěji 0,4/22 pro připojení FVE do distribuční soustavy na napěťovou hladinu 22 kV.
Provoz FVE
Po navržení a postavení FVE se dostáváme do další části, které je potřeba také věnovat pozornost, a tím zajistit co nejefektivnější provoz. Pro případ uvažujme opět elektrárnu o výkonu 0,5 MWp, s decentralizovanými střídači, připojenou do napěťové hladiny 22 kV. Pro zajištění bezchybného provozu je potřebné použít monitorovací systém. Ten kromě přehledu o vyrobené energii z jednotlivých střídačů dovede sledovat odchylky. Díky senzorům slunečního záření, teploty panelů a teploty okolí předpovídá očekávané množství vyrobené energie za den, případně za měsíc. Každá větší odchylka by měla být impulzem ke kontrole systému. Každý den, kdy systém vykazuje odchylky od předpokladu, znamená velké ekonomické ztráty, které, když se často opakují, mohou vést až k potížím se splácením úvěru, kterým je větší část elektráren na území ČR financována.
Monitorovací systém lze buď zvolit spolu s dodavatelem střídačů, nebo se rozhodnout pro univerzální systémy „třetích stran“. Ty jsou zajímavé svým zpracováním a modularitou na různá řešení, dovedou hlídat i stav elektrických ochran v rozvaděči a podávat zprávy díky vzdálenému připojení.
Pro zajištěné nejvyšší účinnosti provozu je doporučeno provádět kontroly na elektrárně minimálně dvakrát do roka (v případě bezchybného provozu), optimální je udělat vizuální kontrolu každý měsíc v rámci odečtu hodnot z elektroměru. Pokud systém vykazuje opakovaně odchylky vyrobené energie mezi jednotlivými střídači nebo vůči předpokladu dle senzoru osvitu, je potřeba nastoupit s pokročilejšími diagnostickými metodami. Mezi nejpoužívanější v terénu elektrárny patří měření termokamerou. Tím lze odhalit vadné panely, resp. hotspoty na panelech, a následně vytipované panely podrobit dalším měřením. Opět zde platí, že čím dříve jsou vadné panely odhaleny, tím menší jsou celkové ztráty.
Praxe provozu FVE
Spousta investorů i soukromníků se stále mylně domnívá, že provozování fotovoltaické elektrárny je nenáročné a jednoduché. Z výše popsaného je zřejmé, že tomu tak není, resp. je při dodržení souboru doporučení a zásad. Spousta provozovatelů však z důvodů zřejmě ekonomických zanedbává prevenci bezproblémového provozu a včasného odhalení vad. O to větší jsou pak následky a ztráty, naštěstí jen ekonomické. Základní pravidla pro bezproblémový provoz by se dala shrnout do následujících bodů: kvalitní monitorovací systém s měřením odchylek, pravidelná kontrola panelů ideálně každý měsíc, neignorování odchylek a opakujících se výpadků. Dále je vhodné mít v zásobě jeden náhradní střídač, v případě decentralizovaných jednotek, několik kusů fotovoltaických panelů a samozřejmě pojistky, které jsou součástí každého rozvaděče. To lze řešit i dodavatelsky s reakcí do 24 h. Na trhu již dnes existuje řada firem, které garantují dojezd technika do 24 h od nahlášení závady.
Závěr
Návrh a provozování fotovoltaických elektráren vyžaduje pečlivý přístup. Jedině tak lze dosáhnout maximální efektivity, jak využití dopadajícího slunečního záření, tak zvýšení procent bezproblémového provozu. V případě častých poruch by měla následovat pečlivá kontrola návrhu celé elektrárny, protože závada může být ve špatném dimenzování střídačů, elektrických ochran nebo vedení. V případě nekvalitní technologie pomůže lokalizace všech vadných panelů a jejich výměna. Provoz fotovoltaické elektrárny není krátkodobou záležitostí a pro bezproblémový a efektivní provoz je potřeba aktivního přístupu a okamžitého řešení vad.
Poděkování
Tato práce byla podporovaná grantem č. FEKT-S-11-7 a grantem Grantové agentury České republiky, číslo: 102/09/0859.
Literatura
- [1] Svaz podnikatelů pro využití energetických zdrojů: Fotovoltaické elektrárny – návrhy a výpočty, výukové materiály.
- [2] Firemní materiály Refusol [online]. Dostupný na www.refusol.net
The article deals with the possibility of increasing of the energy production efficiency from photovoltaic plants. Input documentation was provided by PV power plant operator in South Moravia, from their installations up to 0.5 MWp. The article aims to analyze the possibilities of increasig operation efficiency, both in terms of technical design and optimization of already finished PV plants and comparation with real facts and economic factors.