Fotovoltaické systémy s východo-západní orientací a pouze jedním střídačem
Fotovoltaická elektrárna s orientací panelů východ - západ, foto © TZB-info.cz
Dosud se předpokládalo, že u FV systémů s východo-západní orientací jsou pro obě orientace zapotřebí samostatné střídače nebo alespoň jeden střídač s více MPP trackery, aby se zamezilo ztrátám nepřizpůsobením. Analýza takového systému ukazuje, že i s jedním MPP trackerem jsou ztráty poměrně malé.
V minulosti panovala určitá neochota instalovat fotovoltaické (FV) systémy orientované východo-západním směrem. Postupem času však lze pozorovat rostoucí zájem o instalaci FV generátorů na střechy s východo-západní orientací. FV systémy s jižní orientací jsou sice výhodnější, avšak i FV generátory s východo-západní orientací umožňují dosáhnout značných výnosů. Vzhledem k prudce klesajícím cenám solárních panelů lze v budoucnu dokonce počítat s rostoucí poptávkou po východo-západních systémech. Z pohledu provozovatele elektrické sítě jsou fotovoltaické systémy s východo-západní orientací stejně zajímavé jako systémy orientované na jih, protože dodávky energie do sítě jsou po celý den rovnoměrnější, dochází ke snížení poledních špiček a v důsledku toho k odlehčení sítě.
Dosud se vycházelo z předpokladu, že u FV systémů s východo-západní orientací jsou pro obě orientace zapotřebí samostatné střídače nebo alespoň jeden střídač s více MPP trackery (Maximum Power Point, bod maximálního výkonu), aby se zamezilo ztrátám způsobených rozdílným osvitem panelů. Tento článek obsahuje analýzu FV generátorů s východo-západní orientací, které jsou instalovány pouze s jedním MPP trackerem, a dokládá, jak výkonné tyto systémy jsou. Společný střídač je vždy levnější než dva menší samostatné střídače s polovičním výkonem.
1 Úvod
Na základě teoretické analýzy bylo odvozeno chování MPP fotovoltaického systému s východo-západní orientací, které pak bylo pomocí srovnávacích měření ověřeno v praxi. K získání praktických výsledků byly k dispozici dva východo-západní systémy: jeden FV systém s tenkovrstvými solárními panely a jeden FV systém s krystalickými solárními panely. Oba systémy byly provozovány jak se samostatnými střídači (po jednom střídači na východní i západní části střechy), tak také se společným střídačem pro obě části střechy.
Tenkovrstvé panely byly instalovány s azimutem −67,5° pro východní generátor, 112,5° pro západní generátor a s úhlem náklonu 30°. Krystalické panely byly namontovány s přesnou orientací −90° pro východní generátor, 90° pro západní generátor a s úhlem náklonu 15°.
Byla provedena měření charakteristiky IU s cílem dosáhnout přesných výsledků. Případné odchylky střídačů byly zohledněny při instalaci elektroměrů.
2 Nesoulad osvitu
V případě instalace společného střídače v rámci FV systému s východo-západní orientací bychom na první pohled očekávali velké ztráty vzniklé nesouladem osvitu. Vzhledem k různé orientaci u východo-západního systému jsou totiž solární panely vystaveny rozdílným hodnotám osvitu. Z tohoto důvodu vykazují východní a západní větve v závislosti na denní době rozdílné proudy. Přes velké proudové rozdíly mezi východním a západním generátorem jsou hodnoty napětí MPP téměř identické, jak je patrné z obrázku 1. Celkové napětí východního generátoru je přibližně stejně velké jako celkové napětí západního generátoru, proto se při paralelním zapojení těchto větví na společný střídač (s jedním MPP trackerem) očekávají jen velmi malé ztráty způsobené nesouladem osvitu.
Tyto minimální ztráty závisí na úhlu náklonu instalovaných solárních panelů a na použité technologii panelů. Čím větší je úhel náklonu solárních panelů, tím vyšší jsou ztráty vzniklé nesouladem osvitu. Pro výši ztrát v závislosti na technologii panelů je rozhodující faktor plnění a změna napětí MPP v závislosti na osvitu.
![Obr. 1: Voltampérová charakteristika krystalického panelu při různém osvitu [1]](/docu/clanky/0096/009667o1.png)
Obr. 1: Voltampérová charakteristika krystalického panelu při různém osvitu [1]
Faktor plnění, který je u krystalických panelů zpravidla vyšší než u tenkovrstvých panelů, určuje, jak prudce klesá výkonnostní křivka před a po MPP. Na obr. 2 je znázorněna typická charakteristika krystalického a tenkovrstvého panelu. Je vidět, že výkonnostní křivka krystalického panelu za bodem MPP klesá prudčeji než výkonnostní křivka tenkovrstvého panelu. Z toho vyplývá, že krystalické panely ve FV systémech s východo-západní orientací způsobují vyšší ztráty způsobené nesouladem osvitu než tenkovrstvé panely.
Dalším důležitým aspektem je změna napětí MPP v závislosti na osvitu (viz obr. 1). Malá změna napětí MPP přes širokou oblast osvitu přirozeně vede k minimálním ztrátám. Změna napětí MPP je ovlivněna zejména teplotou panelu. To znamená, že nízký teplotní koeficient a dobré zadní větrání solárních panelů vedou u FV systému s východo-západní orientací k vyššímu výkonu. Kromě toho velký výkon panelů při nepříznivých světelných podmínkách může značně vylepšit výkon systému. Protože jednotlivé solární panely mají uvedené parametry odlišné, nelze obecně říci, které technologie panelů jsou pro FV systémy s východo-západní orientací nejvhodnější.
Obr. 2: Voltampérová charakteristika krystalického a tenkovrstvého panelu3 Výsledky
3.1 Nízké ztráty v důsledku nesouladu osvitu
Jak bylo vysvětleno v části 2, instalace společného střídače ve FV systému s východo-západní orientací nutně vede ke ztrátám vzniklým nesouladem osvitu. Tyto ztráty jsou však minimální a částečně jsou kompenzovány jinými pozitivními efekty. Například FV systém s východo-západní orientací se společným střídačem pracuje většinou ve vyšší oblasti účinnosti, než by tomu bylo v případě instalace se samostatnými střídači. Na obr. 3 a obr. 4 jsou uvedeny údaje FV systému s východo-západní orientací a s krystalickými panely (viz část 1).
Obr. 3: Porovnání naměřených hodnot napětí DC s odpovídajícím průběhem osvitu a teplotním profilem během slunečného dne.Na obr. 3 je porovnáno napětí DC východo-západního generátoru se společným střídačem s napětím DC východo-západního generátoru se samostatnými střídači. Jak je vidět, napětí východního a západního generátoru se většinou liší. Ráno je napětí západního generátoru po většinu času vyšší než napětí východního generátoru, odpoledne je tomu přesně naopak. Tato skutečnost vyplývá z osvitových a teplotních vlastností fotovoltaických článků, protože napětí DC při globálním osvitu nad ~180 W/m² zůstává téměř konstantní a při klesající/rostoucí teplotě panelu roste/klesá.
Východo-západní generátor generuje ztráty způsobené nesouladem osvitu, protože napětí DC tohoto generátoru není identické s napětím DC západního generátoru ráno a napětím DC východního generátoru odpoledne. Ačkoli napětí DC východo-západního generátoru se liší od napětí generátorů se samostatnými střídači až o 5 %, energetické ztráty jsou velmi malé (viz obr. 4). Důvodem je, že napětí DC východo-západního generátoru ráno kopíruje napětí východního generátoru a odpoledne napětí západního generátoru. Dalším aspektem je, že odchylka 5 % od optimálního napětí MPP nevede ke stejnému procentu ztrát výkonu, protože nižší/vyšší napětí MPP také vede k vyššímu/nižšímu proudu MPP.
Obr. 4: Porovnání výkonu AC s odpovídajícím energetickým výnosem během slunečného dne. Energetické ztráty ~0,1 % u východo-západního generátoru se společným střídačem v porovnání s východo-západním generátorem se samostatnými střídači.Výkon AC východo-západního generátoru s jedním střídačem se po celý den kryje s kumulativním výkonem AC východo-západního generátoru se samostatnými střídači. Rozdílné napětí DC generátorů vede ke ztrátám nepřizpůsobením cca 0,5 %, avšak konečné energetické ztráty činí pouze ~0,1 %, což je hodnota, která spadá do intervalu přesnosti měření elektroměru ±1 %. Jak už bylo zmíněno, ztráty v důsledku nesouladu osvitu se částečně kompenzují tím, že východo-západní generátor se společným střídačem pracuje většinou v oblasti vyšší účinnosti.
Energetické ztráty jsou ve slunečné dny nejvyšší, protože odchylka mezi napětími DC je tím menší, čím nižší je rozdíl osvitu mezi východními a západními větvemi. To znamená, že v oblačné dny nebo ve dny s difúzním osvitem jsou energetické ztráty ještě menší.
3.2 Srovnání energetických výnosů – 1. část
Následující srovnání energetických výnosů znázorňuje výsledky pro FV systém s východo-západní orientací a tenkovrstvými panely. Jak vyplývá z obr. 5, energetické ztráty východo-západního generátoru se společným střídačem jsou po celou dobu velmi malé.
Obr. 5: Srovnání energetických výnosů FV systému s východo-západní orientací a tenkovrstvými panely po dobu tří měsíců. Energetické ztráty ~1 % východo-západního generátoru se společným střídačem v porovnání s východo-západním generátorem se samostatnými střídači.
Obr. 6: Příklad: Výkonový profil AC fotovoltaického systému s východo-západní orientací a tenkovrstvými panely. Pro společný střídač je dostačující jmenovitý výkon ~85 % součtu jmenovitých výkonů samostatných střídačů.
Na základě výsledků měření od května do července lze očekávat, že roční energetické ztráty východo-západního generátoru se společným střídačem budou nižší než 1 %. Instalace východo-západního generátoru se společným střídačem má tedy oproti instalaci se samostatnými střídači a instalaci s jedním střídačem se dvěma MPP trackery rozhodující výhodu: východo-západní generátor se společným střídačem je při téměř stejném energetickém výnosu ekonomicky výhodnější, protože je zapotřebí pouze jeden střídač. Kromě toho může společný střídač vykazovat nižší jmenovitý výkon, než je součet jmenovitých výkonů samostatných střídačů. Příčinou je časový posun špičkových výkonů východního a západního generátoru (viz obr. 6). Snížení jmenovitého výkonu závisí na úhlu náklonu solárních panelů. Čím vyšší je úhel náklonu, tím nižší může být jmenovitý výkon společného střídače. Tenkovrstvé panely použité v tomto FV systému byly instalovány s úhlem náklonu 30°, a to vede ke snížení jmenovitého výkonu společného střídače zhruba o 15 %.
Z těchto výsledků vyplývá, že úspory nákladů jsou vyšší než energetické ztráty, takže východo-západní systém se společným střídačem se rychleji amortizuje.
3.3 Srovnání energetických výnosů – 2. část
Výsledky měření v tomto oddíle se týkají srovnání energetických výnosů FV systému s východo-západní orientací a krystalickými panely. Úhel náklonu solárních panelů je pouze 15°, proto nedochází k téměř žádným energetickým ztrátám (viz obr. 7). Ztráty nepřizpůsobením jsou zhruba 0,3 % až 0,5 %, jsou však kompenzovány, protože společný střídač pracuje většinou v oblasti vyšší účinnosti.
Obr. 7: Srovnání energetických výnosů FV systému s východo-západní orientací a krystalickými panely po dobu tří měsíců. Energetický výnos východo-západního generátoru se společným střídačem je téměř identický s výnosy východo-západního generátoru se samostatnými střídači.
Obr. 8: Příklad: Výkonový profil AC fotovoltaického systému s východo-západní orientací a krystalickými panely. Pro společný střídač je dostačující jmenovitý výkon ~95 % součtu jmenovitých výkonů samostatných střídačů.
Také v tomto případě je východo-západní generátor se společným střídačem ekonomicky výhodnější variantou instalace. Úspory nákladů jsou patrné na první pohled a dosahují přibližně stejné výše jako úspory popsané v části 3.2. Zaprvé díky úspoře jednoho střídače, zadruhé díky snížení jmenovitého výkonu společného střídače asi o 5 % (viz obr. 8). Snížení jmenovitého výkonu o 5 % vyplývá z úhlu náklonu krystalických solárních panelů 15° (viz vysvětlení v části 3.2).
Je tedy zřejmé, že východo-západní generátor se společným střídačem se rychleji amortizuje než východo-západní generátor se samostatnými střídači.
4 Základní pravidla instalace
K dosažení optimálního provozu FV systému s východo-západní orientací a společným střídačem je nutné respektovat následující základní pravidla:
- Je třeba zamezit jakémukoli zastínění.
- Počet solárních panelů musí být ve všech větvích stejný.
- Všechny solární panely v jedné větvi musí mít stejnou orientaci (úhel náklonu a směr solárních panelů).
5 Závěr
Testy obou FV systémů prokázaly, že FV systém s východo-západní orientací a jedním společným střídačem pro východní a západní generátor vykazuje ztráty nepřizpůsobením. Podle očekávání jsou však tyto ztráty velmi nízké a částečně jsou kompenzovány tím, že společný střídač pracuje většinou v oblasti vyšší účinnosti. Proti minimálním ztrátám výnosu stojí jednoznačné snížení nákladů v jiných oblastech. Zaprvé je možné snížit počet střídačů, zadruhé lze redukovat jmenovitý výkon společného střídače (v závislosti na úhlu náklonu instalovaných solárních panelů) až o 35 %. Navíc lze také minimalizovat náklady na instalaci.
Při správném dodržení základních pravidel instalace, úhlu náklonu solárních panelů a technologie panelů může být instalace společného střídače u FV systému s východo-západní orientací ekonomicky výhodnějším řešením než varianta instalace se samostatnými střídači. Nakonec ještě zbývá konstatovat, že instalace společného střídače nemá ve srovnání s instalací jednoho střídače se dvěma MPP trackery žádné nevýhody.
6 Odkazy
- [1] Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Wie schnell muss ein MPP-Tracker wirklich sein? (Jak rychlý musí být MPP tracker?), 24. sympozium fotovoltaické solární energie, Německo, 2009
Překlad: Fronius International GmbH
So far it was assumed that the PV systems with an east-west orientation need separate inverter for each orientation or at least inverter with two MPP trackers to avoid mismatch losses. Analysis of such system shows that with one MPP tracker losses are relatively small.