seres i., farkas i., kocsis l. - szie
TRANSCRIPT
SERES I., FARKAS I., KOCSIS L.
Gödöll� MTA-AMB K+F Tanácskozás
252
SERES I., FARKAS I., KOCSIS L.
Gödöll� MTA-AMB K+F Tanácskozás
253
10 kWp TELJESÍTMÉNY� FOTOVILLAMOS RENDSZER TELEPÍTÉSE - A RENDSZERÖSSZETEV�K VIZSGÁLATA
CONSTRUCTION OF A 10 kWp PV SYSTEM – TESTING THE BASIC COMPONENTS
Seres István1, Farkas István1, Kocsis László2 1Szent István Egyetem Gödöll�, Fizika és Folyamatirányítási Tanszék, 2103 Gödöll�, Páter K. u. 1. Tel: (06-28) 522055; E-mail: [email protected] 2Szent István Egyetem Gödöll�, SZIE-MTA Folyamatirányítási Kutatócsoport, 2103 Gödöll�, Páter K. u. 1. Tel: (06-28) 522055; E-mail: [email protected] ÖSSZEFOGLALÓ A megújuló energiák, s közöttük a napenergiás alkalmazások, például a fotovillamos rendszerek magyarországi elterjedése még nem felel meg az európai átlagnak, és az e téren vett vállalásainknak sem. Meggy�z�désünk, hogy ezen a téren a szemléletváltás hoz dönt� eredményt, és ebb�l a szempontból is vállalkozott a SZIE Fizika és Folyamatirányítási Tanszéke arra, hogy egy EU projekt keretében részt vesz a gödöll�i kampusz területén egy 10 kWp teljesítmény� fotovillamos (PV) rendszer installálásában. A rendszer jellemz�inek meghatározása után az építészeti tervek elkészültek, a kiviteli tervek most készülnek. A tervezéssel egyidej�leg a fontosabb rendszerösszetev�k vizsgálata (PV panel I-V karakterisztikája, inverterek vizsgálata) zajlik, err�l számolunk be jelen dolgozatunkban. SUMMARY The usage of the renewable energy sources e.g. the solar energy is not so widespread in Hungary, as it is in the EU or as it should be to fulfil our commitments on the environmental protection. To change the situation a big change in the mind of the people is necessary. That is one reason why the Department of Physics and Process Control, Szent István University, Gödöll�, joined the EU project PV Enlargement to set-up a 10 kWp PV system in the main campus of the University. After the determination of the main components – PV technology, panel type, inverters, etc. – the architectural plans were elaborated. Now the detailed plans are under work, and parallel with the planning the tests of the main components (e.g. I-V characteristic of the panels) are carried out. Some results of this test are presented in this paper. 1. BEVEZETÉS Kit�zött feladat az Európai Unió PV Enlargement Projekt támogatásával megvalósítandó 10 kWp teljesítmény� fotovillamos nagyrendszer megépítése a Szent István Egyetem Fizika és Folyamatirányítási Tanszék irányításával. Ez a fotovillamos rendszer a legnagyobb Magyarországon az eddig megépültek között, amely rendszer a termelt energia hálózatba történ� visszatáplálása mellett a kutatási feladatokon túl oktatási és demonstrációs feladatokat is ellát.
Eddigiekben a rendszert felépít� f�bb egységek meghatározására került sor. Két különböz� típusú fotovillamos modulból (multikristályos, illetve amorf szilícium technológiájú) történik a rendszer hasznosító felületét képez� modulrendszer felépítése. Továbbá meghatározásra kerültek a rendszer segédberendezései, illetve adatgy�jt� rendszere is.
SERES I., FARKAS I., KOCSIS L.
Gödöll� MTA-AMB K+F Tanácskozás
254
Legf�bb feladat a felépítend� rendszer optimális helyszínének kiválasztása, amelyre több alternatíva is kidolgozásra került. A helyszín kiválasztásának alapját a fotovillamos rendszer elhelyezhet�ségének szempontjai adták. Minden helyszín felmérése után a rendszer virtuális felépítése következett a felépítés lehet�ségeinek vizuális meghatározására.
A fotovillamos rendszer felépítését követ�en feladat a rendszer üzem közbeni vizsgálata, oktatási és demonstrációs feladatok elvégzése és a rendszer által szolgáltatott adatok gy�jtése és elemzése a különböz� típusú modulrendszer összehasonlító vizsgálatainak elvégzéséhez.
A rendszertervezéssel párhuzamosan egy modell került kidolgozásra a rendszer viselkedésének tanulmányozására. A közeljöv�ben néhány el�zetes mérés valósul meg a rendelkezésre álló egységekkel, els�sorban a két különböz� fotovillamos modullal. A másik fontos tényez� a modulok árnyékoltságának vizsgálata, amely szintén elvégzésre kerül� mérés az árnyék alakjának és mértékének hatása szempontjából. Emellett néhány mérésre került sor az inverter jelalakjának ellen�rzése céljából. 2. RENDSZERLEÍRÁS A kifejlesztend� tervezett PV rendszer a PV Enlargement projekt keretén belül valósul meg. A gödöll�i rendszer 3 f� fotovillamos mez�b�l (alrendszerb�l) épül fel. Az egyik alrendszer 33 db ASE-100 típusú modulból (RWE Solar Gmbh.), a másik két alrendszer pedig egyenként 77 db DS40 (Dunasolar Kft.) típusú modulból kerül felépítésre. A rendszer összteljesítménye 9,7 kWp.
2.1 A helyszín kiválasztása
A tervezett rendszer felépítésére a legjobb hely lehet�ségeinek vizsgálatát a SZIE gödöll�i kampus területére végeztük. Három ígéretes lehetséges hely került számításba ezek el�nyeinek és hátrányainak összevetésével. Mindegyikén lehetséges a PV modulok déli tájolása és – mint a legfontosabb aspektus – mindegyik árnyékmenetes egész évben.
A lehetséges hely kiválasztásának prioritásai: árnyékmentesség, déli tájolású síktet�, egyszer� csatlakoztathatóság a villamos hálózathoz, az el�állított energia direkt felhasználása, védett biztonságos hely az adatgy�jt� rendszer és inverterek számára, a PV rendszer egyszer� demonstratív célú bemutathatósága.
A lehetséges helyszínek mérlegelése után az egyetemi Kollégium C épület (lapos tet� 1. ábra) került kiválasztásra (eredetileg a B épület teteje lett kiválasztva, de az a PPP program keretében felújításra kerül, ezért helyeztük át a rendszert a C épület tetejére).
A tet� mérete 15,7 m x 89,5 m, a hosszabb oldal nagyjából ÉD tájolású (kb. 5 fok eltérés K felé). A tet� egy részén mobiltelefon antennák és a kibújó épület adnak árnyékolást, de a fennmaradó terület is elegend� a rendszer telepítéséhez. Az adatgy�jt� és az inverterek elhelyezhet�sége (a kibújó épületben) elképzelhet�, a villamos betáplálás várhatóan megoldható. A rendszer tervezett elhelyezhet�ségét az 1. ábra szemlélteti.
El�nyök: könny� hozzáférhet�ség, könny� hibaelhárítási lehet�ség, körüljárhatóság, tet�be integrálásnál várhatóan olcsóbb installáció, egyszer� üzemeltetés, biztosított árnyékmentesség, egyszer� a hálózathoz történ� csatlakozás.
Hátrányok: távolabb van a tanszékt�l, bemutatás nehézkes.
SERES I., FARKAS I., KOCSIS L.
Gödöll� MTA-AMB K+F Tanácskozás
255
1. ábra: A PV rendszer telepítési helyszíne (kollégium C épület) 3. A RENDSZER MODELLEZÉSE A rendszer tulajdonságainak és tervének definiálása mellett fontos feladat a rendszer modellezésének vizsgálta is, amelyet szükséges elvégezni. Mivel a teljes tervezett rendszerben két különböz� típusú alrendszer lesz így a rendszer szimulációs vizsgálatát mindkét alrendszer típus esetében el kell végezni. A szimulációs m�veletek elvégzéséhez az Nsol szimulációs szoftvert alkalmaztuk, amely egy jól kidolgozott, kifejezetten szoláris szimulációra alkalmas szoftver.
A folyamatok fontosabb elemei: – az alkalmazási adatok feltüntetése, – a fontosabb bees� sugárzási adatok kiválasztása az adatbázisból, – és az el�állított energia adatok.
A következ� lépés a rendszer fizikai tulajdonságainak és villamos jellemz�inek megadása, úgy mint a rendszer egyen vagy váltófeszültsége és az alkalmazott inverter típusa. A szoftver eszköz adatbázisát f�ként az USA-ban használatos berendezések adják, de a program lehet�vé teszi az adatbázis b�vítését, esetünkben a tervezett rendszer adatainak adatbázisba történ� felvételét is. Végezetül a szimulációs folyamatból kapott információk alapján képet kaphatunk a rendszer viselkedésér�l, illetve az energia mérlegér�l. A kapott adathalmaz kiértékelhet� grafikus és táblázatos formában is. A két alrendszer típus (ASE-100 és DS-40) szimulációs eredményeit a következ�kben szemléltetjük.
Az egy panel teljesítmény értékeit az ASE-100 alrendszer esetében a 2. ábra szemlélteti.
Subsystem 1 (ASE-100)
0
0,5
1
1,5
2
0 5 10 15 20 25Time( hour)
PV
sys
tem
out
put k
W
January
July
2. ábra Az ASE-100 alrendszer napi teljesítmény eloszlása (ASE100)
SERES I., FARKAS I., KOCSIS L.
Gödöll� MTA-AMB K+F Tanácskozás
256
Az 6. ábra a rendszer javasolt elhelyezése esetén mutatja a bees� sugárzási adatokat. Insolation Analysis
Global Horizontal and Array Insolation by Month
GH Insol Array Insol
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec
Inso
latio
n
109
8765
43210
3. ábra A bees� sugárzás értékei vízszintes és a PV mez� síkjában
Végezetül a teljes rendszer becsült energiatermelésének értékeit havi lebontásban a 4. ábrán figyelhetjük meg.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
jan. febr márc ápr máj jún júl aug szept okt nov dec
AC System output kWh/mon ASE-100 AC System output kWh/mon DS40 Pv-grid AC Sys output Gödöll�
Id� (hón
kWh (hóna
4. ábra A rendszer havi energiajövedelme
4. MÉRÉSEK A fotovillamos modul, mint összetett villamos rendszer egyik fontos jellemz�je az áram-feszültség (I-V) karakterisztika, amelyb�l a modulnak a különböz� terhelések melletti feszültsége és áramleadása, vagyis a teljesítménye határozható meg. A görbe deriváltjából kiolvasható a maximális teljesítmény� ponthoz (MPP) tartozó áram és feszültségérték. Az 5. ábrán az ASE-100 modul mért I-V karakterisztikája látható.
00,5
11,5
22,5
33,5
4
0 5 10 15 20 25 30
voltage [V]
curr
ent [
A]
5. ábra: I-V karakterisztika árnyékmentes panel esetén
Közismert, hogy a fotovillamos modulnál a felület aránylag kis részének árnyékolása is jelent�s teljesítménycsökkenést okoz, mert ilyenkor az árnyékolt részek fogyasztókká válnak (rövidzár). Az ábrán látható 8% árnyékolt felületet jelent� rúd például közelít�leg 1/3-os teljesítménycsökkenést okozott. A következ� két ábrán olyan modulok karakterisztikája látható, ahol a modulnál 1 cellát árnyékoltunk (6. ábra), illetve a modult egy 5 cm széles rúddal árnyékoltuk (7. ábra).
Feszültség (V)
Ára
m (A
)
SERES I., FARKAS I., KOCSIS L.
Gödöll� MTA-AMB K+F Tanácskozás
257
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
0 5 10 15 20 25 30voltage [V]
curr
ent [
A]
6. ábra: I-V karakterisztika egy olyan panelre, ahol az egyik cella árnyékolt
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
0 5 10 15 20 25 30
voltage [V]
curr
ent [
A]
6. ábra: I-V karakterisztika egy olyan panelre, amelyre egy rúd vet árnyékot
A fotovillamos modulok mellett az inverterek ellen�rzése is megkezd�dött. Az inverter 196 – 600 V egyenfeszültséget konvertál át 230 V, 50 Hz–es váltófeszültséggé, amit a villamos hálózatba táplál. A betáplálás a hálózati fázishoz szinkronizálva történik. 5. EREDMÉNYEK A megépítend� fotovillamos rendszerhez elkészültek a rendszer építészeti, villamos kapcsolási tervei és az adatgy�jt� rendszer bekötési terve. A telepítéshez szükséges el�zetes hatósági engedélyek beszerzésre kerültek Jelenleg az eszközök beszerzése folyik, amelyek segítségével a próbaméréseket végezzük. Ezen mérések egy részét mutattuk be a dolgozatban. Köszönetnyilvánítás: A kutatás a PV Enlargement EC, NNE5-2001-00736, a KAC F-17-03-00011, a TÉT RO-11/2002 és az OTKA T-042520 pályázatok támogatásával valósult meg. 6. IRODALOM (1) Markvart, T. (1996), Solar electricity, J. Wiley and Sons, N. Y., pp.152-165.
(2) Wiemken, E. Beyer, H.G. Heydenreich and W. Kiefer, K. ( 2001), Power characteristics of PV ensembles Experiences from the combined power production of 100 grid connected PV system distributed over area of Germany, Solar Energy, Vol. 70, No 6, pp 513-518.
(3) Rege, T. Hoffmann and V. Kiefer, K. (2001), The German experience with grid-connected PV systems, Solar Energy, Vol. 70, No 6, pp 479-487.
(4) Farkas,I.-Seres,I.-Bartha,S.-Teodoreanu,D.I.: Designing of a middle scale PV grid connected system, CD-ROM Proceedings of the Solar and Wind International Conference and Workshop (SWIC 2003), ICPE - Agigea Test Facility Site, Romania, Sept. 15-20, 2003. p. 6.
Feszültség (V)
Feszültség (V)
Ára
m (A
) Á
ram
(A)