Mariusz SarniakPolitechnika Warszawska

BADANIA WSTĘPNE WPŁYWU PRZESTRZENNEGOPOŁOŻENIA PANELI PV NA EFEKTYWNOŚĆGENEROWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Słowa kluczowe

Fotowoltaika, ogniwo, panel, moduł, energia słoneczna, promieniowanie słoneczne.

Streszczenie

W pracy omówiono podstawowe powody, dla których warto wg autora przeprowadzićbadania nad pozycjonowaniem paneli PV w celu zwiększenia efektywności energetycznej.Podkreślono brak jakichkolwiek efektów ubocznych przy produkcji energii elektrycznejz wykorzystaniem efektu konwersji energii promieniowania słonecznego bezpośrednio naenergię elektryczną. Zaproponowano plan badań i przedstawiono wyniki wstępnycheksperymentów potwierdzających potrzebę prowadzenia dalszych prac badawczych.Wyciągnięte zostały wnioski, co do kierunku dalszych badań eksperymentalnych.

Wprowadzenie

Systemy fotowoltaiczne (PV), zgodnie z zasadą zachowania energii, przetwarzająenergię promieniowania słonecznego, docierającą do powierzchni Ziemi, bezpośrednio naenergię elektryczną. Do naszej planety dociera ok. 8000 razy więcej energii słonecznej niżwynosi aktualnie jej globalne zużycie [3]. Nie stwierdzono przy tym żadnych istotnychczynników destrukcyjnie wpływających na środowisko naturalne, a zasoby energii słonecznejsą praktycznie, w dającej się przewidzieć perspektywie, niewyczerpywalne.

U podstaw teoretycznych fotowoltaiki leży przypadkowo odkryte w 1839r. przezBecquerela zjawisko, polegające na absorbowaniu przez materiał półprzewodnikowypromieniowania słonecznego i generowaniu energii elektrycznej. Teoretycznie efektfotowoltaiczny opisał w 1904r. Einstein (m. in. za co otrzymał Nagrodę Nobla w 19211'.),a pierwsze efektywne ogniwo fotowoltaiczne skonstruowano w 1954r. w Bell Laboratories.Powstanie ogniw zapoczątkowało prowadzenie ciągłych prac nad konstruowaniem modułówfotowoltaicznych, których produkcja na skalę przemysłową ciągle rośnie.

Duży postęp technologiczny oraz gwałtowny spadek cen modułów PV w ostatnichlatach jak również coraz intensywniejsze poszukiwania alternatywnych źródeł energiiprzyjaznej środowisku spowodowały, że warto zainteresowania badawcze skierować na tenwciąż niedoceniany sposób pozyskiwania energii. Najnowsze podsumowania roku 2004 podwzględem zainstalowanych instalacji fotowoltaicznych świadczą o tym, że Niemcy pod tymwzględem przewyższyły dotychczasową dominację Japonii [4]. Decydujący wpływ na taki stanrzeczy miało sprzyjające rozwojowi fotowoltaiki w Niemczech prawodawstwo (wysokagwarantowana cena odkupu .zielonej" energii) i narodowy program ,,1 000000 słonecznychdachów". Zakładając, że warunki klimatyczne są niesprzyjające dla zastosowańfotowoltaicznych oraz występują duże problemy z magazynowaniem energii elektrycznej,

165

1. Aktualny stan badań i geneza podjętego tematu pracy

trzeba podkreślić stosunkowo dużą podatność paneli PV na tworzenie hybrydowych systemózasilania. Najczęściej w autonomicznych systemach fotowoltaicznych stosowane są połączeniaz siłowniami wiatrowymi [5].

Dostępne publikacje z zakresu fotowoltaiki wskazują na liczne zalety systemófotowoltaicznych jako źródła energii elektrycznej:• rozproszony charakter źródła energii (brak kosztów przesyłu),• korzystny dobowy profil produkcji (największa produkcja w czasie najwyższego zużycia),• możliwość zastosowania jako źródła energii w postaci systemów autonomicznych j

i dołączonych do sieci, gdzie nie istnieje problem magazynowania energii,• zastosowanie w elektronice powszechnego użytku (kalkulatory,' telefony, itp.).

Systemy fotowoltaiczne wykorzystują promieniowanie całkowite, które składa sięz promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. Tu pojawia się problem, polegający na tym.że promieniowanie bezpośrednie można lepiej wykorzystać, np. przez odpowiednie pochyleniepanelu PV w stosunku do poziomu, co z kolei przynosi odwrotny skutek przy promieniowanierozproszonym. Kolejnym problemem jest spadek efektywności paneli wraz ze wzroster;temperatury. To legło u podstaw zainteresowania się tą problematyką pod kąterazaprojektowania w przyszłości mechanizmu automatycznego pozycjonowania paneli PY.uwzględniając aspekt ekonomiczny przedsięwzięcia. Obecnie zdecydowana większośćinstalacji fotowoltaicznych jest' montowana w stałym, ściśle określonym położeniu, którenajczęściej jest wyznaczane doświadczalnie. Istniejąjednak nieliczne badania [l, 2] wskazującena możliwość zwiększenia efektywności energetycznej paneli PV nawet do 30% dzię -zastosowaniu, tzw. "śledzących" zespołów paneli PV. Z punktu widzenia użyteczności tegdziałania istotna jest sprawność procesu konwersji energii promieniowania słonecznegoenergię użyteczną. Z przeprowadzonych badań wynika, że dla Europy Środkowej maksymroczny uzysk energii uzyskano przy ustawieniu paneli w kierunku południowym pochylonypod kątem 30 stopni od poziomu.

2. Plan, zakres i przykładowe wyniki badań wstępnych

Badania ogniw, czy paneli PV dla zapewnienia porównywalności wyników przyj.przeprowadzać w warunkach określonych w STC {ang. Standard Test Conditions) [3]. Jednaktego typu badania mają na celu głównie określenie parametrów elektrycznych, anajczęście;chodzi tu o ,,zdejmowanie", tzw. charakterystyk I-V (prądowo-napięciowych). Uzyskanieparametrów, określonych w STC w warunkach klimatycznych Europy Środkowej jpraktycznie niemożliwe, a i specyfika proponowanego planu badań nie wymaga ich spełnienia..

Do wstępnych badań przygotowany został eksperymentalny minipanel PV, składaj ,się z sześciu połączonych szeregowo krzemowych solarnych ogniw zamkniętych o wymiar46x26 mm [6]. Jako przyrządy pomocnicze wykorzystano: kompas, poziomnicę, termomi zegar. Jako wyniki pomiarów przy różnych położeniach minipanelu rejestrowano napi '=

prądu stałego otwartego (bez obciążenia) ogniwa mierzone miernikiem uniwersalnz dokładnością do 0,01 V. Jako kryterium efektywności funkcjonalnej przyjęto maksymałnąwartość napięcia prądu stałego, generowanego przez minipanel PV. Dla ułatwienia interpre -wyników rejestrowano szereg dodatkowych danych, co przedstawiono w postaci taz przykładowymi wynikami badań (Tab. 1). Zakres badań obejmował 3 położenia kie(Wschód, Południe i Zachód) oraz 4 różne kąty pochylenia minipanelu. Badania prowadzoo różnych godzinach w ciągu doby i w różnych warunkach pogodowych.

166

Tabela l. Przykładowe wyniki przeprowadzonych badań

Warunki przeprowadzenia badań:Data: 20.05.2005 Godzina i pogoda: 11oD-słońce

Miejsce: PłockTemperatura 26°Cpowietrza:

Wyniki pomiarów:

Napięcie prądu Kąt pochylenia [w stopniach]stałego [w V] O 30 60 90

~Wschód 3,35 3,25 3,11

Południe 3,16 3,20 3,18 3,12aJ~ Zachód 3,14 2,85 2,76

Zaprezentowane wyniki badań wskazują, że w tym konkretnym przypadku decydującymtypem promieniowania było promieniowanie bezpośrednie (słońce). Na wykresie słupkowym(Rys. 1) widać, że największą wartość napięcia dla nieobciążonego minipanelu PV uzyskanow podanych warunkach dla kierunku wschodniego przy pochyleniu 30 stopni względempoziomu.

Szczegółowa analiza przeprowadzonych wstępnych badań potwierdza, że wartośćoptymalna pochylenia panelu w określonej porze roku (tu wiosna) wyraźnie stabilizuje się naokreślonym poziomie (tu ok. 30 stopni). Wyjątek od tej reguły stanowią wyniki pomiaróww pochmurne dni kiedy to optimum uzyskiwano dla kąta pochylenia O stopni, co oczywiścieświadczy o decydującym wpływie promieniowania rozproszonego na całkowitepromieniowanie docierające do panelu. Dyskretny zakres pomiaru kąta w badaniachszczegółowych powinien być rozszerzony w zakresie od Odo 90 stopni względem poziomu.

Kierunek ustawienia panelu miał decydujący wpływ na ustalanie optymalnych wartościnapięcia dla różnych godzin w ciągu doby. I tak w prezentowanych wynikach przykładowychoptimum zanotowano dla kierunku wschodniego (godzina przedpołudniowa). Podobnie jakpoprzednio dyskretny zakres prowadzonych badań szczegółowych należałoby rozszerzyćod Północny-Wschód do Północny-Zachód. .

Kłopotliwa jest interpretacja uzyskanych wyników· w niekorzystnych warunkachpogodowych, tzn. w warunkach braku promieniowania bezpośredniego. Wydaje się,że w takich sytuacjach optymalne położenie panelu to położenie poziome. Tak więc ustaleniepołożeń kątowo-kierunkowych i próba sterowania panelem bez elementu sprzężenia zwrotnegow postaci monitorowania aktualnych warunków pogodowych, może prowadzić do znacznychstrat w stosunku do stałego położenia panelu.

167

3,50

3,00

O 2,50ł~ 2,001->'•• ił12._.!!U 1,60

iZ

1,00

0,50

0,0030KAlt pochylenia względem

poziomu[w stopniach)

Zachód

Rys. 1. Wykres dla przykładowych wyników badań wstępnych, przedstawionych w Tabeli 1

Podsumowanie

Wstępne wyniki badań wpływu przestrzennego położenia paneli PV na ich efektywnośćenergetyczną wykazały potrzebę przeprowadzenia badań szczegółowych w tym zakresieo poszerzonym zakresie kąta i kierunku. Wyniki tych badań będą podstawą do zaprojektowaniamechanizmu automatycznej regulacji ze sprzężeniem zwrotnym. Podczas badań dodatkowonależy mierzyć temperaturę panelu, aby wyeliminować jej wpływ na wyniki pomiarówi ewentualnie, gdy taka potrzeba zaistnieje, zaproponować metodę chłodzenia panelu PV.

Wyniki badań szczegółowych powinny dać odpowiedź, czy przy obecnym poziomie cenpaneli PV - sterowanie ich położeniem będzie ekonomicznie opłacalne. Podobna analizazaprezentowana w pracy [2] dowodziła, że rozwiązania te są nieopłacalne, ale trzeba tuzauważyć, iż było to robione blisko 20 lat temu. Potwierdzenie tamtych wyników przyobecnym poziomie cen rynkowych pozwala przypuszczać; że to się może opłacać. Po częściwskazują na to wstępne wyniki badań zaprezentowane w pracy.

Bibliografia

1. Baltas P., Tortoreli M., Russell P. E.: Evaluation of power output.for fixed and step trackingphotovoltaic arrays. Solar Energy 37, 147, 1986.

2. Goetzberger A., Stahl W.: Comparison of yearly efficiency and cost of energy for stationary,tracking and concentrating PV systems. Proc. of the 7th Photovoltaic Solar EnergyConference, Seville, 1986.

3. Szkolenie z dziedziny fotowoltaiki - materiały szkoleniowe -- w ramach projektuSOLTRAIN z programu ALTENER (kontrakt nr 4.1030/Z/02-67). Warszawa, 2004.

4. Politechnika Warszawska, Centrurn Fotowoltaiki, ~005.@: http://www.pv.pl.

168

5. GTB-SOLARIS, 2005, @: http://www.gtb-sol:iris.pl.

6. Ulotka informacyjna dołączona przez dystrybutora ogniw solarnych o parametrach: 450mV,lOOrnA, 2005, @: http://www.conrad.pl/picII1I19/80/198030.pdf.

Recenzent:

Sławomir LAMOWSKI

PRELIMINARY INVESTIGATION INFLUENCEOF THREE-DIMENSIONAL ORIENTATION PV SYSTEMS ON EFFICIENCY

OF ELECTRIC ENERGY GENERATE

Summary

In this paper discuss fundamental genesis of the preliminary investigation influenceof three-dimensional orientation PV systems on efficiency of electric energy generate. Proposescheme of detailed investigation. Present results of the preliminary investigation and drawthe conclusion.

169