Чтение RSS Все о РадиоЭлектроТехнике » РадиоЭлектроника » Остальное » Стакан солнечной энергии наполовину полон

Книги по радиоэлектронике

Новости партнеров

Малогабаритный частотомер с питанием от литиевого элемента
     Прототипом этого прибора послужил частотомер, описанный в статье И. Котова («Радио», 2008, № 2, с. 21, 22). Переделка свелась к замене батареи питания 6F22 литиевым ...
Microchip. Информацинный каталог. 2014
Название: Microchip. Информацинный каталог Год издания: 2014 Страниц: 88 Формат: djvu Размер: 17,34 MB Описание: Предлагаем вашему вниманию очередное издание информационного каталога ...
Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family
Название: Microcontrollers From Assembly Language to C Using the PIC24 Family Автор: Robert Reese, J.W. Bruce, Bryan A. Jones Год издания: 2009 Страниц: 865 Формат: pdf Размер: 9,58 MB ...

Стакан солнечной энергии наполовину полон

 Опубликовано: 27-09-2014, 16:57  Комментариев: (0)


Введение

Ответ на вопрос, является ли стакан «наполовину полным» или «наполовину пустым», часто обоснован тем, являетесь ли вы оптимистом или пессимистом. Критики солнечной энергии обычно рассматривают вопрос с точки зрения экономических затрат на солнечные энергетические установки. Но ведь после завершения монтажа затраты на получение энергии практически равны нулю. Мы обсудим разницу между подходами «цена за ватт» и «цена за ватт-час», и то, как электронные модули могут помочь оптимизировать общую эффективность системы.

Билл Свит (1) (Bill Sweet) недавно процитировал высказывание, подобное «закону Мура» (Moore): «Стоимость монтажа солнечной энергетической установки падает примерно на 20% при каждом удвоении мощности установки». Поскольку этого ещё не случилось, стакан кажется наполовину пустым.

PV-массив и блок-схема испытаний

Рисунок 1. PV-массив и блок-схема испытаний

Индустрия солнечной энергетики соглашается с необходимостью помочь снизить затраты на установку. Однако они предпочитают анализ на основе критерия «цена за киловатт-час». Веб-сайт Solarbuzz (2) отслеживает цены и тенденции. Они показывают отличия между автономной и промышленной солнечной энергией. Стоимость автономной составляет около $0,35/кВт-час, тогда как стоимость промышленной приближается к $0,20/кВт-час. Эти цифры всё-таки указывают на то, что «стакан не является наполовину полным», хотя и приближаются к этому.





Вместо того чтобы сравнивать стоимость солнечной энергии и энергии от других источников, не следует ли задать вопрос: «Хотите ли Вы жить в доме, получающем энергию только от солнца?» Этот вопрос обсуждался на Solar Decathlon. Каждый участник сконструировал жилой дом, для которого повседневная домашняя деятельность и предлагаемое инженерное решение оценивались с точки зрения рынка. По отзывам участников, они считают, что стакан наполовину полный. Они верят, что питание дома от солнечной энергии более разумно, когда используются энергосберегающие устройства. При рассмотрении целесообразности создания дома, питающегося только от солнца, и соответствующих эффективных электроприборов стакан бесспорно может считаться наполовину полным.

Рассмотрим солнечные энергетические системы и обсудим, что может быть сделано для улучшения их характеристик.

Характеристики фотоэлектрических модулей

Солнечные элементы, при соединении их последовательно или параллельно, образуют фотоэлектрические (PV) модули. В типичном автономном или включённом в энергетическую сеть устройстве PV-система состоит из одного или более PV-модулей, соединённых в последовательную гирлянду с целью повышения напряжения в системе. Эти гирлянды соединяются параллельно для образования PV-массива и повышения тока в системе. Задачей такой системы или массива является отдача максимальной мощности в нагрузку. Поскольку, в случае системы постоянного тока, мощность, отдаваемая солнечным элементом/модулем/ массивом, представляет собой произведение тока на напряжение, очень важна гарантия того, что отдача мощности происходит в той точке кривой IV (ток-напряжение), где произведение I×V максимально. Это точка максимальной мощности (MPP).

Предположим, что MPP для одной из цепочек может не совпадать с другими из-за технологического разброса и/или изменения облучения от затенения модуля. С помощью электроники можно избежать такого рассогласования. Для разработки и создания оптимальной электроники модулей важно характеризовать и понимать поведение параметров фотоэлектрических модулей при различном облучении и разных окружающих условиях.

Конфигурация фотоэлектрического массива

Перед тем как разобраться с поведением параметров модулей, необходимо разобраться с конфигурацией PV-массива (рисунок 1).

Восемь модулей (SP01-SP08), соединённых последовательно, подключаются к инвертору гирлянды 1. Аналогично другие восемь модулей подключаются к инвертору гирлянды 2. Все шестнадцать модулей выполнены из солнечных элементов на основе монокристаллического кремния от одного изготовителя и рассчитаны на 215 Вт при нормальных условиях эксплуатации, то есть 1000 Вт/ м2 и 25 °C. Энергия переменного тока от инверторов направляется в локальную энергосистему. Характеристики каждого модуля могут контролироваться по отдельности для управления положением MPP.

IV- и PV-характеристикимодуля

На рисунке 2 показаны кривые IV (ток-напряжение) и PV (мощность-напряжение) для одного из модулей (SP08) при уровне облучения 1050 Вт/м2. MPP располагается вплотную к перегибу кривой IV, где произведение тока на напряжение максимально.

Кривые IV и PV для PV-модуля показывают максимальную мощность, отдаваемую при этих условиях

Рисунок 2. Кривые IV и PV для PV-модуля показывают максимальную мощность, отдаваемую при этих условиях

Кривая IV при различных условиях облучения

Рисунок 3. Кривая IV при различных условиях облучения

Изменение условий облучения снижает вырабатываемый ток ISC и, в меньшей степени, напряжение VOC (рисунок 3). Для большинства промышленных блоков IV-перестройка занимает от 2 до 3 с (3). Этим предотвращается появление ложных пиков и провалов на кривой, которые могут возникать при наличии облачности.

Несогласованность модулей

На рисунке 4 показана несогласованность модулей при заданных условиях облучения. Уровень несогласованности меняется от -0,9 до +1,25%. Несогласованность может увеличиваться при наличии неподвижных или движущихся облаков или при изменении других реальных условий. В такой ситуации может быть полезна электроника модулей.

Несогласованность при 1015 Вт/м<sup>2</sup>

Рисунок 4. Несогласованность при 1015 Вт/м2

При отсутствии условий для несогласованности суммарная максимальная мощность от массива (восемь модулей, соединённых в гирлянду) равна сумме мощностей отдельных модулей. Без настройки MPP и при наличии условий для несогласованности суммарная максимальная мощность, отдаваемая массивом, всегда меньше суммы максимальных мощностей отдельных модулей, поскольку ряд модулей работает ниже их точки максимальной мощности. При уровне облучения 1015 Вт/м2 для массива из соединённых модулей SP01-SP08 несогласованность составляет 2,4%, что соответствует потере 37 Вт мощности.

Преимущества электронных модулей

Многие небольшие и некоторые крупные компании используют электронные модули для улучшения энергетических характеристик и контроля/управления модулями солнечных батарей. Электронные модули делятся на две категории: микроинверторы (DC/AC-преобразование постоянного тока в переменный) или микроконвертеры (DC/DC-преобразование постоянного тока в постоянный). Микроинверторы преобразуют энергию таким образом, что она может быть подана непосредственно в линию переменного тока для подключения к коммунальной энергосистеме. А микроконвертеры преобразуют меняющийся ток от PV-модулей для согласования выходных токов модулей, входящих в гирлянду. Объединённый ток гирлянды используется в гирлянде большего размера или в центральном инверторе для подачи энергии переменного тока в энергосистему. И в случае микроинвертора, и в случае большого центрального инвертора данная энергосистема должна обеспечивать множество потребителей. Независимо от типа электроники модуля принцип остаётся одним и тем же: эксплуатировать каждый отдельный солнечный модуль в точке IV, обеспечивающей максимальную отдачу электроэнергии при данном уровне солнечного облучения.

PV-модули при стабильной температуре вырабатывают практически постоянное выходное напряжение. При этом их выходной ток изменяется в зависимости от уровня облучения. При типовом соединении в последовательную гирлянду ток в гирлянде постоянен для каждого модуля. Это не является проблемой, если все модули обладают абсолютно одинаковыми выходными характеристиками IV и подвергаются солнечному облучению одного уровня.

Однако если характеристики PV-модулей различны или ток, вырабатываемый одним или несколькими модулями, отличается из-за затенения, это оказывает влияние на выходной сигнал всей гирлянды, поскольку модули имеют ограниченные возможности как для компенсации различий между своими собственными выходными токами, так и для компенсации общего тока гирлянды. При этом выходное напряжение затенённого модуля может быть значительно понижено или даже реверсировано. Для предотвращения этого используются защитные диоды, шунтирующие PV-модули. В результате при частичном затенении даже одного модуля общая энергия, вырабатываемая гирляндой, значительно снижается.

Добавление микроконвертера к PV-модулям даёт два преимущества:

  1. Каждый модуль постоянно работает в точке максимальной мощности (MPP) за счёт увеличения или уменьшения тока модуля таким образом, чтобы произведение тока на напряжение постоянно имело максимальное значение.
  2. Конвертер преобразует меняющуюся из-за изменений выходного напряжения энергию модуля в соответствии с током, протекающим в последовательной гирлянде. Это позволяет судить об MPP каждого PV-модуля по напряжению, которое он вносит в гирлянду, независимо от его IV-характеристики или от уровня солнечного облучения.

На рисунке 5 показана типовая блок-схема микроконвертера, устанавливаемого в единичном солнечном PV-модуле. Основными элементами являются: мощный полумостовой каскад, микроконтроллер и вспомогательный источник питания. Полумостовой каскад обеспечивает возможность работы микроконвертера как в режиме понижения, так и в режиме повышения напряжения путём переключения режимов преобразования. Понижающее плечо образовано парой синхронизированных ключей S1-S2, а повышающее плечо - ключами S3-S4. Когда VPV ≥ VO, активно понижающее плечо. Когда VO ≥ VPV, активно повышающее плечо. Какое бы плечо ни было активно, противоположная сторона бездействует, а её верхний ключ постоянно включён.

Управление полумостом является достаточно сложным. Оно должно обеспечивать безразрывный переход между режимами понижающего и повышающего преобразования, каждый из которых имеет свой собственный набор корректирующих воздействий. Оно должно постоянно контролировать напряжение и ток как на входных, так и на выходных клеммах. Этим определяется режим работы, а также состояние IV, соответствующее MPP модуля. Необходимость отслеживания точки максимальной мощности (MPPT) требует использования встроенного цифрового управления. На рисунке 5 показан микроконтроллерный блок (MCU). Преобразование мощности должно выполняться с очень высоким КПД.

Для определения MPP PV-модуля используются несколько способов (4). Эти способы включают: простой режим работы с постоянным напряжением, метод введения возмущений и наблюдения за ними (P&O), а также способы расчёта MPP с дополнительным использованием результатов измерения температуры модуля и уровня солнечного облучения. Два наиболее популярных метода обеспечивают хорошую точность и используют только результаты измерений VPV и IPV модуля при штатной эксплуатации: метод оптимизированного P&O и метод контроля проводимости.

При методе оптимизированного P&O усредняются несколько отсчётов мощности модуля при изменениях тока модуля. Эта информация используется для определения рабочей точки и динамической регулировки амплитуды и направления возмущений. Такой метод обеспечивает наилучшее соотношение эксплуатационных характеристик и затрат.

В методе контроля проводимости сравнивается текущее значение проводимости (IPV/VPV) и приращение проводимости (dIPV/dVPV). Если IPV/VPV = -dIPV/dVPV, то PV-модуль работает в своей MPP. По сути, система увеличивает и уменьшает ток модуля для нахождения точки, в которой происходит пропорциональное изменение напряжения модуля. Этот метод обеспечивает лучшие показатели при высоких уровнях облучения и обладает быстрым откликом на быстро меняющиеся условия. Однако он не столь точен, как метод оптимизированного P&O при малых уровнях облучения (<30%).

Блок-схема микроконвертера солнечного элемента

Рисунок 5. Блок-схема микроконвертера солнечного элемента

Экономический эффект от применения в модулях электронных узлов может быть проанализирован только с точки зрения стоимости дополнительно полученной электроэнергии. Энергия, полученная от гирлянды с рассогласованием или затенением одного модуля, может быть значительной. Микроконвертер может возвратить до 50% энергии от частично затенённого модуля, вклад напряжения от которого может в противном случае снизиться до нуля. Поскольку затенение может присутствовать в течение нескольких часов ежедневно, несогласование модулей присутствует постоянно. Оценив возвращённую энергию, можно рассчитать экономию в долларах. Выражение 1 позволяет рассчитать ежегодную экономию G ($), из ESAVED, или энергии, возвращённой за день (в кВт-час), и RATE, или местного тарифа на электроэнергию (в $/кВт·ч):

Экономия электроэнергии должна быть уменьшена на величину общегодовых затрат на узел электроники модуля. Очередной взнос на приобретение узла, A ($), в предположении, что он выплачивается по окончании срока службы, рассчитывается с использованием коэффициента восстановления капитала (CRF) (5) по выражению 2:

где PE($) = исходная стоимость узла, i = процентная ставка (APR% ÷ 100), n = срок ссуды или срок службы в годах. При окончательном анализе экономическое обоснование требует, чтобы A($) ≤ G($).

Пример. Полагая, что возвращённая за день энергия составляет 0,06 кВт-час, и используя выражение 3 для определения критических издержек для микроконвертера в предположении фиксированного местного розничного тарифа 12 ¢/кВт·ч и ссудного процента, составляющего 7% APR для 25-летнего срока службы, определим, какова будет исходная стоимость узла (выражение 3):

Ответ. PE ($) ≤ $30,63.

Эта оценка представляет собой выгоду, обеспечиваемую всего лишь одним узлом электроники модуля, установленным на одном PV-модуле в гирлянде. Рисунок 4 отражает типовую выгоду от использования микроконвертера, получаемую при хорошем монтаже и после учёта эффективности преобразования энергии. Это эквивалентно 3-7% суммарной энергии, вырабатываемой модулем. Возвращаемое количество увеличивается для гирлянды с плохим согласованием модулей или частично затенённой гирлянды.

Преимущества защиты, контроля и управления

Установленная в модуль электроника может выполнять и другие функции помимо преобразования мощности и MPPT, например функции защиты, контроля и управления. В традиционных гирляндных установках отдельные последовательно включённые элементы гирлянды не могут быть отключены в случае пожара. При отключении энергосистемы в случае пожара отключается только выход инвертора гирлянды. Во многих городах существуют требования к обследованию правильности установки, но в них отсутствуют требования по отключению. В какой-то момент, по мере возрастания числа систем, придёт соответствующее понимание и вмешаются страховые компании. Системы с микроконтроллерным управлением могут быть приспособлены к такой ситуации.

Функции контроля и управления являются желательными. С их помощью могут быть обнаружены такие проблемы, как загрязнение поверхности модуля или возникновение тени от деревьев и новых сооружений, и может быть отправлен запрос на обслуживание.

Заключение

Стакан солнечной энергии наполовину полон? Это зависит от перспективы. Если рассматривать только стоимость ватта энергии, системы кажутся неконкурентоспособными и не имеют перспектив в ближайшем будущем. Однако если рассматривать интеллектуальную сеть и возможность управления многими распределёнными источниками энергии с изменяющимися характеристиками, солнечная энергия может стать решением проблемы. Установка 4-кВт солнечной батареи на доме или офисе представляется более привлекательной по сравнению с установкой 4-кВт станции, работающей на угольной пыли. Система солнечных батарей в сочетании с эффективным использованием энергии может оказаться гораздо более привлекательной. Солнечная энергия не нова, но к ней необходимо привлечь внимание. Ранее при создании подобной установки особое внимание уделялось стоимости при минимальном управлении на уровне модуля. В случае использования встроенной электроники модулей, стоимость которой составляет около $30, управление солнечными модулями становится реальностью. Мы считаем, что стакан наполовину полон и имеются перспективы на увеличение его содержимого.

Литература

  1. Photovoltaic Grid Parity (Паритет фотоэлектрических энергосетей), Bill Sweet, ноябрь 2009 г., IEEE Spectrum Energy Wise News.
  2. /
  3. Performance Evaluation of Solar Photo Voltaic Modules Under Field Conditions Through a Quick Diagnostic Tool (Оценка характеристик солнечных фотоэлектрических модулей в полевых условиях посредством устройства для быстрой диагностики), Труды всемирного конгресса ISES 2007 (том I - том V), Springer Berlin Heidelberg.
  4. Energy comparison of MPPT techniques for PV Systems (Сопоставление энергий, полученных по технологии MPPT для фотоэлектрических систем), Roberto Faranda и Sonia Leva, WSEAS TRANSACTIONS on POWER SYSTEMS, Выпуск 6, том 3, июнь 2008 г.
  5. Renewable and Efficient Electric Power Systems (Возобнавляемые и эффективные энергосистемы), by Gilbert M. Masters. Pub. John Wiley & Sons, Inc.