Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

MPPT część 2 - Jak policzyć rzeczywistą moc uzyskiwaną z paneli fotowoltaicznych?

W pierwszej części artykułu omówiliśmy podstawowe parametry paneli solarnych (fotowoltaicznych). Wiemy, że aby uzyskać całą dostępną w danej chwili moc, trzeba tak obciążyć panel, żeby iloczyn prądu i napięcia odpowiadał wierzchołkowi charakterystyki mocy w danych warunkach.
Article Image

Zanim przejdziemy do takich rozwiązań, najpierw musimy dokładniej omówić problemy, bariery oraz prostsze, bardzo popularne rozwiązania.

Problemy i ograniczenia - panele fotowoltaiczne

Moc promieniowania słonecznego, docierającego do panelu solarnego, jest zaskakująco duża. Nie wdając się w szczegółowe rozważania, można przyjąć, że około południa w letni dzień wynosi 1000 watów na każdy metr kwadratowy powierzchni. Kilkaset watów z tej energii można uzyskać w tzw. solarnych podgrzewaczach wody, ale one nie produkują energii elektrycznej. Parametry paneli fotowoltaicznych są określane właśnie przy natężeniu promieniowania 1000W/m2. Niestety, z jednego metra kwadratowego panelu fotowoltaicznego uzyskamy dużo mniej energii elektrycznej.

Owszem, są doniesienia o panelach o sprawności bliskiej 40%, ale chodzi o laboratoryjne prototypy z różnych kosztownych materiałów. Niektórzy na podstawie informacji prasowych wierzą, że dostępne są krzemowe panele o sprawności powyżej 20%. Praktyka pokazuje, że należy raczej liczyć na kilkanaście procent. Ale nawet moc 100...200W z metra kwadratowego jest duża! Ogólnie biorąc, parametry nominale, podane na panelu i w karcie katalogowej, są bardzo zachęcające, nawet przy uwzględnieniu ceny. Niestety, rzeczywistość z wielu powodów jest bardzo odległa od oczekiwań i wyobrażeń. Zacznijmy od mocy.

Moc nominalna paneli FV - STC

Otóż podana w katalogu moc nominalna panelu jest optymistycznie duża, ale niestety moc nominalna dotyczy sztucznych warunków laboratoryjnych. Na wielu panelach znajdziemy naklejki zawierające informacje o mocy i warunkach jej pomiaru. Określa je skrót STC, oznaczający Standard Test Conditions, czyli standardowe warunki testowe: 1000W/m2, +25°C i AM1.5 przy określonym normą standardowym spektrum światła. AM to skrót od Air Mass, a wartość 1,5 wskazuje na drogę i filtrowanie światła słonecznego w atmosferze charakterystyczne dla średnich szerokości geograficznych.

Laboratoryjne warunki STC są zdecydowanie nierealne. Choć rzeczywiście moc promieniowania słonecznego latem w średnich szerokościach geograficznych (AM1.5) może wynosić 1000W/m2, jednak absolutnie niemożliwe jest wtedy utrzymanie temperatury paneli +25°C. Temperatura ogniw w takich warunkach jest dużo wyższa, a to powoduje spadek wytwarzanej mocy elektrycznej.

Panele FV - norma PTC (PVUSA Test Conditions)

Dlatego w połowie lat 90. w USA opracowano pokrewną, nieco bliższą rzeczywistości normę: PTC (PVUSA Test Conditions), gdzie przy mocy promieniowania 1000W/m2 zasadniczo przyjęto, że panel będzie pracował w temperaturze otoczenia +20°C i że będzie chłodzony wiatrem o prędkości 1m/s z założeniem, że temperatura pracującego panelu wzrośnie do około 45°C. Moc elektryczna mierzona w warunkach PTC jest około 15% mniejsza, niż zmierzona w warunkach STC.

Okazało się, że i pomiar wg PTC daje wyniki lepsze niż w rzeczywistości, dlatego dziś definiuje się też moc paneli według NOCT (Nominal Operating Cell Temperature). Tu jest pewien drobny kłopot z definicją, ponieważ zasadniczo NOCT określa temperaturę (nieobciążonego!) panelu przy promieniowaniu 800W/m2, w temperaturze otoczenia +20°C i przy chłodzącym wietrze 1m/s.

Czym niższa temperatura NOCT, tym lepszy panel, bo mówiąc skrótowo „lepiej radzi sobie z ciepłem”. Jednak w wielu kartach katalogowych oprócz temperatury podawane są też parametry według NOCT, takie jak moc, napięcie i prąd, mierzone pod obciążeniem w punkcie MPP oraz prąd zwarciowy i napięcie w stanie jałowym. Dla tego samego panelu moc zmierzona w realnych warunkach według NOCT zwykle jest mniejsza od mocy nominalnej (STC) o około 25%!

Weźmy teraz panel 50-watowy E-450J oferowany przez Solar Electric Supply, Inc. (fotografia 1). Karta katalogowa dostępna jest pod adresem: https://bit.ly/2C2Hb9r. Kluczowe parametry podane są na rysunku 2.

Fot.1 panel 50-watowy E-450J Solar Electric Supply, Inc.

Według STC przy mocy promieniowania 1000W/m2 punkt mocy maksymalnej MPP to 17,5V, 2,9A (50,75W), stąd moc nominalna 50W. Tak, ale te 50 watów to „laboratoryjna”, nierealna moc STC. Moc maksymalna bliższa rzeczywistości, zmierzona według NOCT, to 36W, czyli dla tego panelu około 30% mniej!

Ten 50-watowy panel ma wymiary 84×54cm czyli powierzchnię 0,45m2, co z 1 metra kwadratowego dawałoby 110W, czyli sprawność około 11%. Taką sprawność podaje tabela (11,1%). Można też policzyć, że w realnych warunkach NOCT moc 36W daje 80W/m2, a to przy mocy promieniowania 800W/m2 daje w miarę realną sprawność przy silnym świetle dokładnie 10%. Na rysunku 2 jest informacja, że przy promieniowaniu 200W/m2 sprawność jest mniejsza o 5%. Nie znaczy, że spadnie z 11% do 6% (z 10% do 5%), tylko z 11,1% do 10,5% (z 10% do 9,5%). Ostatnia pozycja w tabeli z rysunku 2 to temperatura NOCT, mająca przyzwoitą wartość 47°C±2°C (dla słabszych paneli wynosi powyżej 50°C).

Rys.2 Karta katalogowa - panel 50-watowy E-450J Solar Electric Supply, Inc.

Panele FV - tolerancja

Kolejny problem z mocą dotyczy tolerancji. Nawet panele z tej samej serii produkcyjnej nie mają idealnie tych samych parametrów. Dobry producent będzie je selekcjonować na grupy o wąskiej tolerancji, a w katalogu pojawi się tolerancja 0...+3%.

Oznacza to, że panel na pewno ma podaną moc, ewentualnie nawet nieco większą. Innym, niewiele gorszym zapisem będzie tolerancja ±3%. Można sztucznie zawyżyć moc katalogową, podając tolerancję ±10% ze świadomością, że wszystkie dostarczane panele mieszczą się blisko dolnej granicy tolerancji. Nie wiadomo, czy tak jest w analizowanym przypadku.

Inny przykład masz na rysunku 3. Dane dotyczą 120-watowego panelu z oferty Centsys (www.centsys.com.au). Tutaj tolerancja mocy to tylko ±3%, wyższa jest deklarowana sprawność (14,8%), jednak są to tylko parametry laboratoryjne według STC.

Rys.3 120-watowy panel Centsys - parametry pracy

Wpływ temeratury na panele FV

Uważni Czytelnicy zapewne zauważą informacje o wpływie temperatury. Otóż przy wzroście temperatury nieco zwiększa się prąd, ale tylko około 0,1% na stopień Celsjusza. Niekorzystnie zmniejsza się napięcie, około 0,35%/°C, a co najważniejsze, znacząco zmniejsza się moc, bo około pół procent na każdy stopień! Według STC moc nominalna dotyczy temperatury +25°C, ale w upalne lato temperatura może wzrosnąć do +75°C. Temperatura wyższa od nominalnej o 50 stopni spowoduje zmniejszenie mocy elektrycznej o około 23%.

Na rysunku 3 podana jest też deklarowana trwałość: po 12 latach moc nie powinna być mniejsza niż 90% mocy nowego ogniwa, a po 25 latach nie mniejsza niż 80% mocy początkowej. Często podaje się też 2...5 lat gwarantowanej trwałości „mechanicznej”. Warto się zastanowić, na ile wiarygodne są warunki gwarancji i czy po latach uda się wyegzekwować gwarancję u sprzedawcy i producenta. Okazyjnie tanie moduły z niepewnych źródeł mogą w sumie okazać się fatalną inwestycją, w przeciwieństwie do sprawdzonych dostawców i producentów.

Kalkulacje rzeczywistej mocy dostarczanej przez panele FV

Wracamy do głównego wątku: podczas sezonu letniego w ciągu niewielu godzin około południa i tylko przy bezchmurnym niebie można uzyskać moc niewiele mniejszą od nominalnej. Jednak każda chmurka zasłaniająca słońce powoduje poważne obniżenie produkcji energii. Mówimy o mocy, czyli o wartościach chwilowych, uzyskiwanych przy najlepszych warunkach. A przecież w sumie, przez większość czasu (noc, zachmurzenie) dostępna moc jest albo bardzo mała, albo wręcz zerowa.

Fatalne jest to, że jesienią, zimą i wiosną jest o wiele gorzej, a właśnie wtedy najbardziej potrzebujemy ciepła i energii elektrycznej. Jest wtedy wiele dni pochmurnych, a słońce nawet w południe wędruje po niebie nisko, przez co uzyskiwana moc jest zdecydowanie mniejsza.

Dlatego w naszych warunkach geograficznych realnie pozyskiwane ilości energii są dużo mniejsze, niż można byłoby oczekiwać na podstawie mocy nominalnej paneli. I dlatego każda watogodzina jest tak cenna, zwłaszcza w sezonie jesienno-zimowym. Warto się więc postarać, żeby z panelu „wyciągnąć” całą dostępną w danej chwili energię. To słusznie kieruje uwagę na MPPT, ale okazuje się, że korzyści z MPPT też nie są tak duże, jak można byłoby przypuszczać. Do tego aspektu wrócimy, a na razie omówmy inne szczegóły.

Otóż jeśli nawet z pomocą regulatora MPPT „wyciągniemy” z panelu 100% dostępnej w danej chwili energii, to jej część stracimy w impulsowej przetwornicy MPPT, która na pewno nie ma sprawności 100%, a w tańszych wykonaniach może mieć sprawność tylko 70%.

Do tego dojdą straty akumulatora. Dla popularnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych, w tym AGM i żelowych, sprawność energetyczna wynosi nieco ponad 50%. Podobnie lub nawet gorzej jest w przypadku akumulatorów NiCd, które jednak stosowane są tylko w lampkach solarnych. Znacząco lepsza jest sprawność energetyczna akumulatorów Li-Ion, jednak jak na razie są one dużo droższe od ołowiowych.

W systemie solarnym oprócz właściwej przetwornicy MPPT zazwyczaj mamy też jakieś dodatkowe elektroniczne urządzenia sterujące, pomiarowe czy zabezpieczające. Niewątpliwie pobierają one jakieś ilości energii (zwłaszcza jeśli zawierają przekaźniki) i też obniżają wypadkowy bilans energetyczny. Te straty „w elektronice” mają znaczenie szczególnie w małych instalacjach, ale posiadając odpowiednie umiejętności, elektronik może zastosować bardzo energooszczędne rozwiązania układowe.

W niniejszym odcinku bardzo pobieżnie omówiliśmy ciemniejszą stronę instalacji fotowoltaicznych. Niestety, w naszych szerokościach geograficznych uzyskana energia netto jest znikomym ułamkiem tego, co wynika z pomnożenia katalogowej mocy paneli słonecznych przez spodziewany czas pracy instalacji.

Pozyskiwanie energii z promieniowania słonecznego jest godne uwagi, ale należy być realistą. Jak na razie wysokie ceny paneli, akumulatorów i elektroniki powodują, że planując mniejszy czy większy system fotowoltaiczny, trzeba starannie dobrać elementy i warunki pracy wszystkich jego składników.

Będziemy się tym zajmować w kolejnych odcinkach cyklu.

Tematyka materiału: panel fotowoltaiczny, MPPT
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich grudzień 2019
Udostępnij
UK Logo