Strona dla uczniów technikum

 

Strona główna

Galeria Mapa strony Historia Kontakt PSBiG Filmy  

Technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej

 

     Vademecum energetyki odnawialnej

Energia wód płynących Energia słoneczna Energia geotermalna Energia wiatru
Pompy ciepła Biomasa Biogaz Energia oceanów
Ustawy i rozporządzenia
 
 Jesteś:
Energia słonecznaOgniwa fotowoltaiczneProjektowanie instalacji fotowoltaicznych→Dobór falowników

 

7.3 Dobór falowników

7.3.1. Wiadomości wstępne

7.3.2. Wymagana moc falownika

7.3.3. Minimalna i maksymalna moc modułów, obliczenia

7.3.4. Podłączanie stringów do MPP trackera.

7.3.5  Maksymalna moc falownika z uwagi na sieć EE

 

7.3.1 Wiadomości wstępne

 

Dobór falowników należy rozpocząć od określenia typu instalacji PV i sposobu jej pracy: on-grid, off-grid, hybrydowa. Każdy z wymienionych systemów ma inny dedykowany falownik (zob. falowniki). Kolejnym elementem jest moc generatora PV i miejsce jego montażu. Przy mocach >5kWp stosowane są obowiązkowo falowniki trójfazowe, jednofazowe tylko w małych instalacjach. Miejsce montażu wymaga natomiast określonego stopnia zabezpieczenia IP. Falowniki produkowane są np. tylko do montażu tylko wewnętrznego, jak i uniwersalne (montaż wewnętrzny i zewnętrzny). Bardzo ważnym czynnikiem przy projektowaniu falowniku jest niedopasowanie prądowe paneli PV związane:

- z montażem wybranych paneli pod innym kątem,

- montażem paneli na różnych dachach w budynku o odmiennej orientacji względem południa

- problemem okresowego (w ciągu dnia) zacienienia paneli.

Wszystkie te czynniki wymagają decyzji o wyborze konkretnego modelu (np. falownika z dwoma MPP trackerami) lub kilku osobnych falowników w instalacji.

 

7.3.2 Wymagana moc falownika

 

Każdy falownik posiada w karcie charakterystyki dwie moce użytkowe:

- moc generatora PV

- moc nominalna prądy zmiennego

Moc generatora PV określa maksymalną dopuszczalną wartość mocy modułów fotowoltaicznych podłączonych do falownika. Moc nominalna po stronie AC (prądu zmiennego) jest zawsze trochę niższa (związana między innymi ze sprawnością falownika) i określa maksymalną moc odbiorników jakie można podłączyć do falownika, lub maksymalną ilość energii jaką można odprowadzić do sieci.

Moc generatora PV podawana jest zawsze dla warunków STC, które w praktyce są rzadko osiągane. W ciągu całego roku energia rzędu 1000W/m2 występuje tylko przez okres kilku do kilkunastu godzin, co stanowi zaledwie 1-2% całkowitego czasu nasłonecznienia paneli. W pozostałym czasie nasłonecznienie nie przekracza wartości 800-900W/m2. Oznacza to, ze przez 98% czasu panele pracują na maksymalnie 80-90% swojej mocy.  Pamiętajmy też, że moc paneli PV spada już po pierwszym ich uruchomieniu i związana jest z efektem starzenia się ogniw. Proces ten jest dość powolny, ale już w pierwszym roku pracy powoduje spadek mocy średnio o kilka procent. Wynika stąd, że generator PV nigdy nie osiąga mocy projektowej podawanej przez producenta. Z kolei falownik dla optymalnej sprawności powinien pracować możliwie blisko swojej mocy maksymalnej znamionowej. Sprawność falownika jest wtedy najwyższa i wynosi w zależności od modelu do 97%. Przy spadku mocy generatora <20% mocy nominalnej falownika (np. przy pochmurnym dniu i nasłonecznieniu 200 W/m2), sprawność falownika gwałtownie spada.

Wynika stąd, że korzystniej jest zawsze projektować falownik o nieco większej mocy niż moc generatora PV. Jak duża powinna być ta różnica? Według wytycznych producentów falowników zakres ich mocy powinien mieścić się w przedziale 0,85-1,18 mocy generatora PV. Z doświadczeń polskich projektantów i inwestorów instalacji PV wynika jednak, że optymalna moc falownika mieści się pomiędzy 1,05-1,15 mocy generatora PV. Krótko mówiąc, dopuszcza się przeprojektowanie falownika o 15% względem mocy generatora PV.

 

Rys. Specyfikacja techniczna falownika GW 5000 GT (Corab)

 

 

7.3.3 Minimalna i maksymalna moc modułów PV

 

Każdy falownik ma podany w karcie charakterystyki zakres napięcia MPPT. Jest to parametr który określa, przy jakiej wartości napięcia na wejściu DC falownika zostanie wykryty punkt mocy maksymalnej przez MPP tracker. Kolejnym ważnym parametrem decydującym o pracy, jest minimalne napięcie załączenia falownika. Jest to wartość napięcia ze strony modułów PV przy którym falownik w ogóle się uruchomi i zacznie generować energię. W naszym przypadku (tabela powyżej) zakres MPPT wynosi 200-800V, a napięcie minimalne 150V. Jak to się ma do doboru falownika?

Obie powyższe wartości decydują o budowie stringu paneli, ich ilości i sposobie połączenia (szeregowe, równoległe, równoległo-szeregowe). Każde panel w stringu generuje określone napięcie i natężenie prądu zależne od chwilowego oświetlenia i zgodne z jego charakterystyką I-V. Połączone ze sobą panele w zależności od sposobu łączenia (szeregowe, równoległe) sumują napięcia lub natężenia prądu. W każdym przypadku suma ta nie może przekroczyć dopuszczalnych wartości dla danego modelu falownika po stronie DC. Spróbujmy prześledzi jak dobiera się ilość paneli w stringu. Dla poprawności obliczeń przyjmijmy panele o mocy 270Wp, firmy LG monokrytaliczne o charakterystyce poniżej.

Rys. Charakterystyka paneli PV LG MonoX Black.

 

Przy doborze stosuje się następujące zależności:

A) maksymalna wartość prądu w stringu - prąd generowany przez połączone ze sobą panele zależy w głównej mierze od rodzaju połączenia. W szeregowym przyjmuje wartość najsłabszego ogniwa w stringu (np. częściowo zacienionego panelu), w równoległym stanowi sumę prądów z poszczególnych paneli. Wartość prądu zależy też od temperatury, im wyższa, tym panel generuje wyższe natężenie prądu. Zmianę natężenia prądu w zależności od temperatury podaje wskaźnik ISC panelu (w naszym przypadku 0,05%/K).

Maksymalne natężenie prądu jakie może generować pojedynczy panel możemy obliczyć ze wzoru.

 

 

gdzie:

IDCMOD(70C) - natężenie modułu w temperaturze 70ºC

ISC - natężenie prądu w warunkach STC podawane w charakterystyce modułu

Tmax - współczynnik temperaturowy (ISC) w %

ΔT - różnica temperatur pomiędzy temperatur pomiędzy temperaturą maksymalną modułu (w warunkach polskich przyjmuje się 70ºC), a temperaturą dla warunków STC +25ºC.

 

Z obliczeń wynika, że w temperaturze 70ºC pojedynczy moduł osiągnie maksymalną wartość prądu 9,32A <11A. Gdzie 11A jest dopuszczalną wartością natężenia prądu dopływającego do falownika. Z obliczeń wynika też, że w tym konkretnym przypadku jedynym rodzajem połączenia modułów w stringi jest układ szeregowy. W układzie równoległym już dwa moduły przekraczają dopuszczalne natężenie prądu.

 

B) maksymalna wartość napięcia w stringu - wartość ta nie może być większa niż dopuszczalna max wartość napięcia na wejściu do falownika, przy czym wartość tę oblicza się dla warunków skrajnych, czyli temperatura -15ºC, przy której napięcie stringu jest najwyższe. Teoretycznie wyższe napięcia wystąpią przy dalszym spadku temperatury, jednak należy mieć na uwadze, że w zimie uzyskanie warunków oświetlenia na wysokim poziomie jest praktycznie niemożliwe. Przy obliczaniu max wartości napięcia bierzemy pod uwagę następujące wartości:

Voc (napięcie obwodu otwartego) - w naszym przypadku 38,6V

współczynnik temperaturowy Voc - (-0,31%/K)

 

Wartość napięcia maksymalnego możemy obliczyć ze wzoru:

Gdzie:

TDCUocMOD - współczynnik temperaturowy modułu (-0,31%K)

ΔT - różnica temperatur między skrajną temperaturą modułu a warunkami STC (-15-25) = - 40K

 

 

Na podstawie tej wartości możemy policzyć dopuszczalną ilość modułów w stringu połączonych szeregowo.

gdzie:

VDCmaxWR - maksymalna dopuszczalna wartość napięcia na wejściu falownika

 

zaokrąglamy w dół, czyli przyjmujemy 23 moduły

 

C) Określenie dopuszczalnej liczby modułów w stringu ze względu na MPPT falownika - każdy falownik podaje zakres napięcia dla pracy MPP trackera (nasz 200-800V). Przy określaniu liczby modułów podpiętych pod pojedynczy MPP Tracker należy określić taką ich ilość przy której cały string będzie w określonych warunkach generował napięcie w zakresie pracy MPP Trackera. Liczy się w tym przypadku maksymalne oraz minimalne napięcie modułu dla warunków MPPT, przy czym wartość maksymalna napięcia liczy się dla temp. -15ºC, a wartość minimalna dla temp. +70ºC. Na podstawie tych wartości oblicza się dopuszczalną liczbę modułów.

Korzystamy tutaj ze wskaźnika VMPP (w naszym przypadku 31,7V)

 

napięcie minimalne obliczamy ze wzoru:

gdzie:

Tmax - wskaźnik temperaturowy modułu (-0,31%/K)

ΔT - (70-25 = 45K)

nminMOD - minimalna ilość modułów w stringu

VDCmppmin - minimalna wartość MPPT falownika (w naszym przykładzie 200V)

 

Tym samym minimalna ilość modułów wyniesie:

 

 

zaokrąglamy wartość w górę, przyjęto 8 modułów.

 

D) Sprawdzenie maksymalnej ilości modułów ze względu na punkt MPPT - należy wyliczyć maksymalną wartość napięcia modułu VMPPmax i na jej podstawie wyliczyć dopuszczalna ilość modułów w stringu. Korzystamy ze wzorów:

 

stąd

 

 

A maksymalna ilość modułów w stringu wyniesie

 

 

Przyjęto 22 moduły

 

Porównując wyniki poprzednich obliczeń 22<23, czyli ostatecznie przyjmujemy max. 22 moduły w stringu ale nie mniej niż 8.

 

E) Teraz powinniśmy jeszcze sprawdzić całkowitą moc modułów i porównać ją z mocą naszego falownika. Z charakterystyki mocy wynika, że po stronie DC można podłączyć maksymalnie  5200W. Ponieważ falownik można praktycznie przewymiarować do 15%, to dopuszczalna moc stringu wyniesie:

 

Pmax = 1,15 x PDC = 1,15 x 5200 = 5980W

 

Dobrana przez nas ilość modułów ma moc w całym stringu

 

PSTR = nMOD x PMOD = 22 x 270 = 5940W < 5980W

 

Nasze obliczenia są więc właściwe.

 

7.3.5  Maksymalna moc falownika z uwagi na sieć EE

 

Jak duży może być  falownik podłączony do sieci? Według wytycznych operatorów (np. INSTRUKCJA RUCHU I EKSPLOATACJI SIECI DYSTRYBUCYJNEJ WARUNKI KORZYSTANIA, PROWADZENIA RUCHU, EKSPLOATACJI I PLANOWANIA ROZWOJU SIECI Załącznik nr 2 SZCZEGÓŁOWE WYMAGANIA TECHNICZNE DLA JEDNOSTEK WYTWÓRCZYCH PRZYŁĄCZANYCH DO SIECI DYSTRYBU-CYJNEJ), Mikroźródło przyłączane do sieci dystrybucyjnej w określonym punkcie (PCC) powinno spełniać następujące kryterium, że moc zwarciowa w punkcie przyłączenia (PCC) powinna być przynajmniej 20 razy większa od sumy mocy znamionowych mikroźródeł przyłączonych do tego samego obwodu sieci nN zasilanego ze stacji SN/nN. Ze względu na koordynację zabezpieczeń minimalna moc przyłączeniowa odbiorcy (obiektu przyłączonego), do którego wewnętrznej instalacji elektrycznej ma zostać przyłączone mikroźródło, powinna być nie mniejsza niż 4,5 kW dla instalacji 1-fazowej oraz 12,5 kW dla instalacji 3-fazowej.

 

 

Testy
Egzamin zawodowy
Materiały do zajęć
Ciekawe linki