Transcript Dragutin Hrastić - Energetski dani 2013

ELEKTROSTROJARSKA
ŠKOLA VARAŽDIN
ENERGETSKI DANI 2013
U VARAŽDINU 05.11.2013.
Dragutin Hrastić
Kako i kada je počelo
Program AWERES 2008 godine
Zajedno s udrugom Franjo Koščec,
DOOR, SS Mate Blažina Labin
Energetski dani 2013
• Cilj programa, osposobiti učenika (odraslu
osobu) za kvalitetno predlaganje, nabavu i
montiranje opreme iz područja obnovljivih
izvora
• Prije svega solarnih toplinskih sustava i
fotonaponskih sustava
• Napravljen je program za izborni predmet
te program za obrazovanje odraslih
Monter solarnih sustava
Prikupljena oprema za edukaciju i
mjerenja
SOLARNI TOPLINSKI SUSTAV
OPREMLJEN KALORIMETROM
Prikupljena oprema za
edukaciju i mjerenja
• Akumulator 150 Ah
• Pretvarač 500 W
Nabava dodatne opreme i
edukacija
Edukacija
Oprema
Fotonapon, kratak pregled
• Srce fotonaponskog sustava je
fotonaponska čelija
• Ona energiju sunca u vidu svjetlosti
pretvara u električnu struju
• To se postiže dvoslojnom konstrukcijom
čelije gdje se na prijelazu dva različito
vodljiva sloja pojavljuje tzv ugrađeno
električno polje 0,5-0,7 V
Raspodjela energije koju odašilje
sunce
Valna dužina um
Solarno zračenje
•
Energija zračenja
– E = h ·
• E Energija fotona
• h Plankova konstanta
•  Frekvencija (= c/)
6,63·10-34 Js
• c Brzina svjetlosti
•  Valna dužina
3·108 m/s
 Visoko frekventno zračenje je veće enrgije
 Zračenje sa manjom valnom dužinom je veće energije
Juni 2010
12
Solarne ćelije
• Silicij
– Debeloslojne (150-300 µm)
• mc-Si mono kristalne
< 20 %
• pc-Si poli kristalne
< 16 %
– Tankoslojne (< 10 µm)
• -Si amorfne
• µc-Si mikro kristalinske
< 8%
< 10 %
Polikristalna ćelija
• manja potreba od Si
Izvor: Schott AG
Juni 2010
13
Solarne ćelije
• Stupanj efikasnosti
– Stupanj efikasnosti modula  stupnja efikasnosti ćelija
– Razlozi:
• Okviri
• Rastojanje između ćelija
• Oblik ćelija
Mono kristalna ćelija
Osnova je okrugla tanka ploča
(baffer).
Izvor: Stephan Kambortaki
Juni 2010
14
Solarne ćelije
•
Silicijske solarne ćelije
– Proces proizvodnje
• Taljenje
 metalur. silicijum
• Čišćenje
 polisilicijum
grade
Juni 2010
Sirovina: kvarcni pijesak
99,9999999(99)% electronic
• Izvlačenje kristala / lijevanje
• Savijanje
 Ingot
• Rezanje
 bafer (tanka ploča)
99,99999(9) %
solar grade
mono/poli-kristalne
mono kristalne
180-280 µm
piljevina!
• Dotiranje (legiranje)  poluvodić
• Naparavanje kontakata
• Obrada površine
p (bor), n (fosfor), 1 µm
Zasjenjenje  presjek vodića
antirefleks, < 100 nm
• Energetska potreba
300 kWh/m² (ćelija)
 energetska amortizacija
15
Solarne ćelije
•
Energetska amortizacija fotonaponskih (PV) postrojenja
Njemačka
Južna Europa
1.000 kWh/m²·a 1.700 kWh/m²·a
– monokristalne
5,5
2,7
– polikristalne
4,5
2,2
– tankoslojne
3,7
1,7
– trend
1,5
1,0
(svi podaci su u godinama)
Izvor: E. Alsema, Utrecht University
Juni 2010
16
Solarna ćelija
•
Strujno naponska karakteristika
– Ovisna o jačini zračenja sunca
i ph ~ E
A
6
5
1.000 W/m²
750 W/m²
500 W/m²
250 W/m²
4
3
Struja kratkog spoja iK je
proporcijonalna sa jačinom
zračenja E.
2
1
0
0
Juni 2010
0,5
V
17
Solarna ćelija
• Strujno naponska karakteristika
– Ovisnost o temperaturi
A
6
5
20 °C
30 °C
40 °C
50 °C
4
3
Napon praznog hoda pada sa
porastom temperature
2
1
0
0
Juni 2010
0,5
V
18
Solarna ćelija
• Krivulja maksimalne snage
W
A
7
3
6
Maximum-Power-Point (MPP)
(maksimalna snaga)
5
P = U ·I
2
4
3
1
2
1
0
0
0
Juni 2010
0,5
V
struja
snaga
19
Solarni moduli
• Standardna struktura
Aluminijumski okvir
Brtva
Staklo
EVA (etilen vinil
acetat)
Ćelije
Tedlar folija
(polivinil
fluorid)
Juni 2010
Izvor: DGS
20
Solarni moduli
•
Serijsko povezivanje solarnih ćelija
– Tipična konfiguracija
• 72 solarne ćelije u seriji (U0  40…45 V)
–
+
• 2 bajpas diode u modularnoj priključnoj kutiji
(1 dioda na 36 solarnih ćelija)
– Proizvodnja
• 36…216 solarnih ćelija u seriji
• 100-300 Wp
• 0,8 m  1,6 m … 1,25 m  2,15 m
Juni 2010
12 ćelija
21
Solarni moduli
•
Zasjenjenje
– Struja ~ zračenje
• Pojedinasolarna ćelija generira manju struju
• Smanjuje se snaga modula
• Nezasjenjene ćelije guraju struju u nepropusnom
smjeru preko zasjenjene ćelije
• Lokalno povećanje temperature (hot spot) preko
rezervne struje u zasjenjenoj ćeliji
• Dolazi do trajnih oštećenja ako su zasjenjenja trajna i
česta
i1
i2
i3
Juni 2010
22
Solarni modul
• Kabliranje
– Multi kontakt MC4
Izvor: stecker shop
Juni 2010
23
Solarni moduli
•
Kabliranje
– Električne karakteristike
• Dielektrična čvrstoča
– Napon stringa do 1.000 VDC
• Strujno opterećenje
– Ovisno o tipu ćelije 3..15 A
– Montaža
• Zaštićeno od dodira, izolirano
• Zaštićeno od rezervne polarizacije
– Ostalo
• Otporno na vremenske utjecaje
• Izbjegavati labave spojeve i kablove
Juni 2010
24
Fotonaponska (PV) postrojenja
Izvor: Christoph Riemer
Juni 2010
25
Fotonaponska (PV) postrojenja
• Ravni krovovi
Montirane na krovu
Na postolju
Izvor: Energieagentur NRW
Juni 2010
26
Fotonaponska (PV) postrojenja
• Postavljena na kosim krovovima
Krovna kuka
Krovna kuka
Konstrukcija za
pričvršćivanje
Izvor: Energieagentur NRW
Juni 2010
27
Fotonaponska (PV) postrojenja
• Priključna kutija generatora
String-dioda
String-osigurač
DC prekidač
=
~
Solarni generator
Juni 2010
String-rastavljačr
Prenaponski
odvodnik
Inverter
28
Fotonaponska (PV) postrojenja
•
Inverter
– Tehničke izvedbe
• Bez transformatora
– Visok stupanj efikasnosti
– Nema galvanske izolacije
– Po potrebi visoki naponi
– Nije odgovarajuće za sve modularne tipove
» Između ostalih – tankoslojni moduli
» Razlog: visok kapacitet modula prema zemlji
• S transformatorom
– Niži stupanj efikasnosti
– Veća masa
– Sigurno odvajanje, izolacija od 50 Hz mreže
Juni 2010
29
Tipovi postrojenja
• Mrežno napajanje
Solarni modul
Istosmjerna struja
Inverter
(1- ili 3-fazni)


Električno brojilo
Izmjenična struja
kWh
Javna električna mreža
Juni 2010
30
Tipovi postrojenja
•
Otočni sustavi
– Godišnja proizvodnja 5 kWp postrojenje (D) 4.500
kWh
– Potreba za tročlano kučanstvo (D)
4.000
kWh
– Da li je dovoljno jedno 5 kWp postrojenje kao otočno
rešenje?
Prosječna godišnja proizvodnja
850…1.000
kWh/kWp
Južna Europa 1.200…1.500
kWh/kWp
Njemačka
Prosječna potrebna površina
kristalinska
amorfna
tankoslojna
7..10 m²/kW p
12..15 m²/kW p
10..14 m²/kW p
(u slučaju optimalne orjentacije)
Juni 2010
31
Tipovi postrojenja
• Otočni sustavi


Solarni generator
Regulator punjenja
Solarna baterija
Juni 2010
DC trošilo
inverter
AC trošilo
32
OTOČNI FOTONAPONSKI SUSTAVI
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG SUSTAVA
Otočni sustav (OFF GRID)
PLANIRANJE OTOČNOG FOTONAPONSKOG SUSTAVA
KOMPONENTE SUSTAVA
PV GENERATOR
INVERTER
REGULATOR
PUNJENJA
AKUMULATOR
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG SUSTAVA
• 1. ODREDITI DNEVNU POTROŠNJU DOMAĆINSTVA
• 2. ODREDITI SNAGU FOTONAPONSKOG GNERATORA
• 3.ODREDITI GUBITKE U SUSTAVU, ODREĐIVANJE PRESJEKA
VODIĆA (KABLOVA)
• 4. ODABRATI KONTROLER PUNJENJA
• 5. ODREĐIVANJE VELIČINE AKUMULATORA
• Važne formule
• P=UxI (W)
• E=Pxt (Wh) ako se vrijeme mjeri u satima
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG SUSTAVA
Popis trošila
Snaga (W)
Svjetlo u spavaćoj
sobi
Broj sati rada
devno
(zima)
Broj sati
rada dnevno
(ljeto)
Dnevna
potrošnj
a(Wh)zi
ma
Dnevna
potrošnja
(Wh)ljeto
1x15 (W)=15(W)
1
1
15Wh
15Wh
Svjetlo u dnevnoj sobi
1x15(W)=15(W)
5
1
75Wh
15Wh
Svjetlo na terasi
1x15(W)=15(W)
0
3
0Wh
45Wh
Svjetlo u kuhinji
1x15(W)=15(W)
5
1
75Wh
15Wh
Svjetlo u kupaoni
1x15(W)=15(W)
0,5
0,5
7,5Wh
7,5Wh
Televizor, radio
1x80(W)=80(W)
5
5
400Wh
400Wh
Hladnjak
1x70(W)=70(W)
0
6
0Wh
420Wh
Pumpa za vodu
1x400(W)=400(W )
0,1
0,1
40Wh
40Wh
612,5(Wh)
947,5(Wh)
Ukupno
625 (W)
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG SUSTAVA
• Određivanje snage fotonaponskog generatora
• Energija koju nam isporučuje fotonaponski generator nije
konstantna nego se mijenja tijekom mjeseci i tijekom dana.
• Za ispravan rad otočnog fotonaponskog sustava moramo imati i
spremnik energije kojim premošćujemo dijelove dana kada nam
proizvodnja iz fotonaponskog generatora nije dostatna.
• Podaci koji su nam potrebni: a)mjesečna ozračenost u Wh/m2/danu
• Podaci se mogu preuzeti sa stranica PVGIS
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG SUSTAVA
Potrebna snaga geneatora računa se po izrazu
Ppv=Dnevna potrošnja/Srednja dnevna proizvodnja
Dnevna potrošnja izražena u kWh
Srednja dnevna proizvodnja (sa svim
gubicima) za 1KWp
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG SUSTAVA
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG
SUSTAVA
• Određivanje potrebnog presjeka kablova
– Prilikom planiranja otočnog fotonaponskog sustava potrebno je
određenu pažnju posvetiti dimenzioniranju kablova
– S obzirom da se radi o naponima 12, 24 V a snage mogu biti do kW
struje koje teku kroz vodiće su značajne.
– Zbog velikih struja može doći i do velikih padova napona ako kablovi
imaju premali presjek.
– Primjer:
– Pretpostavke: Imamo 12 V FN generator
» Snaga geneatora 700 W
» Udaljenost od regulatora punjenja izosi 5 metara
» Dozvoljeni pad napona u kablu iznosi 3%
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG
SUSTAVA
• Računamo potreban presjek kabla iz formule
• A=(L·P)/(0,03·V2·κ)
Gdje je
• L dužina kabla (dužina pozitivnog i negativnog pola) m
• P snaga koja se prenosi kablom W
• V napon sustava V
• κ specifična vodljivost m/Ωmm2 ( za bakar κ=56 za aluminij κ=54)
• A=(10·700)/(0,03·122·56)=28,93 mm2
• Iz izračuna odabiremo prvi veći presjek koji postoji u prodaji.
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG
SUSTAVA
• Odabir akumulatora
– Akumulator je uređaj za pohranjivanje (akumuliranje) električne energije
– Njegov se kapacitet izražava u Ah (amper sati)
• Koliko je enrgije pohranjeno u akumulator od 100 Ah
• Ukupna energija = 100 Ah*12V=1200 VAh=1200Wh
– To je teoretski iznos energije ako bi akumulator potpuno ispraznili
– Naravno mi to nesmijemo jer bi nakon nekoliko ovakvih zahvata uništili
akumulator
– U prksi se uzima da se akumulator obično prazni do 50% svojeg
kapaciteta
– Energiju je potrebno pohaniti zbog tog da možemo premostiti one dane
kada električne energije nemamo dovoljno zbog vremenskih utjecaja
– Rezerva energije u akumulatorim se uzima od 2 do 15 dana ovisno o
namjeni uređaja
PRAVILA PLANIRANJA OTOČNOG FOTONAPONSKOG
SUSTAVA
• Formula za izračunavanje kapaciteta akumulatora
• CAKU=(2·EDNEVNO·F)/U
–
–
–
–
CAKU= kapacitet akumulatora u Ah
EDNEVNO dnevna potrošnj energije
F broj dana autonomnosti
U napon sustava
Priključna shema, dijagram
opcionalno:
priključna kutija
generatora
Solarni generator
Invertor
(ovdje: 1 fazni)
DC prekidač
(samo ukoliko je
potrebno, integriran u
inverteru)
Električno brojilo
AC zaštitni prekidač
vodića
Zaštitni prekidač
glavnog voda
Kućni priključak
S
=
L1
~
S
L2
S
L3
N
PE
S
S
Sub distribucija
S
Brojilo kupljene
električne energije
Juni 2010
44
Ekonomska opravdanost izgradnje mrežnog fotonaponskog
postrojenja
•
•
•
•
•
•
•
Cijena 1kWp cca 1700 eura
10kWp cca 17000 eura
+ troškovi priključka cca 2000 eura
UKUPNO 19000 eura
Očekivana godišnja proizvodnja
950 hWh/kWp
Ukupno 9500 kWh električne energije
Ekonomska opravdanost izgradnje mrežnog fotonaponskog
postrojenja
•
•
•
•
•
•
•
Garantirana cijena električne energije
2,63 kn/kWh
Godišnji prihod 2,63*9500=24985 kn
Investicija 142500,00 kn
Jednostavni period povrata investicije
=investicija/godišnjim prihodom
=142500/24985=5,7 godina
Ekonomska opravdanost izgradnje mrežnog fotonaponskog
postrojenja
• Ugovor se potpisuje na 14 godina
• Za nas ostaje 8,3 godine
• Još zaradimo 207375,50 kn
• Tko plača tu skupu struju??
Ekonomska opravdanost izgradnje mrežnog fotonaponskog
postrojenja
• Za svaki kWh potrošene el. Energije
izdvajamo 0,005 kn/kWh
• Prosječna četveročlana obitelj troši oko
4500 kWh energije 22,50 kn
• Godišnja potrošnja u Hrvatskoj
• 16848 GWh (izvor www.eihp.hr)
• cca 84 000 000,00 kn
• HVALA