Optimalizace fotovoltaického systému pro přípravu teplé vody

Úvod

Pokles cen fotovoltaických (FV) panelů umožnil jejich vhodné využití i pro řadu aplikací bez garantované podpory různých státních programů. V současných cenových relacích může být fotovoltaika využita např. i pro přípravu teplé užitkové vody, což bylo doposud oblastí, kde se využívalo výlučně termických kolektorů (tj. přímého ohřevu teplonosného media dopadající sluneční energií). Oba tyto systémy (termický i fotovoltaický) mají své přednosti i nevýhody. Jelikož je využití fotovoltaiky pro tepelné účely relativně novou a málo známou záležitostí, je článek věnován právě jim.

Mezi výhody fotovoltaického systému patří:

Obr. 1: Princip termického a fotovoltaického ohřevu vody

• výrazně jednodušší instalace a rozvod energie
• rozvod energie až ke spotřebiči (bojleru) s nízkými ztrátami
• vyšší účinnost v zimních měsících, kdy je nedostatek energie (účinnost FV panelů roste s klesající teplotou), tímto je zaručen rovnoměrnější energetický zisk během roku
• okamžitá dodávka tepelné energie do vody v zásobníku, není zde tepelná setrvačnost teplonosného media
• dodávka tepelné energie i za nízkých osvitových podmínek
• nízké provozní náklady, vysoká spolehlivost

Nevýhodou je potřeba výrazně větší plochy (cca 3násobné) pro instalaci FV panelů oproti termickým kolektorům při uvažování stejné celoroční energetické výtěžnosti reálného systému. Dalším problémem může být případné částečné stínění, na které jsou FV panely oproti termickým kolektorům více citlivé.

Uvažovaný FV systém se skládá ze sério-paralelně propojených FV panelů, kabeláže, vstupního rozvaděče s odjištěním a přepěťovými ochranami a topné spirály v bojleru obsahujícím tepelnou ochranu a speciálně upravený termostat pro spínání stejnosměrného proudu.

Funkce regulátoru bodu maximálního výkonu (MPP)

Přímé propojení mezi FV panely a odporovou zátěží vytváří jednoduchý systém, nicméně při použití se potýkáme s problémem impedančního přizpůsobení generátoru (FV panelů) a spotřebiče (odporové zátěže). Provozní podmínky FV panelů se neustále mění a bez využití regulátoru, který zajistí maximální předání energie z panelů do zátěže, systém dosahuje výrazně nižší účinnosti. Největší vliv na provozní parametry FV panelů má aktuální intenzita záření G, dále pak teplota samotných článků. Obr. 2 ukazuje příklad voltampérové (V-A) charakteristiky FV generátoru a konstantní odporové zátěže (R = 25 Ω). Uvedený systém je navržen pro optimální provoz při intenzitě záření cca 800 W/m², kdy bod maximálního výkonu FV generátoru (MPP) protíná zátěžovou přímku spotřebiče. Při jiných intenzitách záření dochází k výrazným ztrátám účinnosti vlivem nevhodných pracovních podmínek (nepřizpůsobení MPP). Např. při intenzitě záření 200 W/m² by tento systém využil pouze cca 25 W (pracovní bod A, U = 25 V, I = 1 A), místo možných 85,5 W (MPP, U = 95 V, I = 0,9 A) při jiné hodnotě odporu zátěže.

Obr. 2: V-A charakteristiky FV generátoru (křivky) s vyznačením MPP a zátěžová charakteristika spotřebiče (přímka)

Obr. 3: Maximální výkon FV panelů (tj. v MPP) v závislosti na intenzitě záření (1). Výkon při odporové zátěži R = 40 Ω (2), R = 25 Ω (3), R = 20 Ω (4).

Pokud zanedbáme vliv teploty, bude pro daný FV generátor existovat pro každou hodnotu odporu zátěže určitá intenzita záření, při které bude systém pracovat optimálně (v MPP), obr. 3.

Návrh systému s ohledem na celoroční provoz

Obr. 4: Rozdělení energie dopadajícího záření z hlediska intenzity

Pokud FV systém neobsahuje sledovač MPP, je obvykle třeba provést návrh komponent z hlediska maximalizace energie během celého roku.

Vyjdeme z následujícího zjednodušení: Pro osvitové podmínky ČR uvažujme statistické rozdělení energie dopadajícího záření na rovinu FV panelů (sklon 35°, orientace na jih) z hlediska jeho intenzity dle obr. 4, [1]. Je patrné, že málo častý výskyt intenzity záření nad 800 W/m² je spojený s velkou energií záření během roku a z hlediska získání energie a maximalizace účinnosti tudíž významný. Dle obr. 3 je však patrné, že pokud bude skutečná intenzita záření nižší, nežli na kterou je systém optimalizován, dodávaný výkon (příp. účinnost systému) strmě klesá.

V případě systému se sledovačem MPP využijeme veškerou elektrickou energii, kterou jsou schopny získat FV panely. Můžeme tudíž vyjít z plné roční energie záření uvažované jako součet energií E_Q v N uvažovaných intervalech

  . (1)

V systému bez sledovače MPP je k dispozici pouze energie E_SYS, která je snížená o ztrátu vlivem odchýlení o MPP. Její hodnotu odhadneme jako

  , (2)

kde koeficienty η_i představují účinnosti systému bez MPP pracujícího v jednotlivých intervalech záření. Tyto koeficienty lze určit např. z obr. 2 jako podíl výkonu (U × I) v pracovním bodě a v MPP.

Celoroční účinnost systému bez regulátoru MPP získáme jako

  . (3)

Systém se sledovačem MPP je schopen využít energii E_MPP = 1270 kWh/m². Jedná se o výchozí hodnotu, pro stanovení energie získané FV systémem je dále třeba uvážit účinnost FV generátoru, ztráty v kabeláži atd. V případě systému bez sledovače je výchozí hodnota E_SYS, která se odvíjí od toho, při jaké intenzitě systém pracuje ideálně (tj. v MPP).

Obr. 5: Celoroční účinnost oproti systému se sledováním MPP s ohledem na intenzitu, při které systém pracuje ideálně (v MPP)

Obr. 6: Simulace průběhu výkonu se sledovačem MPP (P_MPP) a bez sledovače (P_SYS) během slunečného dne

Obr. 7: Simulace průběhu výkonu se sledovačem MPP (P_MPP) a bez sledovače (P_SYS) během dne s proměnlivým počasím

Výsledky simulace na obr. 5 ukazují, že pro maximální roční energetický zisk je v osvitových podmínkách ČR vhodné zvolit odporovou zátěž a FV panely tak, aby systém pracoval ideálně při 600 W/m². S ohledem na účinnost nad 70 % lze volit i hodnotu z intervalu 400−800 W/m². Maximálně však lze získat ze systému bez sledovače MPP 77 % energie v porovnání se systémem umožňujícím sledování MPP. V reálném provozu lze očekávat vyšší celoroční pokles účinnosti vlivem odchylky od MPP, jelikož se uplatňuje i vliv teploty. Vyšší teplota v letním období, kdy je dostatek záření, způsobí ještě vyšší odchylku od MPP (V-A charakteristika FV generátoru dle obr. 2 bude dosahovat vyšších proudů a nižších napětí).

Simulovaný průběh výkonu FV systému s ideálním regulátorem a bez regulátoru během dne s jasnou oblohou a při proměnlivém počasí ukazuje obr. 6 a obr. 7. Simulace vychází z typických parametrů náhradního diodového modelu pro FV články. Opět není uvažován vliv teploty. Během slunečného dne s průběhem dle obr. 6 vyrobí systém s ideálním MPP regulátorem 5,9 kWh/kWp energie, bez regulátoru 5,1 kWh/kWp. Během dne s průběhem dle obr. 7 vyrobí systém s ideálním MPP regulátorem 2,0 kWh/kWp energie, bez regulátoru 0,8 kWh/kWp.

Nejvyšší zvýšení účinnosti pomocí sledovače MPP je dle simulací během dní s proměnlivým počasím, nebo s dlouhodobě nízkou intenzitou záření.

Provoz v MPP lze zajistit různými způsoby. Jedná se o regulaci na straně FV panelů (přepínání jejich sério-paralelního řazení), na straně topného odporu (změna hodnoty vnitřního odporu) či pomocí regulátoru zařazeného mezi FV panely a topným odporem. První dvě varianty poskytují obvykle pouze několik kombinací provozu, umožňují tedy pouze částečné přiblížení k MPP. Využití mechanických stykačů není z hlediska frekvence přepínání příliš vhodné, zapojení pomocí řady polovodičových přepínačů není vhodné z hlediska jejich ceny a potřeby mnoha kusů se sériovým řazením.

Vhodným řešením je regulátor (např. DC/DC měnič), který zajistí sledování MPP pomocí změny výstupního napětí. Zátěž se jeví jako „měkký spotřebič“, napětí na zátěži je totiž přímo úměrné proudu a je tedy velmi proměnlivé. To je základní rozdíl oproti regulátorům pro nabíjení akumulátorů nebo střídačům pro FV elektrárny, kdy je výstupní napětí téměř neměnné (nezávislé na dodávaném výkonu). S výhodou lze využít toho, že výstupní napětí není třeba z hlediska vlastní funkčnosti tepelného ohřevu filtrovat. Výstupem mohou být pulzy, či jakýkoliv nespecifikovaný průběh za předpokladu vysoké účinnosti regulátoru a provozu v MPP. Pochopitelně je třeba zajistit požadavky s ohledem na elektromagnetickou kompatibilitu zařízení.

Závěr

FV generátor využívaný pro ohřev vody přímo zapojený k topnému odporu dosahuje vlivem proměnlivých provozních podmínek výrazně nižší celoroční účinnosti nežli systém s vestavěným sledováním MPP. Z hlediska maximalizace celoročně získané energie bylo zjištěno, že optimální je systém navrhnout tak, aby ideálně (v MPP) pracoval při intenzitě záření 600 W/m². Toto lze zajistit volbou vhodné sério-paralelní konfigurace FV panelů a hodnoty topného odporu. Lze předpokládat, že pokud by byl systém využíván pouze pro sezónní letní provoz s častým výskytem vysokých intenzit záření, bylo by vhodné systém navrhnout pro ideální provoz při intenzitě vyšší nežli 600 W/m². Výrazného zvýšení celoročně získané energie lze dosáhnout použitím sledovače bodu MPP, který zajistí optimální provoz nezávisle na provozních podmínkách.

Literatura

• [1] K. Staněk: Fotovoltaika pro budovy, ČVUT-FSV, 2012.
• [2] Z. Macháček, V. Benda, R. Bařinka: Electrical parameters of C-SI photovoltaic cells in dependence on temperature and irradiance, Proceedings of the International Scientific Conference FMNS-2007. ISBN: 978-954-680-537-9
• [3] A. Luque, S. Hegedus: Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, Wiley. 2003. ISBN: 0-471-49196-9