Ανάλυση φωτοβολταϊκού συστήματος 10kW για οικιακή χρήση Δήμητρα Δημογλίδου Επιβλέπων: Δρ Δημήτρης Καλπακτσόγλου

Περίγραμμα Παρουσίασης • Δημιουργία ηλιακής ενέργειας και τρόποι εκμετάλλευσης της. Παρουσίαση συστημάτων μετατροπής ηλιακής ενέργειας. • Εξέταση και ανάλυση των φωτοβολταϊκών στοιχείων καθώς και συνδεσμολογία αυτών για παραγωγή της μέγιστης δυνατής ηλεκτρικής ενέργειας. • Εισαγωγή στα ηλεκτρονικά ισχύος και μέγιστη μεταφορά ενέργειας. Προσομοιώσεις, διαγράμματα και τελικά αποτελέσματα.

Τι είναι η ηλιακή ενέργεια και ποιοι οι τρόποι εκμετάλλευσής της Ηλιακή ενέργεια χαρακτηρίζεται το σύνολο των μορφών ενέργειας που προέρχονται από τον ήλιο. Τέτοιες ενέργειες είναι το φώς ή φωτεινή ενέργεια, η θερμότητα καθώς και διάφορες ακτινοβολίες ή ενέργεια ακτινοβολίας. Υπάρχουν τρεις βασικοί τρόποι για να εκμεταλλευτούμε την ενέργεια του ήλιου: • με τα παθητικά ηλιακά συστήματα • με τα ενεργειακά ή θερμικά ηλιακά συστήματα • και με τα φωτοβολταϊκά συστήματα

Φωτοβολταϊκά συστήματα Στις μέρες μας, τα φωτοβολταϊκά συστήματα παρουσιάζουν ραγδαία ανάπτυξη και αυτό γίνεται λόγω της στροφής του ανθρώπου στις εναλλακτικές ανανεώσιμες πήγες ενέργειας. Διακρίνονται στα φωτοβολταϊκά πάρκα και στα φωτοβολταϊκά σε στέγη. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα κατηγοριοποιούνται επίσης και με το σύστημα στήριξης που χρησιμοποιούν. Η διάκριση γίνεται σε: • στήριξη με σταθερό σύστημα στο έδαφος • στήριξη με σταθερό σύστημα σε επικληνή στέγη • στήριξη με σταθερό σύστημα σε επίπεδη οροφή κτιρίου • στήριξη με σύστημα ηλιοστατών στο έδαφος.

Φωτοβολταϊκό πάρκο Τα φωτοβολταϊκά πάρκα είναι συνδεδεμένα συστήματα με τη ΔΕΗ και έχουν τη δυνατότητα να τροφοδοτούν με ενέργεια το ένα στο άλλο. Τα φωτοβολταϊκά ηλιακά στοιχεία συνήθως συνδέονται μεταξύ τους σε σειρά, σε συγκεκριμένες βάσεις στήριξης με γωνία 30 – 35 μοίρες και νότιο προσανατολισμό. Το ηλεκτρικό ρεύμα, ως παράγωγο του ηλιακού φωτός, διοχετεύεται σε έναν μετατροπέα τάσεως για μετασχηματισμό.

Φωτοβολταϊκά σε στέγη Τα φωτοβολταϊκά σε στέγες είναι συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με φωτοβολταϊκά με προορισμό την τοποθέτησή τους σε στέγες κτιρίων για εξοικονόμηση ενέργειας και χρημάτων. Το βασικότερο χαρακτηριστικό μιας στέγης είναι ότι υπάρχει δεδομένη κλίση και προσανατολισμός. Έτσι η τοποθέτηση των φωτοβολταϊκών πλαισίων γίνεται χωρίς να διαφοροποιηθεί η δομή της κεραμοσκεπής.

Φωτοβολταϊκα πλαίσια Ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο αποτελείται από έναν αριθμό ηλιακών κυψελών. Για να γίνει εφικτή η λειτουργία του πλαισίου, είναι σημαντικό να προστατεύονται οι ηλιακές κυψέλες από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Για παράδειγμα, οι ηλιακές κυψέλες είναι πολύ λεπτές και άρα επιρρεπείς σε μηχανικές βλάβες. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι φωτοβολταϊκών πλαισίων και η δομή τους συχνά είναι διαφορετική για τα διάφορα είδη ηλιακών κυψελών ή για τις ποικίλες εφαρμογές τους.

Φωτοβολταϊκή συστοιχεία Σε μια φωτοβολταϊκή εγκατάσταση που έχει σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή λειτουργεί ως σταθμός παραγωγής, μπορεί να χρησιμοποιηθούν πολλά φωτοβολταϊκά πλαίσια. Για την αύξηση της αξιοπιστίας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος είναι σκόπιμο οι συνδέσεις των φωτοβολταϊκών στοιχείων μέσα στα πλαίσια, αλλά και ανάμεσα στα πλαίσια να μην είναι μόνο στη σειρά αλλά και παράλληλες. Έτσι τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ομαδοποιούνται σε φωτοβολταϊκές συστοιχίες και τοποθετούνται σε κοινή βάση στήριξης, η οποία είναι συνήθως μεταλλική.

Φωτοβολταϊκή συστοισχεία Οι φωτοβολταϊκές συστοιχείες διακρίνονται σε: Σταθερές συστοιχείες Ο απλούστερος τύπος μιας φωτοβολταϊκής συστοιχίας είναι ο σταθερός, ο οποίος έχει το πλεονέκτημα των ακίνητων τμημάτων και το μειονέκτημα ότι δεν εκμεταλλεύεται με τον μέγιστο βαθμό την ηλιακή ακτινοβολία. Στρεφόμενες συστοιχείες Για να βελτιωθεί η απόδοση συγκέντρωσης της ηλιακής ακτινοβολίας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν συστοιχίες με κινητά πλαίσια, τα οποία θα παρακολουθούν την κίνηση του ηλίου.

Φωτοβολταϊκή συστοιχεία Συστοιχίες με ανακλαστήρες/κάτοπτρα Ένας άλλος σχεδιασμός που βοηθά στην αύξηση της απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος επιτυγχάνεται με την χρήση ανακλαστήρων / κατόπτρων. Στρεφόμενες συστοιχίες με κάτοπτρα Μπορεί να χρησιμοποιηθούν στρεφόμενες συστοιχίες ταυτόχρονα με κάτοπτρα για ακόμη μεγαλύτερη πρόσληψη ηλιακής ακτινοβολίας. Η παρακολούθηση του ήλιου επιτυγχάνεται είτε περιστρέφοντας την συστοιχία προς την κατεύθυνση των ηλιακών ακτίνων, είτε ανακλώντας τις ακτίνες με την χρήση περιστροφικών κατόπτρων προς το φωτοβολταϊκό πλαίσιο.

Τα ηλεκτρονικά στοιχεία ισχύος Στα κυκλώματα ελέγχου των φωτοβολταϊκών στοιχείων αλλά και παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμοποιούνται κάποιες βασικές διατάξεις ημιαγωγικών στοιχείων. Ανάμεσα σε αυτά τα στοιχεία είναι: • Η δίοδος ή thyristor επαφών (SCR). • Το transistor ισχύος (PTR). • Το διπολικό transistor με απομονωμένη πύλη (IGBT). Εμείς θα ασχοληθούμε με τη δίοδο, το transistor ισχύος και τον τριφασικό αντιστροφέα (inverter). Αρχικά θα μελετήσουμε τη δίοδο.

Η δίοδος Δίοδος (diode), είναι το ημιαγωγικό στοιχείο, που σχεδιάστηκε, ώστε να άγει μόνο κατά μία κατεύθυνση. Στο σχήμα βλέπουμε το σύμβολο της διόδου. Αυτό το στοιχείο είναι σχεδιασμένο, ώστε να άγει από την άνοδο προς την κάθοδο και όχι προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Transistor ισχύος Τα transistor ισχύος (IGBT) χρησιμοποιούνται πολύ συχνά στον έλεγχο ηλεκτρικών μηχανών ως διακόπτες για να διακόπτουν τελείως ή να επιτρέπουν τη ροή του ρεύματος Τα transistor ισχύος χρησιμοποιούνται συνήθως σε κυκλώματα αντιστροφέων (inverters).

Τριφασικός αντιστροφέας (inverter) Σε τριφασικές εφαρμογές χρησιμοποιούνται συνήθως τριφασικοί αντιστροφείς. Είναι δυνατή η τροφοδοσία ενός τριφασικού φορτίου μέσω τριών ξεχωριστών μονοφασικών αντιστροφέων, όπου κάθε αντιστροφέας παράγει μια έξοδο. H έξοδος του κάθε σκέλους, για παράδειγμα η uAN εξαρτάται μόνο από τη Vd και την κατάσταση των διακοπτών. Η τάση εξόδου είναι ανεξάρτητη του ρεύματος εξόδου, εφόσον σε κάθε χρονική στιγμή ένας από τους δύο διακόπτες σε κάθε σκέλος είναι πάντα κλειστός.

Προσομοίωση παράλληλης σύνδεσης φωτοβολταϊκών πάνελ

Αποτελέσματα προσομοίωσης Βολτόμετρο στα άκρα φωτοβολταϊκού πάνελ Αμπερόμετρο στα άκρα φωτοβολταϊκού πάνελ Αμπερόμετρο στην έξοδο φωτοβολταϊκών στοιχείων kW κυκλώματος

Προσομοίωση σε σειρά/παράλληλης σύνδεσης φωτοβολταϊκών πάνελ

Αποτελέσματα προσομοίωσης Αμπερόμετρο στα άκρα φωτοβολταϊκού πάνελ Βολτόμετρο στα άκρα φωτοβολταϊκού πάνελ kW κυκλώματος

Τριφασικός αντιστροφέας (inverter)

Διαγράμματα Παλμογράφος στα άκρα της πηγής Παλμογράφος στα άκρα του αντιστροφέα

Παλμογράφος στα άκρα των πηνίων Παλμογράφος μετά την έξοδο του αντιστροφέα

Παράσταση τριών φάσεων

Συμπεράσματα Με την παράλληλη σύνδεση των φωτοβολταϊκών στοιχείων έχουμε μεγάλη τιμή ρεύματος με αποτέλεσμα να χρειαζόμαστε πολύ χοντρά καλώδια για την σύνδεση, που σημαίνει μεγάλο κόστος παραγωγής. Στη συνέχεια προσομοιώσαμε τη δεύτερη σύνδεση των φωτοβολταϊκών (σε σειρά/παράλληλη) όπου είναι και αυτό που χρησιμοποιείται για την σύνδεση των φωτοβολταϊκών σε στέγη. Στο κύκλωμα αυτό, αφού πήραμε πρώτα τις τιμές από την προσομοίωση, τοποθετήσαμε τον τριφασικό αντιστροφέα (inverter). Με τους παλμογράφους είδαμε πως είναι οι παλμοί στα σημεία που είναι συνδεδεμένοι. Επειδή όμως δεν θέλαμε παλμούς, βάλαμε ένα φίλτρο για να πάρουμε ημίτονο και έτσι τελικά πήραμε γραφικά τις παραστάσεις των τριών φάσεων.

Έχετε κάποιες ερωτήσεις; Καλό καλοκαίρι!