Samostalni i posebni izvori električne energije Univerzitet u Beogradu, Elektrotehnički fakultet, Katedra za energetske pretvarače i pogone, Prof. Dr Zoran Radakovic Kontakt: radakovic@etf.rs Predmet: Specijalne električne instalacije (izborni predmer, četvrta godina studija, sedmi semestar, Energetski odsek) Samostalni i posebni izvori električne energije Solarni generatori Vetrogenetratori Školska 2011 / 2012 godina Poglavlje 2 / Deo 3 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Solarni generatori električne energije Princip rada: U graničnom sloju između "p" i "n" slojeva postoji potencijalna razlika, odnosno električno polje, jačine E, usmereno ka sloju "p". Kada se površina pločice "n" izloži dejstvu sunca, fotoni izbijaju "višak" elektrona, koje će prihvatati sile električnog polja. Ako je, pri tome, između krajeva ovih pločica formirano spoljne električno kolo, kao što je to na slici pokazano, kroz njega će proteći električna struja. Jačina struje zavisi od gustine snage zračenja sunca i površine pločice. Solarni generator se približno ponaša kao strujni generator: struja kroz spoljašnje električno kolo zavisi od površinske gustine sunčevog zračenja, i ostaje ista u širokom opsegu napona spoljnog kola. Strašno važno: na strujno-naponskoj karakteristici postoji tačka maksimalne snage generisane električne energije 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Za razliku od jačine struje, potencijalna razlika između pločica ne zavisi od površine pločice. Za dobijanje određenog napona potrebno je povezati odgovarajući broj pločica na red. Za dobijanje određene struje potrebno je određen broj pločica određene površi povezati paralelno. Objašnjenje naponsko-strujne karakteristike generatora: Na slici je prikazana zamenska šema pn spoja solarnog generatora Rs – sopstveni serijski otpor i Rp – sopstveni paralelni otpor Serijski otpor: otpornosti n i p slojeva i otpor elektroda Paralelni otpor: mikrodefekati i nečistoća unutar solarne ćelije Tipične vrednosti kod silicijumskih solarnih generatora: Rs < 0.5 Ω Rp > 500 Ω; u prvoj aproksimaciji se može zanemariti Id struja povratne difuzije If fotostruja 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic E – iradijansa sunca (W/m2) T – apsolutna temperatura PV modula (K) Temperatura PV modula zavisi od temperature ambijenta, iradijanse i brzine vetra (približna formula dobijena iz termičkog modela solarnog panela): Problem: Parametri u prethodnim izrazima nisu poznati – proizvođači solarnih panela ih ne daju. Dakle, da bi se modelovalo ponašanje solarnih panela, potrebno je parametre u prethodnim izrazima odrediti iz podataka koje standardno daju proizvođači. 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Opcija za određivanje parametara 1: Iz karakteristika struja (napon), sa sunčevom iradijansom kao parametrom Numeričkim postupkom se iz velikog broja tačaka estimiraju parametri matematičkog modela izloženog na prethodna dva slajda. Pogodan alat: Matlab Mana: potrebno je “digitalizovati” karakteristike (skidati tačke sa grafika) Prednost: Veliki broj tačaka, predeterminisan sistem i određivanje parametara koji dobro pokrivaju sve tačke na karakteristikama solarnih panela. 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Opcija za određivanje parametara 2: Koristeći parametre koji se u katalozima standardno daju kao podaci o solarnim panelima (vrednosti se daju za 1000 W/m2, 250C i standardni spektralni sastav zračenja AM 1.5): Napon praznog hoda Struja kratkog spoja Maksimalna snaga Napon pri kome se postiže maksimalna snaga Struja pri maksimalnoj snazi Temperaturni koeficijenti za 1) – 4) U izrazima na slajdu 4 i slici na slajdu 3 figuriše 6 parametara, tako da je potrebno 6 jednačina: 4 se postavljaju prema 1) – 4) za nominalnu temperaturu, a dodatne dve se postavljaju za Struju kratkog spoja i napon praznog hoda određene za temperaturu različitu od nominalne (ove vrednosti se određuju korišćenjem temperaturnih koeficijenata 6) iz kataloga proizvođača). Rešava se sistem od 6 nelinearnih jednačina sa 6 nepoznatih. Pogodan alat: Mathcad Mana: nije realna tačnost pokrivanja svih tačaka na karakteristikama solarnih panela kao kod primene opcije 1 Prednost: Brži postupak, jer ne mora da se očitava čitava kriva Alternativa opciji 1 je formiranje Look-up tabela sa krivama struja (napon) za različite sunčeve iradijanse (za vrednosti za koje ne postoje krive vrši se interpolacija). 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Sa promenjenim referentnim smerom struje I na zamenskoj šemi Napon otvorenog kola: Struja kratkog spoja: Faktor ispune: Kod dobrih solarnih generatora 0.7-0.9 Un i In predstavljaju nominalni napon i struju – vrednosti koje odgovaraju maksimumu snage – ona se definiše pod standardnim uslovima ispitavanja: površinska gustina snage sunčevog zračenja 1000 W/m2, referentni solarni spektar AM 1.5 (ovo definiše spektralnu raspodelu zračenja koje obasjava ćeliju) i temperatura ćelije od 25º Zavisi od sunčevog zračenja i od temperature. Zavisi od sunčevog zračenja i veoma malo od temperature. 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Stepen iskorišćenja: Is – površinska gustina sunčevog zračenja S – površina solarnog generatora Vrednosti stepena iskorišćenja (odnos energije pretvorene u električnu i ukupne sunčeve energije koja padne na ćeliju), za različite tipove solarnih ćelija: - monokristalne od 12% do 15%, - polikristalne do 14%, - multikristalne od 11% do 14%, - amorfne od 6% do 7% Načini korišćenja generatora: Kao samostalnog izvora Kao izvora električne energije koja se predaje mreži (koncept stalnog praćenja maksimuma snage (mpp tracking); energetskim pretvaračem se na izlazu iz solarnog panela stalno održava maksimalna snaga koju on može da daje (sa promenom sunčevog zračenja menja se vrednost ove snage, ali i napon pri kome se maksimum snage dostiže)) 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Struktura pretvarača i Simulink model: Output buck Pole changer PV panel Input buck Resonant Inverter Filter THE CAPACITOR Grid Kondenzator (THE CAPACITOR) predstavlja “rezervoar energije”: upravljanje Buck konvertorom se vrši tako da se izvuče maksimum energije iz solarnih panela, a upravljenjem invertorom (izveden preko Izlaznog buck-a (Output buck) i Obrtača faze (Pole changer)) se napon na ovom kondenzatoru održava na nominalnoj vrednosti. Resonant inverter radi na 100 kHz i služi kao DC/DC pretvarač; primenom visoke učestanosti se smanjuje gabarit i cena transformatora. 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Kompletan Simulink model 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Subsystem “photo current and diode” Ilustracija detalja modela: Subsystem PV module Subsystem “Diode” Subsystem “Iph = f(Tc,E)” 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Projektovanje solarnih generatora kao samostralnih izvora energije Kataloški podaci prema kojima se vrši projektovanje: Srednja dnevna dohodovnost solarnih generatora na određenom mestu postavljanja (Ah/dan). Prema njoj se vrši izbor solarnog generatora. Minimalna dnevna dohodovnost solarnih generatora na određenom mestu postavljanja (Ah/dan). Prema njoj se vrši izbor baterije akumulatora Tip Nominalni napon Maksimalna struja Sposobnost transformacije energije Dimenzije (mmxmmxmm) Qmax Qsr Qmin SM 10 13.5 V 0.74 A 5.8 Ah/dan 3.8 Ah/dan 0.8 Ah/dan 920x320x10 SM 20 1.48 A 11.6 Ah/dan 7.6 Ah/dan 1.6 Ah/dan 920x625x10 SM 30 2.22 A 17.4 Ah/dan 11.4 Ah/dan 2.4 Ah/dan 920x920x10 SM 40 2.96 A 23.2 Ah/dan 15.2 Ah/dan 3.2 Ah/dan 1255x920x10 O isplativosti solarnih generatora: Samostalni svakako mogu da budu isplativiji nego izgradnja mreže (ako je ona uopšte moguća). Solarna energija je ipak izvesnija od energije vetra i manje zavisi od mikro lokacije. Čak i da se u ovom trenutku solarni generatori sa ekonomskog i ekološkog aspekta ne isplate, postoji strateški interes da civilizacija (pre svega bogatije zemlje, koje su tehnički i finansijski sposobne) ulaže novac u razvoj u ovoj oblasti kako bi se došlo do isplativih tehničkih rešenja. Razvoj košta – neko mora da plati visoko stručni rad istraživača i inženjera da nešto naprave. 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Tačnija procena energije generisane solarnim panelima (solarnim generatorom): Vrši se na osnovu procenjene vrednosti sunčeve iradijanse – površinske gustine snage zračenja koja pada na površ solarnog panela Proračun solarne iradijanse je relativno komplikovan i uzima u obzir trenutno rastojanje i položaj zemlje u odnosu na sunce (zemlja rotira oko sunca i oko svoje ose – osnovne informacije se mogu naći na http://spec-instalacije.etf.rs/GreenEnergyCalculatorInfo.pdf, gde je opisan solarni kalkulator, kao deo kompleksnijeg softvera za proračun hibridnog sistema napajanja), kao i klimatološke i meteorološke faktore Rezultat softvera solarnog kalkulatora su vrednosti solarne iradijanse u svakom trenutku, na bio kom mestu na zemaljskoj kugli (specificirano geografskom širinom, dužinom i nadmorskom visinom). Pored navedenog mesta na Zemlji, iradijansa izračunata solarnim kalkulatorom zavisi i od specificiranog položaja ravni solarnog panela (istok/zapad, sever/jug i nagib u odnosu na površ zemlje) Snaga generisanja električne energije solarnim generatorom se izračunava iz prethodno opisane solarne iradijanse na ravni panela, a korišćenjem uprošćenih izraza dobijenih polazeći od prethodno opisanog matematičkog modela solarnih panela (nema potrebe da se koriste kompletne krive ili kompletan model solarnog generatora već se dovoljno precizna procena snage može izvršiti prema uprošćenim, jednostavnim za programiranje, izrazima). 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Dakle, pimena solarnog kalkulatora omogućava procenu solarne iradijanse u svakom trenutku – razumno je izračunavati i koristiti satne vrednosti solarne iradijanse. Ovaj rezultat omogućava dobru procenu električne energije generisane solarnim panelima u slučaju: da oni isporučuju električnu energiju u mrežu (tada je važniju podatak o ukupnoj energiji, zbog procene zarade – videti ilustraciju takvog rezultata na sledećoj slici) u slučaju da se radi o off grid napajanju (tada je važan i podatak o vremenskoj raspodeli generisane energije, jer od nje zavisi tehničko rešenje, odnosno nominalni podaci odabrane opreme). 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Vetrogeneratori električne energije Primenjuju se suštinski različita rešenja za Male generatore – samostalne izvore (reda veličine nekoliko kilovata), Velike generatore – mrežne izvore energije (do nekoliko megavata) Konstrukcije električnog generatora za samostalne izvore Sinhroni generatori sa permanentnim magnetom Sinhroni samopobudni generatori Asinhroni generator (rad se zasniva na postojanju rezonantnog kola koje čine asinhrona mašina, pomoćni kondenzatori i prijemnik) Konstrukcije električnog generatora kod mrežnih izvora Asinhrone mašine (reaktivna energija magnećenja se uzima iz mreže; kada se sa osovine javi pogonski momenat, klizanje postaje negativno i asinhrona mašina radi kao generator) Sinhrone mašine (u ABB review, Number three, 2000 je prikazan sistem sa sinhronim generatorima i ispravljačima, pri čemu se više ovakvih sklopova vezuje paralelno, pa se zatim zajedničkim invertorom vrši generisanje naizmeničnog napona mrežne učestanosti i napona) 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Neki bitni aspekti: Od suštinskog značaja je potencijal vetra, odnosno raspodela brzine vetra tokom vremena: kod samostalnih izvora da bi se odredila potrebna snaga vetrogeneratora koji treba da zadovolji potrebe električne potrošnje kod izgradnje velikih generatora (farmi vetrogeneratora, koji se priključuju na mrežu) da bi se procenila energija koja će se dobiti, a samim tim i finansijska dobit, što je odlučujući faktor za donošenje odluke za ulazak u investiciju gradnje farme vetrogeneratora. Kod velikih mrežnih generatora regulacija je jednostavnija jer su oni priključeni na mrežu, koja je relativno kruta (konstantna učestanost i može da primi snagu isporučivanu od strane generatora). Varijacije snage generatora, kao posledice varijacije brzine vetra, se odražavaju na aspekte kvaliteta električne energije u mreži, što je tema od interesa za elektroenergetske sisteme. Primeri mehanizama regulacije: rotacija lopatica oko njihove ose (ugao ) – “pitch”, čime se menja napadni ugao ravni lopatica, odnosno veličina napadne površine. Na taj način se utiče na mehanički momenat na osovini generatora električne energije disipacija viška energije na otporniku (kod manjih snaga) Bez obzira na mehanizme regulacije, tehno-ekonomski faktori ograničavaju opseg korišćenja energija vetra na oblast brzina vetra od 5 m/s do 25 m/s. 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Ilustracije nekih specifičnosti za mrežne vetrogeneratore: (farma 30x850kW, po 10 generatora priključeno na jedan vod – XHE 49-(A), 1 x 150 mm2, 35kV) : Generator je asinhrona mašina, 850kW, 3x690V, koja se isporučuje sa svojim transformatorom 3x690V / 3x35kV. Transformator je smešten u podnožju stuba, i strana 3x690V mu je sa vetrogeneratorom povezana vodom preseka 2x240mm2 i dužine 40m. Snaga kratkog spoja mreže na mestu priključka na 35kV iznosi 750MVA, što je bitan podatak za određivanje struja kratkog spoja i flikera – varijacija efektivnih vrednosti napona (u 50Hz-nim periodima) sa učestanošću 2-3 sekunde. Ispostavlja se da je ekonomski bolje uzeti konstantan presek voda 35kV nego presek određivati od jednog do drugog stuba, prema snazi koja se prenosi preko te deonice (850kW, 1.7MW, . . ., 8.5MW) Proračun kratkog spoja se vrši po metodologiji za kvar blizu generatora. Za specificirani raspored stubova, odnosno mesta povezivanja generatora na vod 35kV i dužine deonica između stubova, potrebno je proveriti vrednosti struja kratkog spoja za kvar na svakom mestu (stubu), kako bi se sa sigurnošću odredio najkritičniji slučaj. Zbog varijacije brzine vetra, i “nesavršenog” mehanizma regulacije, snaga generatora koja se može priključiti na mrežu je ograničena i izračunava se po formuli Za dozvoljenu varijaciju napona od u = 2%, Sks = 750 MVA i faktor koji karakteriše vetrogenerator C = 3 (dobija se kroz proces sertifikacije vetrogeneratora, na bazi dužeg praćenja – merenja - njegovog ponašanja u toku rada), dolazi se do vrednosti od 4.25MW (pet generatora). Rešenja: povezivanje na 110kV (potreban transformator 110kV/35kV) ili dinamička kompenzacija reaktivne snage) 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Vetrogeneratori kao samostalni izvori električne energije: Dimenzionišu se tako da daju količinu energije zahtevanu od strane prijemnika Ovaj energetski bilans se posmatra u određenom vremenskom periodu Neravnomernost proizvedene i utrošene električne energije se pokriva iz baterije Baterija nije namenjena da pokriva potrošnju u dužim vremenskim periodima male energije proizvedene od strane vetrogeneratora – na primer letnji meseci Orijentaciono, baterija se može dimenzionisati tako da može da pokrije razlike generisane i utrošene električne energije u toku jednog dana sa malim brzinama vetra ili procenjenih nekoliko uzastopnih dana sa veoma malim brzinama vetra. Tipični dnevni dijagrami promene brzine vetra za Zimsku sezonu (puna linija) i Letnju sezonu (isprekidana linija) Dakle, vetrogenerator mora u toku tipičnog (srednjeg) zimskog dana da daje energiju veću od električne energije utrošene od strane prijemnika; on se dimenzioniše tako da može da snabdeva prijemnike i u toku letnjeg perioda. 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Određivanje generisane energije se dobija integracijom snage generisanja električne energije, polazeći od dnevnog dijagrama brzine vetra i karakteristike vetro generatora. Karakteristika generatora Važi za gustinu vazduha (nulta nadmorska visina i temperatura ambijenta 150C) Iz karakteristike generatora, koristeći izraz u kome se koristi faktor Cp (capacity factor) se dolazi do sledeće karakteristike: 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic

Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic Koristeći karakteristiku zavisnosti capacity factor-a Cp od brzine vetra, snaga pri definisanoj brzini vetra (v), pri temperaturi Ti i na nadmorskoj visini h, izračunava se iz izraza: 11/10/2018 Predmetni nastavnik: Prof. dr Zoran Radakovic