EDU-Solar.

Átírás

1 EU-Solar Zrt. Kis teljesítményű szolár villamos erőművek telepítője, karbantartója 96 kontaktórás államilag engedélyezett képzés az SzPk /1 alapján nyilvántartásba-vételi szám: E /2017/B001 (EU-Solar Kereskedelmi és Szolgáltató Zártkörűen Működő Részvénytársaság) Felnőttképző intézmény nyilvántartásba-vételi szám: E /2017 EDU-Solar EU-Solar Zrt. v4 1

2 r a u l h o. Horváth Károly r S a l U o. s D t r E dinverterek u Z A stringek rméretezése és kialakítása e a. l A napenergia-hasznosítás w o S w teljesítménymutatói w EU v4 Nyilvántartásba vételi szám: E /2017 2

3 Az előadás áttekintő vázlata, amiről szó lesz Az inverter szerepe a rendszerben. DC-DC átalakítás, DC-AC átalakítás. Az inverterek osztályozása, bemenetek, kimenetek kialakítása. Alapvető áramköri kialakítások, részegységek és funkcióik. Az inverterek paraméterei, AC és DC oldali paraméterek értelmezése, védelmi funkciók, gyártók. EDU-Solar Napelemek és inverterek összekötése, stringek méretezése. Bemeneti paraméterek és a napelemek STC paramétereinek egybevetése, maximumok meghatározása. Adott típus és darabszám meghatározása. Soros és párhuzamos kötés. Elhelyezés adottságainak figyelembe vétele, tájolás, dőlés, árnyék mozgása. Bypass dióda hatása, optimalizálók, mikroinverterek. EU-Solar Zrt. v4 Árnyék hatások. I-V görbe jelalakok. Hibák. Energiahozamok. A kívánt teljesítményhez a napelemek számának meghatározása. Nyilvántartásba vételi szám: E /2017 3

4 Napelemes rendszer blokkvázlata, az inverterek helye a napelemes rendszerben Alapvető funkcióik: - DC/DC átalakítás - DC/AC átalakítás EDU-Solar EU-Solar Zrt. v4 Hálózatra visszatápláló inverterek: A napelemek által egyenárammá átalakított energiát alakítja a hálózaton továbbítható vagy a fogyasztók által igényelt váltakozó feszültségű villamos energiává. Szigetüzemű és hibrid inverterek: Az energia átmeneti tárolását végző inverterek egy akkumulátor töltővel vannak kiegészítve, így lehetővé teszik a hálózattól független (sziget) üzemmódot, vagy a hálózat kimaradása esetén szünetmentes áramellátást biztosító tartalék üzemmódot az EPS kimenetre kötötött fogyasztóknak. Ez utóbbiak hibrid módon kombinálják az akkumulátor töltését és használatát napelemről, hálózatról, oda-vissza. Nyilvántartásba vételi szám: E /

5 Szigetüzemű Napelemről töltő Generátorról töltő Hálózatról töltő Kombinált Az inverterek csoportosítása üzemmódjuk szerint EDU-Solar EU-Solar Zrt. v4 5 Nyilvántartásba vételi szám: E /2017 5

6 Visszatápláló Hálózatra kötött, visszatápláló Hálózatra kötött, nem visszatápláló (a hálózatot csak akkor használja, ha nem elég a termelt energia) Az inverterek csoportosítása üzemmódjuk szerint EDU-Solar EU-Solar Zrt. v4 6 Nyilvántartásba vételi szám: E /2017 6

7 Hibrid működésű Hálózatra akkor táplál, ha tele az akkumulátor. Hálózatról csak kimerült akkumulátor esetén működik. Hálózati hiba esetén akkumulátorról tartja fenn az EPS kimenetre kötött fogyasztókat. Az inverterek csoportosítása üzemmódjuk szerint EDU-Solar EU-Solar Zrt. v4 7 Nyilvántartásba vételi szám: E /2017 7

8 Az inverterek csoportosítása felépítésük szerint PV Modul (mikro) inverter: Egyetlen napelemből állítja elő a hálózati váltakozó áramot. Ezen inverterek AC oldalon párhuzamosan köthetők a nagyobb teljesítmény elérése érdekében. AC Sztring inverter: A több napelem sorba kötésével kialakított füzérből nyert energiát alakítja hálózati váltakozó árammá. Ezen inverterek AC oldalon párhuzamosan köthetők a nagyobb teljesítmény elérése érdekében. PV 8 Nyilvántartásba vételi szám: E / AC

9 Az inverterek csoportosítása felépítésük szerint PV Multi-sztring inverter: Több sztring köthető ezen inverterekre, minden sztring állapotát külön-külön monitorozza, a belőlük nyert egyenáramot egy közös AD/DC átalakító alakítja váltakozó árammá. PV Központi inverter: A több sztring párhuzamosan egy közös bemenetre köthető, de ezen sztringek egymásra hatását diódás összeköttetésselkerüljük el. AC 9 Nyilvántartásba vételi szám: E / AC

10 Az inverterek felépítése, főbb alkotóelemei I. Egyenáramú (DC) bemenet. A napelemek kötődnek ide. Az itt elvégzendő feladatok: Feszültségmérés Túlfeszültség-védelem Árammérés Túláramvédelem BOOSTER áramkör (DC/DC átalakító) Feladata: Feszültségszint-áttevő áramkör. A váltakozó áramot előállító áramkör működéséhez szükséges feszültséget állítja elő, rendszerint növeli. 10 Nyilvántartásba vételi szám: E /

11 Az inverterek felépítése, főbb alkotóelemei II. Váltakozó áramú (AC) kimenet (IGBT-híd). Feladata: Kimenő jel előállítása, rendszerint PWM modulációval vezérelt nagyteljesítményű kapcsoló IGBT-híddal. Feszültségmérés Túlfeszültség-védelem Árammérés Túláramvédelem Szűrés, a PWM kapcsoló impulzusok keltette felharmónikusok eltávolítása. Lekapcsoló relé hiba esetén lekapcsolja az invertert a hálózat védelme érdekében, termelés leállásakor az energia visszaáramlását akadályozza meg az inverter felé. Vezérlő áramkörök (DSP, kommunikáció) Védelmi áramkörök (PID, AFCI) 11 Nyilvántartásba vételi szám: E /

12 Hálózatra visszatápláló inverter elvi vázlata (2 munkapontos) MPPT 1 Árammérő DC bemenet MPPT 2 Árammérő BOOSTER DC/DC BOOSTER DC/DC IGBT híd DC/AC Árammérő EMC szűrő Relék AC kimenet Vezérlő DSP Felhasználói interface 12 Nyilvántartásba vételi szám: E /

13 Inverterek elvi vázlata Két híddal felépített kimenet Egy híddal felépített kimenet, osztott kapacitás, közepén földelve 13 Nyilvántartásba vételi szám: E /

14 PWM (Pulse Wide Modulation) Impulzusszélesség-moduláció: Booster vezérlése: A bemeneten levő napelemeken megjelenő feszültség szintjét növeli a vezérlés függvényében, hogy a maximális teljesítményt vehessük ki, valamint a következő fokozat (IGBT) működéséhez meglegyen az elegendő nagyságú feszültség. IGBT-híd vezérlése: A kimenti AC jelalak előállítását végzi. 14 Nyilvántartásba vételi szám: E /

15 MPPT algoritmus (Maximum Power Point Tracking): A bemeneten levő feszültség és a napelemből kivett áram szorzata adja a napelemből kivett teljesítményt. Ezt pillanatról pillanatra méri (első téglalap az ábrán) a DSP vezérlő áramkör, és elvégzi a teljesítménykalkulációt. Ha az előző pillanatban kalkulált teljesítmény megegyezik a jelenlegivel, akkor a maximumon vagyunk, nincs mit tenni (első rombusz az ábrán). Ha nem azonos a teljesítmény (második rombusz), akkor a jelenlegi és korábbi feszültségértékektől függően emelünk vagy csökkentünk rajta, hogy megtaláljuk a maximális teljesítményű pontot, és követjük a besugárzás és hőmérséklet függvényében. DSP (Digital Signal Processor), Digitális jelfeldolgozó processzor: Azonos időnként mintákat vesz (mér) a be-és kimenetek feszültségeiből és áramaiból. Ezen mérések eredményeként dönt a következő pillanatban szükséges beavatkozásokról. A mérések és döntések között a feladattól függően mikro- vagy milliszekundumok telnek el. A beavatkozás így elég gyors. 15 Nyilvántartásba vételi szám: E /

16 Paraméterek, adatlapok 16 Nyilvántartásba vételi szám: E /

17 DC paraméterek (napelem felöli bemenet): Maximális DC bemeneti feszültség: A napelemek sorba kötésével nő az összfeszültségük. Ez tetszőlegesen nem növelhető. Hidegben a napelemek feszültsége nő, terheletlenül szintén magasabb, vagyis a napelemek száma szorozva a hidegben (-25C ) mérhető üresjárási feszültséggel (Uoc) kisebb kell, hogy legyen ennél az Umax paraméternél. Maximális bemeneti áram: A napelem sztringek párhuzamos kötésekor (szorzódik az áramerősség) a bemeneten jelentkező áram nem haladhatja meg ezt az értéket. A napelemek rövidzárási árama (Isc) kisebb kell, hogy legyen ezen Imax paraméternél, mert nem fogja tudni kivenni a napelem maximális teljesítményét. Több párhuzamos sztring esetén n*isc <= Imax eseténtudja a napelemeket maximálisankihasználni, egyébként elvésza besugárzott energia. MPPT-k száma: Azon bemenetek száma, melyeket egymástól függetlenül tud vezérelni a maximális kivehető teljesítmény eléréséért. 17 Nyilvántartásba vételi szám: E /

18 DC paraméterek (napelem felöli bemenet): Monitorozottstringek száma: Azon bemenetek száma, ahova önálló sztringeket köthetünk úgy, hogy különkülön mérjük az áramukat és feszültségüket, de nem feltétlenül kötődnek külön munkapontra (azonos a feszültségük). Induló feszültség: A besugárzástól függően a napelemeken megjelenő feszültség azon szintje, ami minimálisan szükséges az inverter bekapcsolásához. Napfelkelte esetén az alacsonyabb induló feszültségű inverter előbb kezd termelni. (A Booster hatékonyságára utal). Munkaponti feszültségtartomány (teljes terheléshez tartozó): A napelemek terhelésekor leesik a feszültségük és el kezd folyni az áram. Azon tartomány, ahol terheléskor képes megtalálni a maximális pontot. Maximum javasolt PV teljesítmény: Ennél a teljesítménynél nem érdemes több napelemet rákötni, mert nem fogja maximumon terhelni, a besugárzott energiából nem tuja a maximumot hasznosítani. 18 Nyilvántartásba vételi szám: E /

19 AC paraméterek Maximális kimeneti teljesítmény: Ennél a teljesítménynél többet nem fog a hálózat felé engedni. Ezzel lehet számolni a csatlakozási dokumentáció kitöltésekor. Maximális kimeneti áram: Az áramvédő kismegszakító értéke ennél nagyobb kell legyen! Névleges feszültség: A hálózati feszültségre szinkronizálódást ezen tartományban képes megtenni az inverter. Ha ezen kívül esik a feszültség, akkor lekapcsol önmaga és környezete védelmében. Hálózati frekvencia: Ezen frekvenciatartományban képes szinkronizálódni a hálózati feszültségre. Teljesítmény tényező: Ezen tartományban képes induktív vagy kapacitív irányba eltolni az előállított kimenő teljesítményt. Kimeneti jelalak: Hálózatra visszatápláló esetben kizárólag szinuszos lehet. Torzítás (THD): A kimenő jel alakjának felharmónikus tartalma, mennyire tér el a tiszta szinusztól. 19 Nyilvántartásba vételi szám: E /

20 Hatásfok Maximális Euro MPPT Mechanikai paraméterek Méret, súly, zaj, IP (környezeti behatás tűrés) besorolás, hőmérséklet és páratartalom tartomány, légnyomás, stb. Kommunikációs és konfigurációs paraméterek Az inverterhez kötődő külső eszközök szabványosított csatlakozásokon és jelekkel kommunikálnak. Ezek a következők lehetnek: RS232 csatlakozó RS485 csatlakozó WiFi/LAN/Link/GPRS BlueTooth/Zigbee/RF/Webbox Felhasználói interface (kijelző, gombok, tekerők jeladók, potméterek, kopogás,..) 20 Nyilvántartásba vételi szám: E /

21 Védőáramkörök Az inverterhez kötődő külső áramköri elemek lehetnek olyan kiegészítő eszközök, melyek növelik az üzembiztonságot és érintésvédelmet, valamint a napelemek rendellenes működését észlelik, vagy azt megakadályozzák: AC kapcsoló AC relék DC kapcsoló Túláramvédelem (DC és AC) Túlfeszültségvédelem (DC és AC) Szigetelési ellenállás ellenőrzés Földelési ellenállás ellenőrzés Anti-PID AFCI 21 Nyilvántartásba vételi szám: E /

22 SZTRINGEK MÉRETEZÉSE Az ÜGYFÉLNEK mindig igaza van... - Mi a gond? - A rendszer nem termel annyit, mint amennyit kellene. - Miért? Mennyit kellene termelnie? -38 darab 255W-os napelem van a tetőn és egy 9kW-os inverterre van kötve, de 7.2kW-nál többet sose láttam a kijelzőn. Nyilvántartásba vételi szám: E /

23 Akkor számoljunk! A napelem 255W-ot STC körülmények között tud termelni, 38x255Wp=9,69kWp. (Merőlegesen, 1kW/m 2, 25 C, 1.5AM) 1. Milyen a tájolás? Keleti oldalon 14 fért el, és déli a többi (24). OK, akkor a két tájolás csúcsteljesítménye soha nem esik időben egybe. A napelem Nap felé néző felülete a nappal bezárt szög koszinuszával arányos: 1.6m 2 -es napelem α. Napra merőleges felülete=1.6xcos(α) A tető dőlésszöge és a tájolás szöge együtt határozzák meg ezt az α szöget. Pl., ha délben a déli tájolású napelemek tetődőlése 45, és az északi szélesség 45 -án vagyunk napéjegyenlőség napján, akkor 100% a felület. 30 -os tetőnél 15 -al térünk el ettől, ami 96,6%-ot jelent. Minden egyes eltérés akár napszakban, akár évszakban, akár szélességi körben, akár tetődőlésszögben, csak ront a hatásos felületen. Ebből adódik, hogy ha a déli tetőn csúcs van, akkor a keletin már kisebb a teljesítmény, ugyanis a merőleges besugárzás minden tájolásnál egy időben nem teljesül. Az 1kW/m 2 sem teljesül a napszaknak és évszaknak megfelelően. 23 Nyilvántartásba vételi szám: E /

24 Akkor számoljunk! A napelem 255W-ot STC körülmények között tud termelni, 38x255Wp=9,69kWp. (Merőlegesen, 1kW/m 2, 25 C, 1.5AM) 2. Milyen a hőmérséklet? Most nyáron 30 C van. OK, de ez a levegő hőmérséklete nem a napelemé! Az adatlap a napelemről ad tájékoztatást. Ha süti a Nap, akkor termel, ami tovább melegíti, ilyenkor C a napelem hőmérséklete. Pont akkor, amikor hét ágra süt a Nap, nem teljesül a 25 C. A teljesítmény hőfokfüggése jelen esetben -0.45%/ C. A 25 és 50 fok közötti különbség 25 C, ami -0.43x25= % teljesítménycsökkenés lesz: 255x( )=227.59W 3. Milyen a napelemek összekötése (hogyan vannak kialakítva a stringek)? Keleten 14 egy sorban, délen 12 van sorban és ebből kettő párhuzamosan. Lássuk csak: MPPT2 (Kelet) MPPT1 (Dél) 24 Nyilvántartásba vételi szám: E /

25 Akkor számoljunk! A napelem 255W-ot STC körülmények között tud, 38x255Wp=9,69kWp. (Merőlegesen, 1kW/m 2, 25 C, 1.5AM) Kelet: 14x227.59=3186W 30 -os tető esetén 96.6%-a: 3077W Délben 45 -al eltérő irányban jön az energia: cos(45 )=0.7: 2175W Keleti csúcsteljesítménynél: = 6807W Déli csúcsteljesítménynél: = 7451W Dél: 24x227.59=5462W 30 -os tető esetén 96.6%-a: 5276W Délelőtt 45 -al eltérőirányból jön: 3730W Nem számoltunk a légköri hatások miatti veszteségekkel, és a geo koordináták, éves besugárzási adatok területi eloszlása miatti különbségekkel. 5%-ban maximálva ezek hatását a déli csúcs 7.08kW-ra adódik. Vagyis igaza van az ügyfélnek. De tényleg nem tud többet a rendszer? 25 Nyilvántartásba vételi szám: E /

26 Akkor számoljunk! 9kW-os az inverter. OK, de mik a paraméterei ennek az inverternek? Nyilvántartásba vételi szám: E /

27 Akkor számoljunk! MPPT2 (Kelet) MPPT1 (Dél) Nézzük a stringek feszültségeit. A napelemek munkaponti feszültsége: UMPP= 30.32V STC, 50 C on ez 10%- kal kevesebb: 30.32x(-0.33%)=10%, vagyis 27,28V Kelet 14db: 14x 27.28= 382V Dél 12db: 12x 27.28= 327V Mindkét string feszültsége kisebb, mint az inverter bementi feszültség maximuma (1000V), ebből a szempontból jó. A déli string az induló feszültségnél (350V) viszont alacsonyabb. Igen, de induláskor nem az MPPT feszültség, hanem a terheletlen UOC jelenik meg a napelemeken: 12x38.02=456.24V, ami szintén jó. A munkaponti tartományban ( V) szintén benne van mindkét string. A keleti string árama kisebb, mint a bemeneti maximum (8.41A), a déli két párhuzamosan kötött délinél viszont már nem (2x8.41 > 15A). Ez nem jó. 27 Nyilvántartásba vételi szám: E /

28 Nézzük a mérést! Akkor mi a hiba? Látjuk, hogy az ügyfél miből gondolja azt, hogy nem jó a rendszere. Láthatjuk azt is, hogy a számításaink jó közelítéssel megegyeznek a mért értékekkel: Pmax = 7kW, Udc = 320V, Imax = 8 és 15A. 28 Nyilvántartásba vételi szám: E /

29 Akkor mi a hiba? 29 Nyilvántartásba vételi szám: E /

30 Akkor mi a hiba? 30 Nyilvántartásba vételi szám: E /

31 Akkor mi a hiba? 1. Megfelelően lett tájékoztatva az ügyfél? 11MWh óra lett megígérve a villanyszámla alapján. 2. Megfelelően lett felmérve a telepítési hely? Nem biztos, mert a telepítőnek hezitálnia kellett a tetőn, hogyan alakítsa ki a stringeket. 3. Megfelelően lett méretezve a rendszer? 9KW-os inverterrel 1000 napsütéses órával számolva 9MWh várható minimum. Ez lehet, hogy alá lett becsülve. A tető dőlése miatt lett több napelem tervezve, de nem biztos, hogy ez elegendő. 4. Megfelelően lett telepítve a rendszer? A tájolás, dőlés alapján nem volt más megoldás, a maximális tetőfelület lett kihasználva (a nyugati maradt üresen). 5. Konklúzió: Az éves termelés méréseit nézve 5 hónap alatt 6.2MWh-t gyűjtött össze. Ha 7 hónap alatt a maradék 4.8MWh-t összegyűjti, akkor jó a rendszer a hibák ellenére is. Sőt a 3. pontbeli becslést erősen túlteljesíti. A déli két string sorba kötése magas feszültséget eredményez, abból kettő napelemet át kell kötni a keleti oldalra. Ez a keleti oldalon viszont a besugárzás eltérő szöge miatt korlátozza a maximálisan kivehető áramot. Erre a két napelemre egy optimalizálót kötve az áram maximuma visszaállítható. Ezzel a változtatással mindkét string feszültsége magasabb lesz, és az optimális pontkereső szabályozás is működni fog (a feszültség grafikonon is láthatóvá válik). 31 Nyilvántartásba vételi szám: E /

32 Stringek kialakítása A string: napelemek felfűzése egy láncba, egymással sorba kötött napelemek. Maximálisan összeköthetők számát az inverter maximális bemeneti DC feszültsége és a napelemek -25 Con mért nyitott kapcsos feszültsége határozza meg: N <= egészrésze(u DCmax /U OC(-25) ). Az inverternek azonban be is kell tudni kapcsolnia, vagyis van minimális előírás is a napelemek számára. Minimum annyi kell, hogy terheletlenül a feszültség meghaladja az induló feszültséget (még nyáron 25 C is): n >= egészrésze(u START /U OC ). A napelemek száma tehát n és N között kell, hogy legyen egy stringben. Stringen belül lehetőleg csak egyforma teljesítményű, de legalább egyforma munkaponti áramú napelemeket kössünk. Ennek oka a sorba kötés, a leggyengébb láncszem határozza meg a közös áramot, a nagyobb teljesítményűek nem lesznek optimálisan kihasználva. A szükség esetén cserélendő napelem újabb gyártmány lesz, ami nagyobb teljesítményű, a régebbieket nem fogja lerontani. 32 Nyilvántartásba vételi szám: E /

33 Stringek kialakítása Amennyiben nem elegendő az egy stringből nyerhető energia, köthetünk párhuzamosan is stringeket. Ennek feltételei vannak: 1. Egyforma feszültségű stringeket lehet csak párhuzamosítani. 2. Ha javítás miatt cserélni kell egyet, akkor a párhuzamos stringek mindegyikében kell egyet azonos újabbra cserélni, hogy a feszültségegyezés megmaradjon. 33 Nyilvántartásba vételi szám: E /

34 Stringek kialakítása Az optimalizáló eszközök nem adnak energiát hozzá a rendszerhez. Törekedni kell arra, hogy árnyékba ne telepítsünk napelemet, még időszakos árnyékba se. Ha ez nem elkerülhető, akkor az optimalizálók segítenek abban, hogy az éppen árnyékba került napelem ne hiúsítsa meg az egész string energiagyűjtését, intelligensen kisöntöli magát az áramkörből, és a többiek árama továbbra is tud folyni a körben. 34 Nyilvántartásba vételi szám: E /

35 35 Nyilvántartásba vételi szám: E /

36 Stringek kialakítása Hasonló megoldást jelent az árnyék esetére a mikroinverterek alkalmazása, hiszen napelemenként alakítjuk a DC-t AC-vá. Ebben az esetben nem beszélhetünk stringről, hiszen nem a napelemeket kötjük össze, hanem az inverterek kimenetét párhuzamosítjuk. 36 Nyilvántartásba vételi szám: E /

37 Kérdések? EU-Solar Zrt. (EU-Solar Kereskedelmi és Szolgáltató Zártkörűen Működő Részvénytársaság) Felnőttképző intézmény, nyilvántartásba-vételi szám: E /

38 Köszönöm a figyelmet! Elérhetőségek: growatt@hk-tronic.hu EU-Solar Zrt. (EU-Solar Kereskedelmi és Szolgáltató Zártkörűen Működő Részvénytársaság) Felnőttképző intézmény, nyilvántartásba-vételi szám: E /