Dimenzování autonomních fotovoltaických systémů
Dimenzování autonomních fotovoltaických systémů je důležitá součást jejich návrhu a je aktivním předmětem výzkumu. V té nejzákladnější formě, doporučí příslušný algoritmus optimální velikost fotovoltaickéhu panelu a baterie nebo vztah mezi nimi, který se obvykle nazývá dimenzační křivka (anglicky sizing curve).
Používané způsoby dimenzování lze najít např. v odkazech [1-6]. Tento referát shrnuje způsob dimenzování vyvinutý na Univerzitě v Southamptonu, publikovaný v [7- 9] a používaný například k dimenzování slunečních chladniček na vakcíny.
Tak jako mnoho jiných metod je tento způsob dimenzování založen na jednoduchém systémovém modelu, který předpokládá provoz fotovoltaického systému bez systémových ztrát. Tyto ztráty se posléze vezmou v úvahu zvětšením fotovoltaickéhu panelu činitelem CA, zvaným "array oversize factor" nebo "array to load ratio" /10/. Nazvěme průměrné denní sluneční záření v rovině panelu Gd a denní spotřebu elektřiny L (předpokládanou jako konstantní). V systému beze ztrát lze pak potřebnou velikost fotovoltaického pole vyjádřit jako
Bereme-li v úvahu systémové ztráty, musí se fotovoltaické pole zvětšit o faktor CA (≥ 1) na velikost P = CA Po.
Příspěvek byl prezentován v rámci jubilejního 30. ročníku konference Nekonvenční zdroje elektrické energie 2009 (NZEE 2009).
TZB-info je od roku 2009 mediálním partnerem této konference.
Letošní 32. ročník konference se koná 5. až 7. září 2010 ve Sport V Hotelu v Hrotovicích u Třebíče. Podrobnosti viz Kalendář akcí.
Předložená metoda považuje parametr CA zcela obecně jako bezdimenzionální míru velikosti fotovoltaického pole, který se určí právě dimenzačním algoritmem. Bere se při tom v úvahu energetická bilance systému během jisté (většinou několikaleté) historické posloupnosti dnů, pro které existují data o denním slunečním záření.
Obrázek 1 - (a) Data denního slunečního záření pro Londýn a hlavní klimatický cyklus koncem roku
1989 a začátkem 1990. (b) Energetická bilance fotovoltaického systému určená systémovým modelem.
Uvažujme, že během několika nc dní bylo průměrné denní sluneční záření rovné <Gd>cc , menší než dlouhodobý průměr Gd (viz příklad konkrétních dat pro Londýn na obr 1). Během tohoto období (které nazvěme klimatickým cyklem) se energetická bilance systému skládá z energie ( ncP <Gd>cc ) vyrobené slunečními články, snížené o spotřebovanou energii ncL. Aby fotovoltaický systém mohl dodávat elektřinu nepřetržitě, musí být tento energetický deficit pokryt energií uloženou v baterii. Označíme-li velikost baterie v jednotkách energie jako B, lze podmínku nepřetržitého provozu vyjádřit vztahem:
Použijeme-li nyní CA a definujeme-li počet dní autonomie CS = B/L, nabude vztah (2) tvaru:
Parametry CA, CS lze chápat jako koordináty v jisté konfigurační ploše, kde body stanoví velikost fotovoltaického systému. Výraz (3) pak představuje část roviny omezené přímkou, jejíž rovnice je dána vztahem (3), kde se vymění symbol nerovnosti za = (viz obr. 2, kde tato část roviny je zobrazena vyšrafováním). Několik klimatických cyklů pak vyústí v případ zobrazený na obr. 3. Můžeme si představit, že v extrému mnoha klimatických cyklů budou tyto přímky definovat křivku, která souhlasí s dimenzační křivkou jiných prací (obr. 4).
 Obrázek 2. Část konfigurační roviny daná vztahem (3) |
 Obrázek 3. Část konfigurační roviny odpovídající systémům navrženým podle několika (dvou) klimatických cyklů. |
Obrázek 4 . Dimenzační křivka dosažená limitním přechodem mnoha
klimatických cyklů.
Literatura
[1] S. Silvestre, Review of system design and sizing tools, in T. Markvart and L. Castaner (eds), Practical Handbook of Photovoltaics: Fundamentals and Applications, Elsevier, Oxford (2003).
[2] J.M. Gordon, Optimal sizing of stand alone photovoltaic solar power systems. Solar Cells 20 (1987) 295
[3] L.L. Bucciarelli, Estimating loss-of-power probabilities of stand-alone photovoltaic energy systems, Solar Energy 32 (1984) 205.
[4] L.L.Bucciarelli, The effect of day-to-day correlation in solar radiation on the probability of loss-of-power in a stand-alone photovoltaic energy system, Solar Energy 36 (1986) 11.
[5] M.A. Egido and E. Lorenzo, Review of sizing and a proposed new method, Solar Energy Materials and Solar Cells 26 (1992) 51.
[6] E. Lorenzo et al, Solar Electricity: Engineering of Photovoltaic Systems, Progensa, 1994.
[7] T. Markvart, A. Fragaki and J.N. Ross, PV system sizing based on observed time series of solar radiation, Solar Energy, Vol. 80, pp. 46-50, 2006
[8] A. Fragaki and T. Markvart, Stand-alone PV system sizing: Results using a new sizing approach". Renewable Energy 33, 162-167 (2008).
[9] A. Fragaki and T. Markvart, Does climate change affect the design of stand-alone PV systems?". Progress in Photovoltaics: Research and Applications 13, 635 (2005)
[10] IEEE Standard 1562. IEEE Guide for Array and Battery Sizing in Stand-Alone Photovoltaic (PV) Systems (2007)
A sizing approach for stand-alone PV systems design is defined in this paper. The algorithm is based on detailed study of the minimum storage requirement and an analysis of the sizing curves. The analysis reveals the importance of using daily series of measured solar radiation data instead of monthly average values. For high-reliability systems, it is important that these data series are as long as possible.
