Mikrovõrgud ehk elektrienergia tootmine hooneteshoonetes

Argo Rosin, D.Sc.Eng

Energeetikateaduskond

Tallinna Tehnikaülikool

Lokaalse energiatootmise võimalused

• PV-paneelid

• Päikesekollektorid

• Tuulegeneraatorid

• Koostootmisjaamad

• Gaasiturbiinid

• Hübriidlahendused

Keskmine päevane kiirgus kuus (Harku 2005-2009)

250300350400450500550600650

Wh/m²

050

100150200250

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

Time, hoursJanuary February March AprilMay June July AugustSeptember October November DecemberSun average

PV-paneelid linnas

PV-paneelide eelised ja puudused

• Tootmine langeb kokku büroohoonete tarbimisega

• PV-süsteem silub tarbimise tipud

• Talvel ja suvel energia tootlikkuses sõltuvalt kaldenurgast ja päikese järgitavusest 20…50 kordne vahe

• Suvine soojus suurendab ja talvine jahedus • Suvine soojus suurendab ja talvine jahedus vähendab kadusid,

• Väikese kaldenurgaga paneelidel talvine hoolduskulu suurem ja energiatootlikkus väikesem

• Eestis hajutatud kiirguse osakaal suur ‒ järgivajamite tasuvus küsitav

• Kasutegurid vahemikus 5…20%

Päikese järgimisest ja paneelide kaldest saadav võit

• Suvel kuni 50% ja talvel kuni 300%. Absoluutväärtustes on suvine võit suurem

• Kesk-Euroopa laiuskraadidel on PV-paneelidel kaheteljelise järgivajamiga saadav võit kuni 30% ning üheteljelise järgivajamiga 20%

• Kesk-Euroopa laiuskraadidel on terve aasta kasutatavatel statsionaarsete PV-paneelide kalle 30°kasutatavatel statsionaarsete PV-paneelide kalle 30°suunaga lõunasse. Suvel 10°...20°, talvel 60°...70°. Lähtudes tootlikkusest on soovituslik kalle Eestis ca 40°.

• Optimaalseim pinnaühiku kasutus oleks siis kui paneelid paigaldatakse kaldega 30°.

• Suurema kiirgusega regioonides on paneelide kallutamise mõju oluliselt väiksem kui väiksema kiirgusega regioonides

Paneelide kalde ja asimuudi mõju tootlikkusele

• Tootlikkus võrreldes 40 kraadise kaldega paneelidega väheneb ligikaudu 1%, kuid kasutatav pind suureneb 5 % võrra, mistõttu suurema arvu paneelide installeerimisest tulenev summaarne aastane tootlikkus suureneb teoreetiliselt 10%.

• Paneelide paigaldusel kaldega 30º tuleb arvestada mustumisest tingitud kadudega arvestada mustumisest tingitud kadudega 2...10%, väiksema kaldega paigaldamisel suurenevad mustumisest tingitud kaod märgatavalt

• Päikesekiirgus pinnaühikule ei muutu kui PV-paneele pöörata lääne või ida suunal 15 kraadi.

• Kui paneelid on pööratud lõuna suhtes 15...25 kraadi, siis toob see kaasa ca 1% päikesekiirguse languse pinnaühikule sh ka samaväärse tootlikkuse languse.

Horisontaalselt paigaldatud PV paneelide (kasuteguriga 20%) pindala keskmisele, puhkepäeva ja tööpäeva tarbimisele.(Tarbimine: keskmine - 0.5 kWh/h, puhkepäev - 0.66 kWh/h, tööpäev - 0.38 kWh/h) [2]

52

3,7

39

9,8

309,

7

271,

2

690,

7

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0m

²

234

,9

67

,7

28

,3

15

,2

11

,3

10

,4

11

,3

16

,1

25

,2 67

,0

205

,7

17

9,3

51

,6

21,

6

11

,6

8,6

7,9

8,7 12

,3

19,3 51

,1

157

,0

309,

7

89,2

37,4

20,0

14,9

13,7

15,0

21,3

33,3 88

,4

271,

2

0,0

100,0

200,0

300,0

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

Month

Average day (AD) Average workday (WD) Average holiday (HD)

Kodutarbimise katmine PV-ga töö-ja puhkepäeval, PV – 34m2, 20%. TARBIJA – 10kWh/p

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

Jan

Jun

No -4,00-3,50-3,00-2,50-2,00-1,50-1,00-0,500,000,501,001,50

kWh

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

-4,000--3,500 -3,500--3,000 -3,000--2,500 -2,500--2,000 -2,000--1,500 -1,500--1,000

-1,000--0,500 -0,500-0,000 0,000-0,500 0,500-1,000 1,000-1,500

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

Jan

Jun

No-4,00-3,50-3,00-2,50-2,00-1,50-1,00-0,500,000,501,001,502,00

kWh

-4,000--3,500 -3,500--3,000 -3,000--2,500 -2,500--2,000 -2,000--1,500 -1,500--1,000

-1,000--0,500 -0,500-0,000 0,000-0,500 0,500-1,000 1,000-1,500 1,500-2,000

Päikesekollektorid

• Vaakumtorudega päikesekollektorite kasutegur sõltub kõige vähem ümbritsevast temperatuurist

• Vajab suvekuudel soojussalvestite kasutamist

Kollektorid tarbevee soojendamiseks

Üldised printsiibid

• Kollektori suurus: 1...1,5 m2 inimese kohta

• Salvesti suurus: 80...100 l inimese • Salvesti suurus: 80...100 l inimese kohta

• Vaakumtorudega kollektorite puhul võib kollektori pindala vähendada ca 30%

• Alla 3...4 m2 kollektorite puhul kadude osakaal torudes kõrge

Tuulikute tüübid ja tuuleenergia

3,00

3,50

4,00

4,50v

(win

d sp

eed)

, m

/s

Keskmine päevane tuulekiirus kuus (Harku 2005-2009)

1,50

2,00

2,50

00:0

0

02:0

0

04:0

0

06:0

0

08:0

0

10:0

0

12:0

0

14:0

0

16:0

0

18:0

0

20:0

0

22:0

0

t (time), hours

v (w

ind

spee

d),

m/s

Jan Feb Mar Apr MayJun Jul Aug Sep OctNov Dec Average

Tuulikute eelised ja puudused• Kõige tõhusamad on horisontaalse rootoriga

seadmed

• Vertikaalse rootoriga seadmed ei vaja tuulde suunamist ja reageerivad paremini tuule turbulentsidele

• Savonius-rootori eeliseks on töö väiksematel tuulekiirustel. Puuduseks madal kasutegur -25%. Kasutatakse väikesevõimsusega 25%. Kasutatakse väikesevõimsusega turbiinides

• Darrieus-rootori kasutegur on 75% võrreldes horisontaalse rootoriga turbiinidega. H-rootoriga turbiinid on parameetritelt sarnased Darrieus-rootoriga seadmetele

• Hoonele paigaldamise asukoht on väga tähtis

• Tootlikkus sõltub maapinna ebatasasusest.

• Talvel pikemad tuulepausid kui suvel

• Talvel keskmine tootlikkus parem kui suvel

Eesti jaoks sobimatu lahendus

Horisontaalse rootoriga tuuleturbiini installeeritav võimsus keskmisele, puhkepäeva ja tööpäeva tarbimisele (Tarbimine: keskmine - 0.5 kWh/h, puhkepäev - 0.66 kWh/h, tööpäev - 0.38 kWh/h) [2]

8,4

5

8,5

5

12

,56

10

,67

8,3

99,5

8

8,9

0

10

,82

9,8

5 11

,14

11

,27

16

,56

14

,06

11

,06

8,3

610,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00P

ow

er,

kW

4,4

6

6,7

5 8,2

1

7,4

7 8,4

5

8,5

5

8,3

9

6,3

4

5,0

8

4,8

4

3,4

0 5,1

5 6,2

6

5,7

0

6,4

5

6,5

3

9,5

8

8,1

4

6,4

0

4,8

4

3,8

8

3,6

9

5,8

8

8,9

0 9,8

5

8,3

6

6,7

0

6,3

8

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

Month

Po

we

r, k

W

AL_kW WD_kW HD_kW

Kodutarbimise katmine tuulikuga töö- ja puhkepäeval, TUULIK – 2 x 5kW. TARBIJA – 10kWh/p

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

Jan

Apr

Jul

Oct-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

kWh

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

0

Janhours

-1,50--1,00 -1,00--0,50 -0,50-0,00 0,00-0,50 0,50-1,00 1,00-1,50

00:0

001

:00

02:0

003

:00

04:0

005

:00

06:0

007

:00

08:0

009

:00

10:0

011

:00

12:0

013

:00

14:0

015

:00

16:0

017

:00

18:0

019

:00

20:0

021

:00

22:0

023

:00

Jan

Apr

Jul

Oct-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

kWh

hours

-1,50--1,00 -1,00--0,50 -0,50-0,00 0,00-0,50 0,50-1,00 1,00-1,50

NÄIDISLAHENDUS UURINGUTEKSTTÜ energeetikateaduskonna mikrovõrk

DC-BUS (400 VDC)

Vertical axis

windturbine

3kW (5 kWp)

PV, dual-axis

tracking system

48 V, 400....800 Wp

Hydrogen Storage

50 litre, 10 bar

Electrolyser

0,48 kW

Fuel Cell

1.2 kWVRLA Battery

48V / 200 Ah

Ultra-

capacitor

48,6 V / 165F

3 x 400 V AC (ON-GRID)

DC/AC

5 kW

Flywheel

15 kW

20 sec

(with DC-link)

Gasturbine

30 kW

1 x 230 V AC (ON-GRID)

Controllable

Load

Electronic

Load

600V / 6 kW

DC/AC

5 kW

1 x 230 V AC (OFF-GRID)

Controllable

Load

• Kütuseelement:

− U/I tunnusjoon , sõltuvus temperatuurist ja niiskusest,

• kasutegur erinevatel koormustel ja voolutihedustel,

• vesinikutarve, salvesti dimensioneerimine, energiavaru.

• Ülikondensaator- ja akusalvesti:

− laadimis-tühjenemiskõverate ülesvõtmine,

• Päikesepaneel:

− U/I- ja P/I-tunnusjooned(curves),

• Kasutegur,

• järgivajami kasutaminel,

• Spektraaltundlikkus,

• Toodangu sõltuvus paneelidetemperatuurist.

• Tuulegeneraator:

− U/I- ja P/I-tunnusjooned

• energiatoodang ja selle kõikumine, sh tuulekiiruse mõju ülesvõtmine,

• Kasutegur,

• salvesti omadused:

− salvede eripäradtühjenemisel ja laadimisel,

− Ohutus ,

− mahutavuse ja laetusemääramine ,

− salvesti dimensioneerimine

• Energiasaare pikaajaline töö jälgimine

• Koostöö võrgust sõltuvalt

• Tasuvusarvutused.

kõikumine, sh tuulekiiruse mõju

• kasutegur,

• optimaalsed koormusgraafikud,

• tuuleenergia salvestamise karakteristikud

• Päikese- ja tuuleenergiast vesiniku tootmise karakteristikud

• Komponentide võimalikud konfiguratsioonid:

− talitlusviisid ja –strateegiad,

Mida arvesse võtta süsteemide projekteerimisel?!• Elektritarbimise ja –tootmise kõverate

kokkulangevust

• ON-grid lahendusel lisaks hinna ja tootmise kõverate kokkulangevust

• Ehitus- ja elektrotehnilisi aspekte (nt olemasolevate konstruktsioonide vastupidavus, temperatuuri mõjud tootlikkusele, temperatuuri mõjud tootlikkusele, tootmiskõverad, salvestusvajadused jpm)

• Keskkonnaaspekte (nt. müra, valgusvärelus, valguse peegeldus, vibratsioon jne)

• Ohutusaspekte (nt. vastupidavus lumele, tuulele, temperatuurile, niiskusele jne)

• Majandusaspekte

• Esteetilisi aspekte

• Protsesside võimalikku dünaamikat

Kasutatud kirjandus

1. Quaschning, Volker. Regenerative Energiesysteme, Technologie − Berechnung − Simulation. 6., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Hanser Verlag München. 2009. 397 s. ISBN 978-3-446-42151-6.

2. Rosin, A.; Hõimoja, H.; Möller, T.; Lehtla, M.; , "Residential electricity consumption and loads pattern analysis," Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), 2010 , vol., no., pp.111-116, 16-18 June 2010, 10.1109/PQ.2010.5550009June 2010, 10.1109/PQ.2010.5550009

3. Rosin, A.; Rosin, K.; Auväärt, A.; Strzelecki, R. (2012). Dimensioning of household electricity storage for PV-systems and load scheduling based on Nord Pool Spot prices. Przeglad Elektrotechniczny, 88(4b), 294 - 299.

4. Russak, Viivi; Kallis, Ain. Handbook of Estonian Solar Radiation Climate. Eesti Meteoroloogia ja Hüdroloogia Instituut. Printed by AS ILOPRINT. Tallinn 2003.

Tänan tähelepanu eest!Tänan tähelepanu eest!