Monitoring, konverzija i skladištenje energije kod fotonaponskih … · 2018-03-27 · Monitoring, konverzija i skladištenje energije kod fotonaponskih sistema u gradovima Prof

Monitoring, konverzija i skladištenje energije kod fotonaponskih sistema u

gradovima

Prof. Dr Zoran StevićUniverzitet u [email protected]

Seminar Društva za obnovljive izvore električne energije: Fotonaponski sistemi u gradovima, 27. mart 2018. 1

SADRŽAJ

1. Uvod2. Konverzija i regulacija u fotonaponskim sistemima3. Akumulatorske baterije 4. Dimenzionisanje baterija5. Superkondenzatori 6. Gorivne ćelije7. Uporedni pregled sistema za skladištenje energije8. Monitoring PV sistema 9. Električna vozila10. Pravci daljeg razvoja



1. Увод

- Primena energetske elektronike kod fotonaponske konverzije:invertori, ispravljači, regulatori i kontroleri

- Termoelektrični elementi- Hemijski izvori energije kao skladišta električne energije.

Olovne baterije sa mogućnošću dubokog pražnjenja i ostale

vrste baterija- Dimenzionisanje baterija u sistemima sa fotonaponskim

panelima- Monitoring PV sistema- Primena superkondenzatora kao skladišta električne energije- Energija vodonika i gorivne ćelije- Električna vozila

- Pravci razvoja


KONVERZIJA I REGULACIJA U FOTONAPONSKIM SISTEMIMA


Kontroler punjenja baterija je elektronski uređaj kojim se reguliše napon punjenja akumulatora.Kada napon dostigne 14,4V isključuje se punjenje, a kada usled potrošnje opadne na 13,4V opetukljucuje punjenje. U slucaju velike potrošnje, kada napon akumulatora dođe do kritične tačkeod 10,5V (ispod koje bi došlo do nepovratne hemijske reakcije i do velikog smanjenjakapaciteta), uloga kontrolera je da isključi potrošace. Takođe se vodi računa o maksimalnoj

struji punjenja.


Invertori se koriste za konverziju jednosmerne struje (DC) iz baterije u naizmeničnu(AC). Većina solarnih panela proizvodi jednosmernu struju, neki solarni paneli imajuintegrisan invertor na poleđini ploče, takozvani AC modul. Postoje razne vrste iveličine invertora. Ako se invertori drže u stanju pripravnosti, koriste se one koji imajumalu potrošnju u takvom stanju, a ako se koriste često, biraju se oni sa velikomefikasnošću.


Čoperi pretvaraju nestabilisani DC ulazni napon u stabilisani DC izlazni naponzahtevanog nivoa


Termoelektrični elementi se koriste za konverziju toplotne energije u električnu, a ukombinaciji sa PV panelima, usled hlađenja pozadine panela, dodatno povećavajustepen iskorišćenja sistema.


Jedan od najvažnijih faktora koji utiču na rad fotonaponske ćelije je temperatura.Sunčevo zračenje se većim delom apsorbuje u telo modula. Deo te energije pretvori seu električnu energiju i preda potrošaču, dok se deo pretvara u unutrašnju energijumaterijala od kojeg je napravljena ćelija te dolazi do povišenja temperature. Deo

toplote se odvodi poznatim mehanizmima prenosa toplote ( konvekcija, kondukcija iradijacija)


U samostalnim solarnim električnim sistemima akumulatorske baterije sekoriste za skladištenje energije kako bi se koristila noću za osvetljenje ilidruge uređaje. Takođe baterije se koriste za snabdevanje električnomenergijom tokom perioda slabog sunčevog zračenja koje obezbeđuje el.energiju preko solarnih ploča. U solarnim električnim sistemima rezervnognapajanja baterije se koriste da premoste periode pada električne mreže.Najčešći nominalni napon baterija je 12 V . Ako su baterije nove i istog tipa iveličine mogu se povezati paralelno u cilju dobijanja većeg kapaciteta

baterije, ili redno u cilju dobijanja višeg napona.

AKUMULATORSKE BATERIJE



Uz klasične olovne akumulatorske baterije, za stacionarne primene se koriste i NiCdbaterije. One su otpornije na promene temperature, a takođe su pogodnije zaprimene s učestalijim cikličkim punjenjima i pražnjenjima. NiCd baterije se najčešćekoriste u područjima s ekstremno niskim i ekstremno visokim temperaturama.Ograničavajući faktor široj upotrebi NiCd baterija je značajno viša cena u odnosu na

olovne baterije, a u najnovije vreme i ekološki razlozi.

Poslednjih godina došlo je do naglog tehnološkog napretka u proizvodnjiakumulatorskih baterija. Razlog za to je brzi razvoj sofisticiranih elektronskihuređaja i mobilnih telekomunikacija. Za te primene se danas najčešće koriste suve

akumulatorske baterije Li+ (litijum-jon), Li-polimer, Li-jonpolimer i NiMH (nikl-metal-hidrid) koje su iz upotrebe gotovo istisnule zatvorene NiCd i olovne akumulatorskebaterije. Naponske karakteristike za razne tipove baterija prikazane su na sledećoj

slici.


Naponske karakteristike raznih tipova baterija


Kod PV sistema najčešće se koriste VRLA (Valve Regulated Lead-Acid) baterije, koje su potpuno zatvorene, sizuzetkom ventila koji služi za oslobađanje gasova u havarijskim uslovima punjenja. Kod ove vrsteakumulatorskih baterija, za razliku od otvorenih ili klasičnih olovnih akumulatorskih baterija, dolazi dorekombinacije gasova tokom punjenja. Od posebne je važnosti mogućnost dubokog pražnjenja (Deep Cycle).

Hemijske reakcije tokom rekombinacije su sledeće:2H2O 4H++ O2+ 4e

-

2Pb+O2 2PbOPbO+H2SO4 PbSO4+H2OPbSO4+ 2H

++ 2e- Pb + H2SO4

Naime, pri kraju procesa punjenja dolazi do elektrolize vode. Na pozitivnoj ploči se tada stvara kiseonik, a nanegativnoj ploči vodonik. Kod klasičnih olovnih baterija zbog elektrolize dolazi do gubitka vode. Prvo počinjeoslobađanje kiseonika na pozitivnoj ploči po prvoj reakciji. Sa druge strane, oslobađanje vodonika nanegativnoj ploči počinje tek kad je proces punjenja praktično završen. Onaj deo kiseonika koji dospe donegativne ploče, ne odlazi u okolni vazduh već na njoj reaguje sa olovom i stvara olovni oksid (druga reakcija).Olovni oksid zatim reaguje sa sumpornom kiselinom i nastaje olovni sulfat (treća reakcija). Rezultat ovihreakcija je samopražnjenje negativne ploče. To samopražnjenje se kod određenog nivoa napunjenostiujednačava sa istovremenim punjenjem po četvrtoj reakciji. Navedeni proces se događa i kod klasičnih baterija,ali kod njih samo mali deo stvorenog kiseonika dospeva do negativne ploče, pa se kiseonik uglavnom ispuštau okolinu, a na kraju punjenja negativna ploča se dovoljno napuni, pa na njoj počne ispuštanje eksplozivnog

vodonika u okolni vazduh.

VRLA baterije su tako rešene da praktično sav kiseonik koji se oslobodi napozitivnoj ploči dospeva do negativne ploče gde se tada odvija opisaniproces rekombinacije. Rezultat tog procesa je taj da se negativna pločanikako ne uspeva da napuni do nivoa pri kome počinje proces oslobađanjavodonika. Dok se kod otvorenih ili klasičnih olovnih baterija gubitak vodemora redovno nadomeštati, kod VRLA baterija to nije potrebno (ni moguće).Zbog toga se za VRLA baterije kaže da su "bez održavanja". Vrlo malooslobađanje eksplozivnog vodonika omogućuje postavljanje VRLA baterijauz ostalu opremu i njihovu ugradnju u razvodne ormare. Punjenje iznadtačno propisanih naponskih okvira može ipak prouzrokovati pojavu manjekoličine eksplozivnog vodonika koji se oslobađa kroz sigurnosni ventil. Uslučaju da se takvi uslovi punjenja zadrže duže vreme, doći će do preranoggubitka kapaciteta akumulatorske baterije. VRLA baterije su osetljivije i napovišene temperature okoline.


DIMENZIONISANJE BATERIJA

Kada je u pitanju kapacitet baterije potrebno je unapreddefinisati uslov raspoloživosti sistema. U zavisnosti od togakoliko je bitno funkcionisanje sistema koji se proračunava,definisaćemo kriterijum koliko vremena baterije moraju pružitiautonomije rada potrošačima u uslovima ,,totalnog mraka“odnosno u uslovima kada panel ne generiše nikakvu strujupunjenja.

Za potrebe ovog proračuna posmatraćemo slučaj 2 uzastopnadana ,,totalnog mraka“, odnosno 2 dana bez energijesunčevog zračenja ili druge vrste otkaza na panelu (NSOL = 2).Pri tome se računa na dnevnu potrošnju Wd = 288 Wh.



Usvojen je napon baterije VBAT = 12V.

Sledeći parametar koji je bitan za proračun je efikasnostbaterija. Naime baterije nisu u stanju da uskladište svuelektričnu energiju koju dobiju. Deo energije se troši naodvijanje elektrohemijskih procesa i oslobađa se u vidutoplote. Ovaj faktor se dobija iz kataloga proizvođača a zapotrebe ovog proračuna usvojićemo vrednost od EBAT = 80%.U našem primeru usvojićemo da maksimalna dozvoljenadubina pražnjenja baterije DBAT = 80%.



Imamo još jedan parametar a to je takozvana degradacijakapaciteta baterije usled pada temperature CtBAT. Nazivnikapacitet baterije koji deklariše proizvođač odnosi se natemperaturu ambijenta od 20°C. Padom temperature smanjuje sei raspoloživi kapacitet baterije. Za određivanje ovog faktora bitnoje poznavati temperaturu ambijenta uzimskim uslovima i zavisnost kapaciteta baterije od temperature.Ukoliko nam nisu poznati podaci proizvođača, može se usvojitiračunica da kapacitet baterije opada za1% sa padom temperature za 1°C ispod 20°C. U našem primeruusvojićemo da baterija u zimskim uslovima radi na temperaturiod 5°C što znači da je njen raspoloživi kapacitet usled padatemperature degradiran na vrednost od CtBAT = 85%.



Na osnovu ovih podataka možemo izračunatipotreban kapacitet baterije:


SUPERKONDENZATORI

U novije vreme razvojem novih materijala i tehnologija dostignute su jako velikerazvijene površine i jako mala međuelektrodna rastojanja. Time se postižuekstremno velike kapacitivnosti (nekoliko redova veličine većih od standardnihkondenzatora) pa se takvi sistemi nazivaju superkondenzatorima(supercapacitors ili, ređe, ultracapacitors).

Kapacitivnost ovakvih kondenzatora dostiže više stotina farada po kubnomcentimetru, pa se zahvaljujući tome, prave baterije kondenzatora od više hiljadafarada. Na sledećoj slici prikazana je oblast koju pokrivaju superkondenzatorina dijagramu specifična energija – kapacitivnost.

Nominalni napon jedne ćelije je zbog njegove prirode dosta nizak (red volta),pa se za dostizanje potrebnih (standardnih) napona primenjuje redno vezivanjećelija.

Faktor gubitaka, odnosno struja curenja je kritičan parametar koji karakterišekvalitet superkondenzatora. Kod komercijalnih superkondenzatora strujacurenja pri nominalnom naponu dostiže više desetina uA, pa je pojavasamopražnjenja jako izražena. To je veliki nedostatak u odnosu nakondenzatore i akumulatore.


SUPERKONDENZATORI

Akumulirana električna energija računa se kao i kod klasičnihkondenzatora. Zbog velike kapacitivnosti ta energija je daleko veća kodsuperkondenzatora, ali je ograničavajući faktor radni napon koji je kodnjih dosta manji. Zato je količina akumulirane energije u odnosu naakumulatore i dalje mnogo manja.

Broj ciklusa punjenja i pražnjenja je kod superkondenzatora praktičnoneograničen (reda 108), kao i kod klasičnih kondenzatora, što je velikaprednost u odnosu na akumulatorske baterije (reda 103).

Redna otpornost je kod superkondenzatora daleko važniji parametarnego kod običnih kondenzatora zbog velikih struja. Osim gubitaka, ovajparametar određuje i brzinu punjenja i pražnjenja, odnosno raspoloživusnagu. U tom pogledu superkondenzatori su u velikoj prednosti uodnosu na akumulatore.


SUPERKONDENZATORI


GORIVNE ĆELIJE

Gorivne ćelije (eng. fuel cells) su galvanski elementi u kojima seelektrohemijskom oksidacijom sastojaka lako podložnih oksidaciji,kao što su vodonik ili metanol proizvodi električna energija.

U slučaju elektrohemijske oksidacije vodonika reč je o uređaju ukoji ulazi vodonik i kiseonik (ili vazduh jer u njemu ima 21%kiseonika), a izlazi (topla) voda i generiše se električna energija.Kako se u hemiji svako spajanje sa kiseonikom smatra procesomoksidacije, ali i procesom gorenja, tako se i elektrohemijskaoksidacija u gorivnoj ćeliji smatra procesom sagorevanja iako se utom procesu ne pojavljuje propratna vatra i toplota u poznatomobimu. Oslobođena energija je uglavnom električna energija, dokje toplotna energija samo neželjena propratna pojava. U osnovi,gorivna ćelija ne proizvodi CO2 (ugljen dioksid) ili druge štetnegasove. Njen jedini nusprodukt je voda.


GORIVNE ĆELIJE

Osnovu gorivne ćelije čine elektrode, zatim katalizatori, elektrolit,gorivo i oksidansi. Kao i u baterijama, i u gorivnim ćelijma sehemijska energija pretvara u električnu energiju. samo što zarazliku od baterija ne čuvaju hemijsku energiju, nego hemijskuenergiju goriva pretvaraju u električnu energiju.

Gorivo može biti vodonik, sintetički gas (smesa vodonika i ugljen-dioksida), prirodni gas ili metanol, a produkti njihove reakcije skiseonikom su voda, električna struja i toplota, pri čemu je ceoproces, zapravo, suprotan procesu elektrolize vode

Gorivne ćelije se ubrajaju u nove tehnologije koje su još u fazirazvoja, a u budućnosti kada se ova tehnologija u potpunostirazvije, očekuje se značajna primena u praksi.


GORIVNE ĆELIJE

Princip rada vodonične gorivne ćelije


UPOREDNI PREGLED SISTEMA ZA SKLADIŠTENJE ENERGIJE

Superkondenzatori na dijagramu zavisnosti specifične snage(količine energije koju uređaj može da emituje u jedinicivremena i po jedinici svoje mase ili zapremine) od specifičneenergije (količine energije koju uređaj može da oda ili primi pojedinici svoje mase ili zapremine) za tipične uređaje zakonverziju i skladištenje energije popunjavaju jednu široku dosada nepopunjenu oblast između akumulatorskih baterija ikonvencionalnih kondenzatora. I sa aspekta specifičneenergije i sa aspekta specifične snage ova oblast pokrivapodručje od nekoliko redova veličine.



Baterije i niskotemperaturne gorivne ćelije su tipični uređajimale specifične snage, dok konvencionalni kondenzatori moguimati specifičnu snagu iznad 1MW/dm3, ali pri veoma niskojspecifičnoj energiji. Elektrohemijski kondenzatori poboljšavajukarakteristike baterija u pogledu specifične snage ilipoboljšavaju osobine kondenzatora u pogledu specifičneenergije kada se kombinuju sa njima.




MONITORING PV SISTEMA

Kao primer prikazan je monitoring solarnog elektroenergetskog sistema javnog osvetljenja u slučaju kada je onoudaljeno od postojeće elektroenergetske mreže. Stoga jepredviđeno napajanje iz fotonaponskih panela, uzobezbedjenu akumulaciju energije. Sistem je autonoman (nijepovezan na mrežu). U cilju utvrđivanja energetske efikasnosti,potrebni podaci prikupljeni su primenom monitoring sistemana bazi PC i LabVIEW softverskog paketa. Elementi praćenogenergetskog sistema su fotonaponski paneli, baterije, kontrolerpunjenja baterija, napajanje relea i LED svetiljka (potrošač).



Za AD konverziju korišćen je NI USB 6009 modul koji se preko USBporta povezuje sa računarom. Izabrana je učestanost semplovanja5000 Hz, čime se je omogućeno odlično usrednjavanje i timepotiskivanje šuma. Uradjena je softverska aplikacija u paketuLabVIEW ® 2010.

Na slici je prikazana blok šema aplikacije za merenje napona iizračunavanje struja. U prvom bloku naponski signali se učitavaju iusrednjavaju na 100 uzoraka. Sledi softversko podešavanje nule ikonstante množenja (baždarenje). Dobijene vrednosti napona V0do V7 prikazuju se na numeričkim displejima. Izračunate vrednostistruja I0 do I3 prikazuju se na displejima i na vremenskimdijagramima front panela (sledeća slika).



LabVIEW aplikacija



Front panel



Za korektnu akviziciju signala neophodno je njihovokondicioniranje. U ovom slučaju primenjeni surazdelnici napona i niskopropusni filtri. Mere senaponi V0 do V7 (direktno) i struje I0 do I3(indirektno). Struja se konvertuje u napon šentotpornicima. Naponi u mernim tačkama (48-52V)razdelnikom 1:11 skalirani su na opseg ulaznognapona AD konvertora (± 10V). Paralelno saizlaznim otpornikom oslabljivača vezan jeelektrolitički kondenzator 100μF, čime je realizovanniskopropusni filter. Dobijeni kondicionirani signalivode se na analogne ulaze AD konvertora (AI0 doAI7).



Šema monitoring sistema


MONITORING PV SISTEMA Rezultati merenja



IR termogram PV modula


ELEKTRIČNA VOZILA

Kod električnih vozila treba obezbediti što više energije uogrničenom prostoru, ali isto tako i što racionalniju potrošnju. Zatotreba predvideti:

Korićenje energije kočenjaKorišćenje otpadne toplotePoboljšanje mehaničkog prenosaBolji dizajn školjkeBolji stepen iskorišćenja konvertora i regulatoraSpecijalni dizajn elektromotoraMonitoring svihparametaRačunarski sitem za optimizaciju potrošnje energije


ELEKTRIČNA VOZILA


ELEKTRIČNA VOZILA Upravljački deo


ELEKTRIČNA VOZILA Energetski deo


ELEKTRIČNA VOZILA Energetski deo


PRAVCI DALJEG RAZVOJA

- Novi (nano) materijali- Mini (mikro) sočiva- Koncentratori + hlađenje- Hibridi (SC + Bat; PV + TEE)- Monitoring kontinualni video ThV nadzor- Kompjuterizacija - optimizacija


Documents

Monitoring, konverzija i skladištenje energije kod fotonaponskih … · 2018-03-27 · Monitoring, konverzija i skladištenje energije kod fotonaponskih sistema u gradovima Prof