System fotowoltaiczny (rys. 1) składa się z modułów, paneli lub kolektorów fotowoltaicznych, oraz elementów dostosowujących wytwarzany w ogniwach prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń. Jeżeli system zasila urządzenie stałoprądowe potrzebny jest kontroler napięcia. Do zasilania z systemu fotowoltaicznego urządzeń zmiennoprądowych konieczne jest użycie falownika. Potrzebna jest także odpowiednia konstrukcja kierująca moduły lub panele w kierunku Słońca.

Systemy dołączone do sieci mogą mieć postać elektrowni z dużą ilością paneli fotowoltaicznych oddających energię do sieci elektroenergetycznej. Innym wykorzystaniem takich systemów może być zasilanie budynków dołączonych do sieci, gdzie energię z sieci pobiera się tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyższa jej produkcję w ogniwach fotowoltaiczych [4].

Rys. 1. System fotowoltaiczny.

Najważniejszą część fotowoltaiczego układu elektrycznego stanowi układ wielu ogniw, połączonych najczęściej szeregowo-równolegle (rys. 2) lub w układ mostkowy (rys. 3).

Rys. 2. Szeregowo-równoległy układ ogniw słonecznych.

Rys. 3. Mostkowy układ ogniw słonecznych.

W przypadku większej liczby ogniw bardziej ekonomiczny jest układ mostkowy, ponieważ mniejsze są w nim straty wynikające z niedopasowania do siebie sąsiednich ogniw pod względem elektrycznym [1].

Ponieważ napięcie pojedynczego naświetlonego fotoogniwa jest rzędu 0,5 V stosuje się odpowiednie łączenie szeregowo-równoległe takich samych ogniw półprzewodnikowych w celu uzyskania wyższych napięć i odpowiednich wydajności prądowych [3]. Połączenie szeregowe fotoogniw podwyższa napięcie biegu jałowego, natomiast połączenie równoległe zwiększa prąd zwarcia. Równoległe łączenie szeregów ogniw wymusza konieczność stosowania diod odcinających, zabezpieczających przed wzajemnym obciążaniem się poszczególnych szeregów ogniw przy nierównomiernym napromieniowaniu słonecznym. Odpowiedni dobór ilości fotoogniw jak i ich konfiguracji połączeń pozwalają uzyskać moduł o typowym napięciu wyjściowym i zakładanej mocy szczytowej.

Do zastosowań energetycznych minimalna moc znamionowa modułów fotowoltaicznych używanych do konstrukcji generatora słonecznego powinna przekraczać 50 W, głownie ze względu na koszty instalacji i osprzętu łączeniowego [3].

Energia elektryczna uzyskana na drodze konwersji fotowoltaicznej w ogniwie fotowoltaicznym nie nadaje się do bezpośredniego zasilania typowych odbiorników, gdyż zależy jej parametry zależą od wielu czynników [3].

Ogniwa fotowoltaiczne (PV) dostarczają energii elektrycznej o parametrach zależnych od warunków atmosferycznych, pory dnia oraz ilości energii odbieranej przez odbiorniki. W celu optymalnego wykorzystania energii można zastosować urządzenia energoelektroniczne, przekazujące jej nadwyżki do sieci prądu przemiennego [2].

Ilość energii elektrycznej, jaką w danej chwili jest w stanie dostarczyć ogniwo fotowoltaiczne zależy od kilku czynników, z których najważniejszymi są temperatura i stopień nasłonecznienia. Obrazują to rodziny charakterystyk zewnętrznych typowego modułu fotowoltaicznego na rysunku 4.

Rys. 4. Parametry baterii słonecznej przy różnych temperaturach.

Jeżeli zasilany z baterii słonecznej odbiornik wykazuje niewielką tolerancję na wahania napięcia zasilania niezbędnym staje się zastosowanie urządzenia przekształtnikowego, które pośrednicząc pomiędzy zespołem ogniw, a zasilanym urządzeniem dostosowuje parametry wytwarzanej energii do jego potrzeb.

Warunki pracy ogniwa PV czyli stopień nasłonecznienia i temperatura, to ważne ale nie jedyne czynniki mające wpływ na ilość produkowanej energii. Rysunek 5 ilustruje zachowanie się ogniwa PV pracującego w ustalonych warunkach zewnętrznych podczas zmiany wartości rezystancji obciążającej. Zmiana stopnia obciążenia ogniwa, innymi słowy zmiana jego punktu pracy na charakterystyce zewnętrznej, pozostaje w ścisłej korelacji z mocą chwilową wytwarzaną przez ogniwo (linia przerywana na wykresie). Krzywą mocy chwilowej cechuje istnienie wyraźnego maksimum nazywanego Punktem Maksymalnej Mocy (MPP - z ang. maximum power point). Z punktu widzenia efektywności procesu konwersji energii słonecznej w elektryczną, utrzymanie ogniw w punkcie MPP pozwoli na optymalne ich wykorzystanie.

W tym celu system fotowoltaiczny należy wyposażyć w odpowiedni sprzęgający układ przekształtnikowy oraz regulator, który sterując ilością energii przekazywanej do sieci zmienia stopień obciążenia ogniw i dba w ten sposób o utrzymanie optymalnego punktu pracy ogniw PV.

Rys. 5. Zależność wydajności energetycznej ogniwa od stopnia obciążenia.

Rysunek 6 przedstawia schemat blokowy elektrowni słonecznej wyposażonej w baterię chemiczną służącą jako magazyn energii i umożliwiającej zasilanie odbiorników prądu stałego oraz przemiennego, a także przekazywanie nadwyżek energii do sieci prądu przemiennego.

Sprzęgnięcie generatora fotowoltaicznego z siecią elektroenergetyczną następuje za pomocą falownika. Można wyróżnić dwie dominujące konfiguracje takiego układu [3].

Konfiguracja elektrowni słonecznej przedstawiona na rysunku 7 jest zorientowana na pracę pojedynczego falownika o znacznej mocy dopasowanej do wielkości generatora słonecznego. Generator uzyskuje w tym układzie połączenia napięcie wyjściowe rzędu kilkuset wolt. Ten poziom napięcia wymaga stosowania drogiego osprzętu łączeniowego, zabezpieczeń i okablowania. Układ połączeń modułów fotowoltaicznych w generatorze słonecznym wymaga użycia wysokonapięciowych diod odcinających, mających za zadanie blokowanie wzajemnego obciążania się modułów przy nierównomiernym nasłonecznieniu.

Alternatywną konfiguracją elektrowni słonecznej jest system przedstawiony na rysunku 8. System ten opiera się na idei sumowania energii elektrycznej po stronie napięcia przemiennego - nie występują równoległe połączenia modułów fotowoltaicznych. Generator słoneczny tworzy kilka modułów połączonych szeregowo, tzw. strun, o napięciu wyjściowym nie przekraczającym 120 V napięcia stałego. Generator fotowoltaiczny przekazuje energię elektryczną do sieci poprzez falownik strunowy niskiej mocy rzędu 1 kW. Większą moc elektrowni uzyskuje się przez równoległe dołączenie do sieci kolejnych zestawów. System taki eliminuje drogą aparaturę łączeniową i zabezpieczającą oraz pracuje przy bezpiecznym napięciu dotykowym po stronie napięcia stałego. Pozwala to na znaczne zredukowanie kosztów układu oraz uzyskać większą sprawność systemu dzięki indywidualnemu sterowaniu małej grupy modułów fotowoltaicznych (struny).

Rys. 6. Schemat elektrowni słonecznej z baterią chemiczną

Stosowane w systemach fotowoltaicznych przekształtniki energoelektroniczne budowane są w oparciu o technikę tyrystorową, a obecnie coraz powszechniej o technikę tranzystorową [3].

Technika tyrystorowa ma zastosowanie w pierwszej z omawianych koncepcji słonecznej przy dużych mocach falowników i wysokim napięciu wejściowym. Rozwiązania tranzystorowe stosuje się dla urządzeń mniejszej mocy, szczególnie polecane są w konfiguracji strunowej elektrowni fotowoltaicznej. Przykładowe rozwiązanie falownika strunowego przedstawia rysunek 9.

Rys. 7. Schemat blokowy elektrowni słonecznej - konfiguracja wysokonapięciowa

Rys. 8. Schemat blokowy elektrowni słonecznej - konfiguracja strunowa

Falowniki tranzystorowe sterowane są za pomocą głównie metodą Modulacji Szerokości Impulsów (MSI), dzięki temu mają znaczną przewagę nad falownikami tyrystorowymi, ponieważ nie generują do sieci wyższych harmonicznych. Mikroprocesorowy układ sterowania falownika na podstawie danych pomiarowych realizuje algorytmy sterowania zaworów energoelektronicznych, aby utrzymać wymagany przebieg prądu wyjściowego, oraz realizuje optymalną regulację obciążenia modułów fotowoltaicznych.

Rys. 9. Schemat blokowy falownika strunowego.

Innym rozwiązaniem falownika jest przetwornica tranzystorowa z komutatorem tyrystorowym przedstawiona na rysunku 10.

Rys. 10. Przetwornica tranzystorowa z komutatorem tyrystorowym.

W jej skład wchodzi modulator półfali prądu przemiennego zbudowany w oparciu o topologię konwertera DC-DC obniżającego napięcie. Konwerter ten jest jednym z podstawowych układów elektroniki mocy i charakteryzuje się prostotą konstrukcji i dużą odpornością na zakłócenia i awarie. Komutator zapewniający przełączanie polaryzacji półfali prądu wykonany został w technice tyrystorowej dzięki czemu jest stosunkowo tani i mało skomplikowany. Użycie tyrystorów wymusiło jednak budowę dodatkowego zabezpieczenia (tranzystor Q₂ i dioda D_F2) w celu zapewnienia poprawnej komutacji tyrystorów. W celu separacji galwanicznej i dopasowania parametrów konieczne jest użycie transformatora 50 Hz lub dodatkowego konwertera DC-DC z transformatorem. Przebiegi wyjściowe tej przetwornicy przedstawia rysunek 11.

Rys. 11. Parametry wyjściowe przetwornicy z komutatorem tyrystorowym.

Systemy fotowoltaiczne znajdowały i znajdują nadal zastosowanie do zasilania małych odbiorów. Są to najczęściej systemy małej mocy połączone poprzez falownik z siecią elektroenergetyczną nn. Dziesiątki tysięcy gospodarstw domowych na całym świecie wykorzystuje obecnie systemy PV, zaspakajając większość lub całość swojego zapotrzebowania na energię elektryczną. Jednakże na świecie już od dłuższego czasu buduje się elektrownie oparte na panelach fotowoltaicznych, które posiadają już znaczne moce. Ich lokalizacja w większości przypadków uzasadniona jest warunkami klimatycznymi. Przykładem takiego rozwiązania może być zbudowany przez firmę ARCO Solar w 1982 roku system fotowoltaiczny o mocy 1 MW w pobliżu miejscowości Hesperia w Kalifornii [1]. Układ tez zajmujący powierzchnię 8 hektarów może wytworzyć rocznie 3 miliony kWh energii elektrycznej. Składa się on ze 108 specjalnych konstrukcji zwanych trackerami, mogących obracać się wokół dwóch osi, co umożliwia dokładne śledzenie pozornego ruchu słońca. Cały układ zawiera około 27 tysięcy modułów. Wytworzony w układzie fotowoltaicznym prąd stały jest zamieniany na prą przemienny, który pod napięciem 12 kV jest przesyłany do sieci elektrycznej.

Jeszcze większą moc szczytową, wynoszącą 6 MW, ma układ fotowoltaiczny zbudowany przez tę samą firmę na Równinie Carrisa w Kalifornii w 1984 roku. Pierwsza faza układa składa się z 756 dwuosiowych trackerów zgrupowanych na dziewięciu polach po 84 na każdym polu. Układ ten, utworzony z modułów krystalicznych ogniw krzemowych, może dostarczyć rocznie 16 milionów kWh energii elektrycznej.

Systemy fotowoltaiczne są również budowane w Polsce. Są to jednak układy małej mocy w porównaniu do wcześniej przytoczonych. Przykładem takiego systemu jest 1 kWp system fotowoltaiczny dołączony do sieci energetycznej w gminie Warszawa - Wawer. Znajduje się on na dachu jednej z tamtejszych szkól podstawowych, co ilustruje rysunek 12.

System fotowoltaiczny zainstalowany na dachu szkoły w gminie Wawer ma moc 1 kWp (Wp - moc nominalna mierzona w warunkach standardowych, STC (Standard Testing Conditions) 1000 W/m², AM 1.5, temperatura 25°C) i składa się z:

· 20 modułów PV Millennia MST50 MV (o powierzchni 16 m²),

· falownika Sunny Boy GCI 1200,

· konstrukcji nośnej,

· okablowania.

Moduły fotowoltaiczne Solarex Millennia^TM wykonane są z krzemu amorficznego przy wykorzystaniu zaawansowanej technologii cienkowarstwowej. Ich parametry zostały zaprezentowane w tabeli 1.

Głównym czynnikiem wpływającym zarówno na wydajność, jak i stabilność tych modułów jest ich konstrukcja - składają się one z dwóch ogniw fotowoltaicznych nałożonych jedno na drugie. Każde z ogniw absorbuje inny zakres widma promieniowania słonecznego.

Rys. 12. System fotowoltaiczny na dachu szkoły podstawowej w gminie Warszawa - Wawer.

Moduły fotowoltaiczne zainstalowane w systemie połączone są w dziesięć równoległych gałęzi, z kórych każda zawiera dwa moduły połączone szeregowo dla uzyskania odpowiedniej wartości napięcia. Oprzewodowanie kolektora PV zostało wykonane jednożyłowym przewodem miedzianym o przekroju 4 mm² z izolacji odpornej na działanie promieniowania UV. Dla zabezpieczenia przewodów przed uszkodzeniami prowadzone są one w rurkach zamontowanych poniżej modułów fotowoltaicznych. W celu minimalizacji strat energii w systemie kolektora PV oprzewodowanie zostało wykonane w taki sposób, aby przewody pomiędzy modułami PV, a falownikiem (przewody, w których płyną duże prądy DC) miały jak najmniejszą długość. Z falownika w kierunku skrzynki rozdzielczej szkoły, w której system dołączony jest do sieci poprowadzono trzyżyłowy kabel miedziany. W skrzynce rozdzielczej oprócz normalnie stosowanego licznika energii pobranej z sieci zainstalowano dodatkowy licznik zliczający energię oddaną przez instalację do miejskiej sieci energetycznej. Rysunek 13 przedstawia ideowy schemat połączeń systemu fotowoltaicznego i jego dołączenia do sieci energetycznej.

Rys. 13. Schemat podłączenia systemu do sieci.

Systemy fotowoltaiczne mogą być także łączone z innymi, również niekonwencjonalnymi źródłami energii a te z kolei dołączane są do sieci. Rozwiązanie takie było testowane na Politechnice Warszawskiej.

W latach 1998 - 2001 w Politechnice Warszawskiej prowadzono badania eksploatacyjne hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej, której widok przedstawiono na rysunku 14. Schemat blokowy układu pokazano na rysunku 2. Główną część elektrowni stanowił zestaw 18 paneli fotowoltaicznych o mocy osiągalnej 110 W każdy. Łączna moc wynosiła 1980 W. Panele zasilały odbiornik i ładowały zestaw baterii chemicznych przez przetwornicę DC/DC, której głównym zadaniem było zapewnienie spełnienia wymagań EUROBAT. Dla podwyższenia niezawodności dostarczania energii zastosowano dodatkowe źródło energii w postaci małego silnika wiatrowego, z generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi. Moc generatora wynosiła 750 W. Generator synchroniczny był dołączony do układu przez przetwornicę AC/DC2, która składała się z prostownika diodowego i przetwornicy DC/DC. Przetwornica AC/DC2 była połączona z wejściem głównej przetwornicy DC/DC. Omawiana elektrownia zasilała odbiornik stałoprądowy o mocy 500 W. Układ mógł również przekazywać nadwyżki energii do sieci elektroenergetycznej przez falownik DC/AC.

Rys. 14.Hybrydowa elektrownia słoneczno-wiatrowa

a) widok, b) schemat blokowy

Generatory fotowoltaiczne podłączone do sieci mają największy potencjał uzyskiwania wysokich współczynników sprawności i wydajności, ponieważ cała energia którą wytwarzają może być zużyta albo na miejscu, albo przekazana sieci elektroenergetycznej. Dobrze kontrolowany system, który współpracuje z wysokiej sprawności falownikiem, może osiągnąć współczynniki sprawności wyższe niż 80% (równowartość wydajności powyżej 800 - 1400 kWh/kWp/rok)[4].

Literatura.

1. Bogdanienko J.: Odnawialne źródła energii. W-wa 1989, PWN.

2. Dmowski A., Kras B., Szczupak M.: Układ przekazywania energii do sieci prądu przemiennego w elektrowni słoneczno-wiatrowej. VI Konferencja Naukowo-Techniczna. Ogólnopolskie Forum Odnawialnych źródeł energii - 99' Serock - Kadwisin 1 - 3 XII 1999.

3. Rodacki T. I inni: Systemy fotowoltaiczne współpracujące z siecią energetyczną. V Konf. N-T, Ogólnopolskie Forum Odnawialnych źródeł energii - 98' Gdańsk.

4. Pietruszko S.: Zastosowanie systemów fotowoltaicznych do generacji energii elektrycznej. V Konf. N-T, Ogólnopolskie Forum Odnawialnych źródeł energii - 98' Gdańsk.

5. Pietruszko S.: System fotowoltaiczny dołączony do sieci energetycznej w gminie Warszawa - Wawer. Ogólnopolskie Forum Odnawialnych źródeł energii - 2000 Łódź.

6. Łepkowski P.: Niezawodne i coraz tańsze - Ogniwa fotowoltaiczne. Energia Gigawat 2003.

7. Olszowiec P.: Energoelektronika dla niekonwencjonalnych źródeł energii. Energia Gigawat 2004.

ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII

Systemy fotowoltaiczne współpracujące z siecią elektroenergetyczną

- 4 -

56°C

25°C

-2°C

100mW/cm²

4

I [A]

3,73

3,5

3

2,5

2

1,5

1

0,5

0

50

40

30

20

10

43,28

U [V]

100

200

300

400

500

0

0,5

1

1,5

2

2,5

600

100

300

200

400

500

700

600

800

MOC

NAPIĘCIE OGNIWA [mV]

PRĄD OGNIWA [A]

PUNKT MPP

0

a)

b)

---