PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI

Transkripcija

1 Dušan Kaiser PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Diplomsko delo Maribor, marec 2011

2

3 I Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa PREVARJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektorica: Dušan Kaiser UN Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika red. prof. dr. Josip Voršič red. prof. dr. Gorazd Štumberger Tanja Tratenšek, prof. slo. Maribor, marec 2011

4 II

5 III ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Josipu Voršiču za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela in prav tako somentorju red. prof. dr. Gorazdu Štumbergerju. Hvala tudi celotni ekipi Laboratorija za energetiko za pomoč in strokovne nasvete. Prav tako se zahvaljujem Sebastijanu Semetu za strokovne nasvete in pomoč pri izvajanju meritev. Posebna zahvala velja staršem in Elektru Maribor, d. d., ki so mi omogočili študij.

6 IV PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Ključne besede: sonce, električna energija, sončne celice, fotonapetostni sistem sončni moduli in sončno sevanje UDK: (043.2) Povzetek Pri izdelavi diplomskega dela smo se ukvarjali s preverjanjem sončnih modulov na mikro sončni elektrarni (MSE) UM FERI. V delu so predstavljeni osnovni pojmi, ki so potrebni za razumevanje sončnih elektrarn. To so sonce, fotonapetostni pojav, sončne celice in sončni moduli. Za preverjanje sončnih modulov je uporabljen merilni instrument I-V 400. Merilni instrument omogoča preverjanje sončnih modulov pri trenutnih pogojih in pri pogojih, ki jih določa standard za merjenje sončnih modulov (IEC 61829). Proizvajalci sončnih modulov podajajo tolerančno odstopanje moči v odstotkih, s čimer podajajo kakovost sončnih modulov. Tako nas v diplomskem delu zanima kakovost sončnih modulov pri večletnem obratovanju, ki smo jo preverili na MSE UM FERI. Rezultate meritev smo podali tabelarično in grafično, iz katerih je razvidno dobro delovanje preverjenih sončnih modulov.

7 V CHECKING THE MODULES OF THE MICRO SOLAR POWER PLANT ON UM FERI Key words: sun, electric energy, solar cells, photovoltaic system, solar modules, solar radiation UDK: (043.2) Abstract The diploma thesis deals with the checking of solar modules installed in the micro-solar power station (MSPS) at the University of Maribor, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science Maribor. In this diploma thesis are presented fundamentals that are required to understand the operation of solar power stations (sun, photovoltaic phenomenon, solar cells and modules). Measurements were carried out with the I-V 400 multifunctional meter, which enables checking of sun modules according to the standard for measurement of sun modules (IEC 61829). Producers of solar modules give a tolerance deviation of power in percentage. In the diploma thesis the quality of solar modules that have worked several years is evaluated. The measurements required for the evaluation were carried out at the University of Maribor, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science Maribor. The obtained results are presented in tabular and in graphic form. They show that the discussed solar modules operate inside prescribed parameters.

8 VI VSEBINA 1 UVOD SONČNO SEVANJE Sonce Fotonapetostni pojav Nadomestno vezje sončne celice Vrste sončnih celic Monokristalne sončne celice Polikristalne sončne celice Fotonapetostni moduli Vplivi različnih parametrov na karakteristiko modula MIKRO SONČNA ELEKTRARNA UM FERI INSTRUMENT I-V Opis instrumenta Nastavitev instrumenta Izvedba meritev Opis programa Topview REZULTATI Opis pojmov Rezultati meritev in njihova analiza SKLEP... 60

9 VII 7 VIRI, LITERATURA PRILOGE Sončna celica WS Sončna celica WS 105 tehnični podatki Enopolna shema MSE UM FERI Naslov študenta Kratek življenjepis... 66

10 VIII VSEBINA SLIK Slika 1.1: Gostota moči sončnega sevanja za Slovenijo od leta 2001 do Slika 2.1: Spekter sončnega sevanja... 6 Slika 2.2: Direktno, odbito in difuzno sončno sevanje... 7 Slika 2.3: Povprečja mesečnih vsot energije globalnega sončnega obsevanja za merilna mesta Kredarica, Ljubljana in Murska Sobota... 8 Slika 2.4 Model kristalne mreže silicijevih atomov... 9 Slika 2.5: N-tip... 9 Slika 2.6: P-tip Slika 2.7: Način delovanja sončne celice Slika 2.8: Nadomestno vezje sončne celice Slika 2.9: Prikaz nastajanja sončne celice Slika 2.10: Primer oblike monokristalne sončne celice Slika 2.11: Primer oblike polikristalne sončne celice Slika 2.12: Načelen prikaz vezave sončnih modulov in simbol modula Slika 2.13: Izgled fotonapetostnega modula na MSE UM FERI modul WS105M Slika 2.14: Primera karakteristike U-I in potek moči Slika 3.1: MSE UM na FERI Slika 3.2: Prikaz proizvedene električne energije po mesecih na MSE UM FERI Slika 4.1: Prikaz instrumenta I-V 400 (levo) in zgornjega dela instrumenta (desno) Slika 4.2: Konektor moški kontakt (vtič) in ženski kontakt (vtičnica) Slika 4.3: Lega sončnih modulov in njihova medsebojna vezava v tretjem polju MSE UM FERI Slika 4.4: Igla, na kateri je osenčeni del znotraj črnega kroga

11 IX Slika 4.5: Merilnik za gostoto moči sončnega sevanja Slika 4.6: Prikaz temperaturnega senzorja med opravljanjem meritev Slika 4.7: Prikaz gostote moči sončnega sevanja za dan od 6. ure zjutraj do 20. ure zvečer Slika 4.8: Prikaz gostote moči sončnega sevanja za dan od 6. ure zjutraj do 20. ure zvečer Slika 4.9: Program Topview (zgoraj) in primer rezultata, ki ga omogoča program Topview (spodaj) Slika 5.1: Lega sončnih modulov od št. 12 do 1 prvi string Slika 5.2: Karakteristiki U-I in U-P za prvi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem Slika 5.3: Karakteristiki U-I in U-P za prvi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk Slika 5.4: Lega sončnih modulov od št. 24 do 13 drugi string Slika 5.5: Karakteristiki U-I in U-P za drugi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem Slika 5.6: Karakteristiki U-I in U-P za drugi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk Slika 5.7: Lega sončnih modulov od št. 8 do Slika 5.8: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 8 do 1, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem Slika 5.9: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 8 do 1, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk Slika 5.10: Lega sončnih modulov od št. 12 do Slika 5.11: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 12 do 9, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem

12 X Slika 5.12: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 12 do 9, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk Slika 5.13: Lega sončnega modula št. 5 v prvem stringu Slika 5.14: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 5, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena s temperaturnim senzorjem Slika 5.15: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 5, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. 51 Slika 5.16: Lega modula št. 8, ki ga prekriva merilnik gostote moči sončnega sevanja. 52 Slika 5.17: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 8, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena s temperaturnim senzorjem Slika 5.18: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 8, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. 54 Slika 5.19: Lega sončnih modulov od št. 20 do Slika 5.20: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 20 do 13, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem Slika 5.21: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 20 do 13, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk Slika 5.22: Lega sončnih modulov od št. 24 do Slika 5.23: Karakteristiki U-I in U-P za sončni module od št. 24 do 21, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem Slika 5.24: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 24 do 21, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk Slika 8.1: Sončna celica Energetica WS Slika 8.2: Tehnični podatki sončne celice WS Slika 8.3: Enopolna shema MSE UM FERI... 65

13 XI VSEBINA TABEL Tabela 2.1: Značilnosti najpogosteje uporabljenih sončnih celic Tabela 2: Podatki, ki jih je potreboval instrument za izvedbo meritev MODUL WS 105M proizvajalec Energietechnik G.m.b.H Tabela 5.1: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za prvi string od sončnega modula št. 12 do 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) Tabela 5.2: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za prvi string od sončnega modula št. 12 do 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) Tabela 5.3: Rezultati meritev merilnega sistema Laboratorija za energetiko za določeno časovno obdobje za MSE UM FERI Tabela 5.4: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za drugi string od sončnega modula št. 24 do 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) Tabela 5.5: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za drugi string od sončnega modula št. 24 do št. 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) Tabela 5.6: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od št. 8 do 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) Tabela 5.7: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 8 do št. 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.)... 45

14 XII Tabela 5.8: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od številke 12 do 9 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem Tabela 5.9: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 12 do št. 9 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) Tabela 5.10: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 5 (Temperatura sončnega modula je izmerjena s temperaturnim senzorjem Tabela 5.11: Merilni sistem Laboratorija za energetiko za določeno časovno obdobje za tretje sončno polje MSE UM FERI, Tabela 5.12: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 5 (Temperatura sončnega modula je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) Tabela 5.13: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 8 (Temperatura sončnega modula je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) Tabela 5.14: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 8 (Temperatura sončnega modula je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) Tabela 5.15: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od št. 20 do 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) Tabela 5.16: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 20 do 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) Tabela 5.17: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od št. 24 do 21 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.)... 58

15 XIII Tabela 5.18: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 24 do 21 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.)... 58

16 XIV UPORABLJENI SIMBOLI c [m/s] hitrost svetlobe E λ [J] energija vpadne svetlobe G [W/m 2 ] gostota moči sončnega sevanja h [J/m 2 34 ] Planckova konstanta ( 6, ) H [J/m 2 ] sončno obsevanje I [A] tok na izhodu nademestnega vezja I 0 [A] zaporni tok diod I 1 [A] tok sončnega generatorja I DC [A] dejanski tok sončne celice I Pmax [A] tok pri največji moči I SC [A] kratkostični tok k [J/K] Boltzmannova konstanta m n faktor kakovosti diode število celic v modulu P [W] trenutna moč modulov P amb [W] temperatura okolice q [As] naboj elektrona 1, As R p [Ω] upornost vzporednega upora R S [Ω] upornost zaporednega upora T [ 0 C] temperatura sončnega modula T amb [ 0 C] temperatura okolice 1, U [V] efektivna vrednost napetosti na izhodu nadomestnega vezja U AC [V] efektivna vrednost nazivne izmenične napetosti U DC [V] dejanska napetost sončne celice U i [V] napetost i-te celice v določenem polju

17 XV U OC [V] napetost odprtih sponk U Pmax [V] napetost pri največji moči W [kwh] dnevno proizvedena energija λ [m] valovna dolžina

18 XVI UPORABLJENE KRATICE MSE AM1,5 IEC SIST OPC STC THD ENS mikro sončna elektrarna spektralna gostota standardiziranega sevanja na zemeljski površini international Electrotechnical Commission slovenski inštitut za standardizacijo trenutni izmerjeni pogoji standard test conditions standardni preskusni pogoji celostni harmonski faktor popačenja enota za nadzor omrežja

19 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 1 1 UVOD Energijo, pridobljeno iz sončne svetlobe, imenujemo sončna energija. V zadnjih desetletjih se je zanimanje zanjo močno povečalo, saj se zavedamo, da imamo omejeno zalogo fosilnih goriv. Med fosilna goriva uvrščamo energente, kot so premog, nafta, zemeljski plin. Slednji vplivajo na okolje v obliki emisij CO 2. Osveščenost prebivalstva in dejstvo, da so zaloge fosilnih goriv omejene, sta ljudi vzpodbudila pri razmišljanjih o alternativnih virih energije in njihovem čim boljšem izkoriščanju. Med te vire energije uvrščamo sončno energijo, vetrno energijo ter potencialne energije plime in oseke [1]. Sonce je imelo že v zgodovini veliko moč in tega so se zavedala že stara ljudstva, kar lahko opazimo po imenih za bogove sonca. V Stari Grčiji se je bog Sonca imenoval Helios, Rimljani so ga imenovali Sol [1]. V oddaljenih krajih, kjer ni na voljo drugih virov energije, se sončna energija že močno uporablja. Povprečna jakost sončnega sevanja na zunanjem robu Zemljine atmosfere znaša 1367 W/m 2 in se imenuje solarna konstanta. Vrednost solarne konstante z leti rahlo niha, današnja veljavna vrednost je 1367 W/m 2. Na sliki 1.1 je prikazana povprečna gostota moči sončnega sevanja za Slovenijo od leta 2001 do 2007 [1], [2] in [8].

20 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 2 Slika 1.1: Gostota moči sončnega sevanja za Slovenijo od leta 2001 do 2007 Energija Sonca bo v prihodnosti predstavljala znaten del potreb po energiji. Ena izmed možnosti je neposredna pretvorba sončnega sevanja v električno energijo s pomočjo fotonapetostnih elektrarn. Fotonapetostne elektrarne so v večjih evropskih državah (izstopata predvsem Španija in Nemčija zaradi zelo dobro urejenega zakonodajnega področja) že razširjene in fotovoltaika kot panoga doživlja v zadnjih letih razcvet. Število sončnih elektrarn po svetu zelo hitro narašča in s tehnološkega vidika se dosegajo vedno boljši izkoristki. Za okolje so fotonapetostne elektrarne sprejemljive in po preteku njihove življenjske dobe jih je možno odstraniti ali obnoviti [1]. Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo energije svetlobe v električno energijo. Fotonapetostni pojav je odkril francoski fizik Alexandre Bequerel leta Pri enostavnem preizkusu je ugotovil, da kovinski ploščici, potopljeni v razredčeno kislino, proizvajata več elektrike, če sta izpostavljeni svetlobi. Ker v tistem času splošni razvoj še ni zahteval širše oskrbe z elektriko, je Bequerelovo odkritje ostalo bolj ali manj pozabljeno vrsto let. Prvo selensko fotocelico je leta 1883 opisal Charles Fritz. Kljub uspešni izumiteljski žilici in podpori nemškega industrialca Wernerja Siemensa, ki je v izumu zaslutil dolgoročno uporabnost, iznajdba ni bila širše sprejeta (izkoristek od 1 do 2 %).

21 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 3 Poljak Jan Chohralski je med prvo svetovno vojno razvil metodo za pridobivanje monokristalnega silicija, ki jo praktično nespremenjeno uporabljamo še danes. Glavni koraki v smeri uporabnosti sončnih celic so bili storjeni med letoma 1940 in 1950, podlaga za to pa je bil prav monokristalni silicij. Proizvodnja in uporaba sončnih celic sta se v osemdesetih letih prejšnjega stoletja močno povečali. V tem obdobju so bili zgrajeni prvi večji fotonapetostni sistemi v Evropi. V zadnjih letih pri fotovoltaiki kot gospodarski panogi opažamo strmo rast; v povprečju več kot 50-odstotno letno gospodarsko rast. Fotovoltaika je že prestopila prag samostojne gospodarske smeri in nudi vedno več zaposlitev [1]. Leta 2004 je bila mikro sončna elektrarna (MSE) Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru (v nadaljevanju UM FERI) priključena na (v nadaljevanju EES). V diplomskem delu smo se osredotočili na MSE UM FERI, kjer smo preverili kakovost sončnih modulov. Za preveritev sončnih modulov smo uporabili instrument I-V 400 in raziskali kakovost sončnih modulov po šestletnem obratovanju. Kakovost sončnih modulov je bila preverjena prvič v obdobju šestih let [7]. Diplomsko delo je sestavljeno iz sedmih poglavij. Prvo poglavje zajema uvod. V drugem poglavju je opisano sončno sevanje. Razložili smo, zakaj je Sonce obnovljiv vir, in pojasnili, da imamo še veliko neizkoriščenega potenciala iz Sonca. Opisan je fotonapetostni pojav, ki ga je prvi raziskal Albert Einstein leta 1904, za kar je kasneje dobil Nobelovo nagrado. Za poznavanje delovanja je pomembno razumeti tudi nadomestno vezje sončnih celic. Opisani sta monokristalna in polikristalna sončna celica, ki se v praksi največ uporabljata. Cilj tega diplomskega dela je raziskati karakteristike fotonapetostnih modulov, zato je eno izmed podpoglavij namenjeno fotonapetostnim modulom. To poglavje se konča z opisom, kako različni parametri vplivajo na karakteristiko modula. Tretje poglavje je namenjeno opisu MSE UM FERI, ki smo jo preverili. V četrtem poglavju je opisan merilni instrument I-V 400, s katerim smo preverili, ali meritve ustrezajo tovarniško dovoljenim odstopanjem moči sončnih modulov. Opisana je pravilna uporaba tega instrumenta, čemu je instrument namenjen in kako se uporablja v

22 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 4 praksi. V zaključku tega poglavja je opisan še računalniški program Topview, ki omogoča računalniško analizo podatkov. V petem poglavju so podani rezultati meritev. Meritve smo izvedli za polje MSE UM FERI in rezultate podali v tabelah ter grafično. Za vsako meritev je podan ustrezen komentar. V zadnjem, šestem poglavju, smo podali sklepne ugotovitve na podlagi teorije in prakse.

23 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 5 2 SONČNO SEVANJE 2.1 Sonce Sonce, osnovni vir svetlobe in toplote za planet Zemljo, je zelo običajna zvezda, ki leži v bližini roba spiralnega rokava in je oddaljena približno svetlobnih let od središča Galaksije. Sonce je nastalo pred približno 4,6 milijarde let in je nekje na polovici svojega delovanja. Sonce je središče Sončevega sistema, v katerem je vsaj devet večjih planetov in njihovih satelitov ter na tisoče manjših planetov, kometov in meteoritov [1]. Sonce sestavljata v glavnem plina vodik (približno 3/4) in helij (nekaj manj kot 1/4), preostalo so kovine in drugi elementi. V njegovem središču je ogromen jedrski reaktor, kjer temperatura dosega najmanj 14 milijonov 0 C. Sonce sestavlja energijo s fuzijo (zlivanje jeder); procesom, pri katerem se vodik pretvarja v helij. Sonce vsako sekundo izgubi 4 milijone ton svoje mase. Njegova skupna masa je ton, kar je kratna masa Zemlje. Premer Sonca je km, 109-krat večji od Zemljinega, njegova prostornina pa je krat večja od Zemljine [1] in [2]. Izsevana moč Sonca znaša okrog 3, W. Od tega Zemlja od Sonca letno prejme približno J energije. Če to energijo primerjamo, ugotovimo, da ta znaša več kot celotna letna poraba energije iz vseh primarnih virov [1]. Sončno sevanje uvrščamo med elektromagnetno valovanje. Omenjeno valovanje nastaja kot posledica jedrskih in drugih fizikalnih pojavov na Soncu. Elektromagnetni valovi se ločijo po valovnih dolžinah. Valovne dolžine sončnega sevanja so prikazane na sliki 2.1 [1].

24 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 6 Slika 2.1: Spekter sončnega sevanja Gostota moči sončnega sevanja G je gostota moči, ki jo Zemlja na enoto površine (m 2 ) prejema od Sonca. Osnovna enota za gostoto moči sončnega sevanja je W/m 2. Poznamo več načinov sončnega sevanja (slika 2.2): direktno sevanje, difuzno sevanje, odbito sevanje. Direktno sevanje je sevanje sončnih žarkov, difuzno sevanje je razpršeno sevanje celotnega neba, odbito sevanje pa je tisto, ki se odbija od okolice in pada na opazovano ploskev [1]. Seštevek sončnega sevanja so vsa zgoraj našteta sončna sevanja, največ pa prispeva direktno sevanje [1]. Globalno sončno obsevanje na vodoravno ploskev predstavlja osnovo za izračun potenciala sončne energije, ki jo prejme enota ploskve z določeno lego v prostoru ob povprečnih realnih pogojih v atmosferi v določenem časovnem intervalu [1].

25 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 7 Sončno obsevanje H je vsota delnih prispevkov sončnega sevanja na ploskev na Zemlji v določenem časovnem intervalu. Osnovna enota je J/m 2, v tehniški praksi se uporablja kwh/m 2 [1]. Na spodnji sliki so prikazani načini obsevanja, ki so enaki kot pri sončnem sevanju. Slika 2.2: Direktno, odbito in difuzno sončno sevanje Največ energije sončnega sevanja prejme Zemlja med 9. uro dopoldan in 16. uro popoldan. Moduli morajo biti nameščeni tako, da so v tem času kar se da malo osenčeni. Namesto vrednosti sončnega obsevanja se v literaturi kot parameter pojavlja tudi sončna ura. Pri tem parametru bi morala gostota moči sončnega sevanja znašati 1000 W/m 2, da bi Zemlja od Sonca prejela tisto energijo, ki jo v danem dnevu dejansko prejme. Povprečno dnevno število vršnih ur za Slovenijo je od 3 do 3,5 [1]. V Sloveniji meritve za sončno sevanje opravlja Agencija Republike Slovenije za okolje in prostor v 22 meteoroloških krajih v Sloveniji. Na sliki 2.3 je prikazano povprečje meritev dnevne energije sončnega obsevanja za obdobje 40 let za Kredarico, Ljubljano in Mursko Soboto. Na sliki lahko vidimo, da je povprečna dnevna energija sonca v poletnih mesecih večja v mestih, v zimskem času pa je v ospredju najvišja slovenska metereološka postaja Kredarica z nadmorsko višino m [5].

26 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 8 Slika 2.3: Povprečja mesečnih vsot energije globalnega sončnega obsevanja za merilna mesta Kredarica, Ljubljana in Murska Sobota 2.2 Fotonapetostni pojav Uvodoma podajamo mnenje slavnega Alberta Einsteina, ki je svoje ugotovitve za fotonapetostni pojav objavil leta 1904 in bil kasneje za to delo nagrajen z Nobelovo nagrado. Albert Einstein:»Every physicist thinks that he knows what a photon is. I spent my life to find out what a photon is and I still don't know it«. Če prevedemo v slovenščino, bi zvenelo nekako tako:»vsak fizik misli, da ve, kaj je foton. Jaz sem posvetil življenje temu, da izvem, kaj je foton, in še vedno ne vem«. Osnovni element fotonapetostnih sistemov je fotonapetostni modul, ki ga sestavlja večje število sončnih celic, ki so združene v enoto. V fotonapetostnem modulu pride do pretvorbe sončne energije v električno. V sončnih celicah se dogaja konverzija sončne energije, ki so v osnovi polprevodniške diode z veliko površino. Zgrajene so iz dveh različnih tipov polprevodniške plasti. Ena plast ima primesi donorjev, kar pomeni, da ima

27 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 9 presežek elektronov. To plast imenujemo polprevodnik tipa n, druga plast tipa p vsebuje primesi akceptorjev. Slednjim primanjkujejo elektroni oziroma imajo presežek vrzeli [1]. Fotonapetostni pojav je najlažje predstaviti na modelu silicijeve kristalne mreže. Na sliki 2.4 je prikazan model kristalne mreže silicijevih atomov. Opazimo lahko, da je silicij štirivalentni element. Podobno kot pri diamantu se atomi medsebojno vežejo v kristal [1]. Slika 2.4 Model kristalne mreže silicijevih atomov Najbolj značilni za vezavo sta dve možnosti. V strukturo lahko vnesemo primesi fosforja, pri čemer ostane ena vez prosta, saj je fosfor petvalenten. S tem dobimo en slabše vezani elektron oziroma prosti elektron. Vezava silicija s fosforjem je prikazana na sliki 2.5. Ta tip polprevodnika imenujemo N-tip [1]. Slika 2.5: N-tip

28 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 10 Pri vezavi bora, ki je trivalenten, s silicijem nam en elektron primanjkuje. Temu primanjkljaju rečemo vrzel. Ta tip se imenuje P-tip in je prikazan na spodnji sliki [1]. Slika 2.6: P-tip Ko svetloba z dovolj veliko energijo v plasti PN izbije elektrone, nastajajo pari elektron vrzel. Ta pojav imenujemo fotonapetostni pojav oziroma fotoefekt. Elektroni iz polprevodnika tipa N začnejo prodirati v polprevodnik tipa P, medtem ko vrzeli prodirajo iz polprevodnika tipa P v tip N. Tako se v N-tipu pojavlja presežek negativnega naboja (elektroni), v P-tipu pa presežek pozitivnega naboja (vrzeli). Ustvarjeni naboj povzroči električno polje med priključnima sponkama sončne celice. Pojav je nazorno prikazan na sliki 2.7 [1].

29 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 11 Slika 2.7: Način delovanja sončne celice Proces izbijanja elektronov in s tem pridobivanje električnega toka poteka tako dolgo, dokler je sončna celica izpostavljena svetlobi. Enačba (1) podaja zvezo med valovno dolžino λ in energijo E P vpadne svetlobe [1]: E hc λ (1) kjer je: 34 2 h Planckova konstanta ( 6, Ws ) c λ hitrost svetlobe (m/s) valovna dolžina (m) 2.3 Nadomestno vezje sončne celice Poznamo idealni in realni model. Idealni model je sestavljen iz diode in tokovnega izvora, ki sta vezana vzporedno. Pri realnih sončnih celicah moramo zraven diode in tokovnega izvora upoštevati še upornost zaporednega upora R S in upornost vzporednega upora R P. Ti

30 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 12 dve upornosti nastaneta zaradi padca napetosti realne sončne celice in parazitih tokov. Na sliki 2.8 je prikazano nadomestno vezje za realno sončno celico. Matematični zapis nadomestnega vezja je podan z izrazom za tok I (2) in s Shockleyjevo enačbo za tok diode I d (3) [3]. Slika 2.8: Nadomestno vezje sončne celice q ( U R )/ S S I mkt I= Il I e 1 U+ R I R 0 P I (2) e qu d / mkt 1 d I0 (3) kjer je: I 0 zaporni tok diod [A] I 1 tok sončnega generatorja [A] R p upornost vzporednega upora [Ω] R S upornost zaporednega upora [Ω] m faktor kakovosti diode k Boltzmannova konstanta T absolutna temperatura [ 0 C] q naboj elektrona 1, As 1, J/K I tok na izhodu nademestnega vezja [A] U napetost na izhodu nademestnega vezja [V]

31 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran Vrste sončnih celic Na fotovoltaičnem trgu lahko danes zasledimo mnogo različnih tipov sončnih celic. Med seboj se lahko razlikujejo po materialu, debelini, obliki, barvi in seveda za nas najpombnejšem izkoristku. Tabela 2.1 prikazuje uporabljene tipe sončnih celic na trgu. Opazimo lahko, da najvišje izkoristke omogočajo monokristalne sončne celice. Poleg njih se uporabljajo še polikristralne sončne celice, ki so tudi na MSE UM FERI in jih obravnavamo v nalogi. Tabela 2.1: Značilnosti najpogosteje uporabljenih sončnih celic Material Debelina Izkoristek Oblika Barva Silicij kradratne oblike temno modra, ali kvadratne s monokristalne črna z AR 0,3 mm % prisekanimi sončne celice plastjo, siva (zaobljenimi) brez AR plasti vogali modra z AR polikristalne plastjo, srebrno 0,3 mm % kvadratne oblike sončne celice siva brez AR plasti EFG - sončne pravokotne ali modra z AR 0,28 mm 14 % celice kvadratne oblike prevleko hibridne sončne temno modra do 0,2 mm 18 % kvadratne oblike celice (HIT) črna tankoplastne kvadratne oblike modra z AR kristalne sončne 0,13 mm 8 % v obliki trakov prevleko celice 0,0001 do 3 amorfne rdeče-modra, mm 10 % oblika po izbiri sončne celice črna substrat Drugi materiali CIS/CIGS ( bakerindijev selenid CdTe telurid) (kadmijev 0,003 mm + 3 mm substrat 0,008 mm + 3 mm substrat 10 % (modul) oblika po izbiri črna 9 % (modul) oblika po izbiri temno črna zelena,

32 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran Monokristalne sončne celice Celice iz monokristalnega silicija imajo urejeno kristalno strukturo. Kristal se pridobiva tako, da se prečisti kremenčev pesek (SiO 2 ), se ga stali pri C in nato iz taline počasi z vlečenjem zraste v kristal v obliki inga, ki se ga nareže v tanke rezine z debelino nekaj desetink. V tabeli 2.1 smo lahko opazili, da imajo še vedno najboljši izkoristek materiala, ki se uporablja za komercialne namene. Na sliki 2.9 je prikazan potek pridobitve sončne celice iz silicija [1] [8]. Na naslednji pa primer za monokristalno sončno celico. Slika 2.9: Prikaz nastajanja sončne celice Slika 2.10: Primer oblike monokristalne sončne celice

33 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran Polikristalne sončne celice Z razliko od monokristalnih sončnih celih se polikristalne celice ločijo, da nimajo v celoti urejene kristalne strukture. Kristalno mrežo imajo polikristalne sončne celice urejeno samo znotraj določenega območja. To pomeni, da je posamezna sončna celica sestavljena iz več neurejenih kristalnih območij z isto orientiranostjo kristalne zgradbe. Do pojava pride zaradi hitrejšega ohlajanja taline. S tem imajo polikristalne sončne celice manjše izkoristke (13 15 %) in posledično je cena nekoliko nižja. Na spodnji sliki je prikazana polikristalna sončna celica Slika 2.11: Primer oblike polikristalne sončne celice 2.5 Fotonapetostni moduli Fotonapetostni modul je najmanjši, ob okvari še zamenljivi del fotonapetostnega polja. Module lahko razdelimo glede na vrsto uporabljenih sončnih celic ali glede na namen uporabe. Moduli so ustrezno zaščiteni, da izpolnjujejo varnostne zahteve za konstrukcije in preizkušanje. Na sliki 2.12 je prikazana vezava sončnih modulov in simbol sončnega modula. Slika 2.13 pa prikazuje sončni modul in njegovo ohišje v delovanju MSE UM FERI [7].

34 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 16 Slika 2.12: Načelen prikaz vezave sončnih modulov in simbol modula Slika 2.13: Izgled fotonapetostnega modula na MSE UM FERI modul WS105M Z vidika elektrotehnike je sončni modul zaporedna vezava sončnih celic v določenem polju. Vezava več sončnih modulov v serijo nam da želeno napetost (4) [1]. U= n Ui (4) i=1 kjer je: U i napetost i-te celice v določenem polju [V] n število celic v modulu

35 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran Vplivi različnih parametrov na karakteristiko modula V poglavju 2.3 smo lahko videli primer nadomestnega vezja sončne celice. Da lahko ugotovimo, ali sončna celica ustreza standardom proizvajalca, moramo poznati osnovne parametre, ki vplivajo na električno delovanje sončne celice. Osnovni električni podatki modulov so izmerjeni pri standardnih preskusnih pogojih (STC). Ni pomembno, kakšen modul imamo, ker veljajo za vse tipe modulov, ki obstajajo. Električni podatki za posamezne module se podajajo pri vrednosti gostote moči sončnega sevanja (1000 W/m 2 ), temperaturi sončnega modula (25 0 C) in vrednosti zračne mase AM = 1,5 (AM1,5). Najpomembnejši podatki so: vršna moč P MPP [Wp], napetost odprtih sponk U 0C [V], tok kratkega stika I sc [A]. Slika 2.14 prikazuje karakteristike U-I fotonapetostnega modula in poteka moči. Na sliki so z A, B in C označene pomembne točke. Točka A podaja točko kratkega stika I SC, točka B podaja točko odprtih sponk V OC, točka C pa predstavlja točko največje moči P MPP. Napetost odprtih sponk je v besedilu označena s simbolom U OC, na sliki je označena z V OC, vendar ima oboje pomen napetost pri odprtih sponkah. Slika 2.14: Primera karakteristike U-I in potek moči

36 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 18 Napetost odprtih sponk (U OC ) z upadanjem temperature modulov narašča in je najvišja pri najnižjih temperaturah okolice. Tok kratkega stika (I SC ) z naraščanjem temperature narašča [1]. Fotonapetostni moduli delujejo pri temperaturah, višjih od temperature okolice za okrog C, zato mora biti načrtovana delovna temperatura modula vsaj 75 0 C [1].

37 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 19 3 MIKRO SONČNA ELEKTRARNA UM FERI Naloga diplomskega dela je raziskati kakovost sončnih modulov v skladu z zagotovili proizvajalca. V ta namen smo se odločili predstaviti MSE UM FERI, ki deluje že šest let. Spodnja slika prikazuje MSE Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru [7]. Slika 3.1: MSE UM na FERI MSE UM FERI je zgrajena kot nadstrešnica na parkirišču tehniških fakultet na dvorišču Smetanove ulice v Mariboru. Nosilna konstrukcija je iz nerjaveče pločevine. Spada med fotonapetostne elektrarne, ki imajo stalen naklon sončnih modulov (β=24 0 ). Razdeljena je na tri polja, kot je prikazano na sliki 3.1. Vsako polje ima 24 sončnih modulov (3 24). Vsak modul je velik približno 1 m 2. Skupna površina je tako približno 75 m 2. Število celic te elektrarne je V vsakem polju so sončni moduli smiselno povezani vzporedno ali zaporedno, da je moč posameznega polja 2,5 kw. Skupna moč MSE UM FERI je 7,5 kw [6] [7].

38 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 20 Iz vsakega polja je napeljan bakren kabel (2 35 mm 2 ) do razsmernikov, ki so na hodniku pred prostori Laboratorija za energetiko UM FERI. Razsmerniki so enofazni, moči 2,5 kw in imajo vhodno enosmerno napetost med 150 in 400 V ter izhodno izmenično napetost 230 V. Razsmerniki se ob priklopu na omrežje z dovolj veliko kratkostično močjo samodejno sinhronizirajo, saj imajo zaščito ENS in podatke: cos j =1, celostni harmonski faktor popačenja THD < 3,5 % ter izkoristek η=92,7 %. Zaščita ENS je enota za nadzor omrežja s pripadajočim stikalom. Stikalo deluje na principu meritve impedance omrežja. Če se impedanca poveča za 0,5 Ω, mora ENS-zaščita zaznati v 5 s. Ko ENS-zaščita zazna padec impedance, mora v času < 0,2 s izključiti električni vir iz mreže. ENS se ponovno aktivira v 5 s in omogoči ponovno priključitev na omrežje, ko se vrednost impedance zniža na osnovno vrednost [6], [7] in [8]. Vsak razsmernik posebej je povezan z javnim omrežjem (priključne omarice) s kablom PP mm 2. V priključni omarici je trifazni Iskrin elektronski števec z modulom za daljinsko odčitavanje [7]. MSE UM FERI je bila na omrežje tehniških fakultet priključena Septembra 2005 je bila elektrarna priključena na javno razdeljevalno omrežje [7]. Celotna MSE UM FERI je leta 2010 (od do ) proizvedla 8.088,4 kwh, kar pomeni 22,05 kwh dnevno. Slika 3.2 kaže proizvedeno električno energijo MSE UM FERI za leto 2010 po posameznih mesecih [7]. Tako lahko na sliki opazimo, da je največja proizvedena energija v juliju (1.313,00 kwh) in avgustu (1.098,5 kwh). Najmanj električne energije se je proizvedlo januarja (67,2 kwh) in decembra (122,00 kwh).

39 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 21 Slika 3.2: Prikaz proizvedene električne energije po mesecih na MSE UM FERI Merilni sistem za registracijo obratovanja je začel delovati leta Leta 2006 je bil vzpostavljen še merilni sistem za nadzor temperatur modulov in hitrosti vetra. Na spletni strani si lahko ogledamo za dan, mesec ali leto prikazane naslednje meritve [7]: temperature okolice T amb [ 0 C], hitrost vetra v [m/s], temperature modulov T [ 0 C], gostota moči sončnega sevanja G [W/m], dejanski tok sončne celice (za vsako polje posebej) I DC [A], dejanska napetost sončne celice (za vsako polje posebej) U DC [V], trenutna moč modulov (za vsako polje posebej) P [W], dnevno proizvedena energija W [kwh], nazivni izmenični tok (za vsako polje posebej) I DC [A], nazivna izmenična napetost (za vsako polje posebej) U AC [V],

40 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 22 Omenjene podatke bomo kasneje primerjali z rezultati meritev (poglavje 5) instrumenta I- V 400 (poglavje 4), ki smo jih opravili avgusta 2010, ter izvedli primerjavo med njima.

41 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 23 4 INSTRUMENT I-V 400 Za meritve karakteristik U-I in U-P smo uporabili instrument I-V 400. V naslednjih podpoglavjih je opisan instrument, nastavitev instrumenta, izvedba meritev in opis programa Topview. V podpoglavju Nastavitev instrumenta je opisano, kako nastavimo instrument, saj vsak proizvajalec izdeluje več različnih sončnih modulov z drugačnimi karakteristikami, podana pa bo tudi tabela s podatki sončnega modula, ki je na MSE UM FERI. V naslednjem podpoglavju je opisana izvedba meritev in na kaj moramo biti pri tem pozorni. V zadnjem podpoglavju je opisan računalniški program Topview, s katerim smo rezultate meritev prikazali grafično in tabelarično, karakteristiki U-I in U-P. 4.1 Opis instrumenta Za kontrolo delovanja sončnih modulov smo uporabili instrument I-V 400, ki je prikazan na sliki 4.1. Instrument I-V 400 omogoča merjenje celotne karakteristike U-I in U-P, s katero lahko ugotovimo, ali zadovoljuje deklarirane podatke proizvajalca sončnih modulov.

42 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 24 Slika 4.1: Prikaz instrumenta I-V 400 (levo) in zgornjega dela instrumenta (desno) Instrument I-V 400 ima tipkovnico in zaslon. Na zgornji sliki so s številkami od ena do šest prikazane tipke: 1. vklop, izklop, 2. ENTER, z njim potrjujemo vstavljene podatke, 3. GO/STOP za izvedbo meritve, 4. SAVE nam shrani podatke, 5. ESC/MENU (IZHOD/MENI), 6. HELP (POMOČ).

43 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 25 Na desnem stranskem delu (številka 7) instrumenta I-V 400 je USB-priključek. S pomočjo USB-kabla smo povezali računalnik in instrument I-V 400. Poleg instrumenta I-V 400 smo dobili računalniški program Topview, s katerim obdelujemo podatke. Če želimo izvesti meritev, ne zadošča zgolj poznavanje opisa instrumenta, ampak moramo biti pozorni na podatke s specifikacije fotonapetostnega modula WS 105M in jih tudi pravilno nastaviti, saj zmeraj merimo drug tip sončnega modula. Postopek nastavitve instrumenta I-V 400 bomo opisali v naslednjih korakih. Vendar si je pri tem pomembno zapomniti, da instrument I-V 400 nikoli ne bo izvedel meritve, če ne bo dovolj velike gostote moči sončnega sevanja. Minimalna gostota moči sončnega sevanja, pri kateri bo instrument izvedel meritev, je 700 W/m 2. Rezultate meritev karakteristike U-I nam bo instrument I-V 400 podal ob upoštevanju naslednjih pogojev: Instrument bo pravilno nastavljen. Rezultati meritev bodo preračunani na 1000 W/m 2 sončnega sevanja in temperaturo modulov 25 0 C STC. Instrument bo, ko bo meritev znotraj meja, ki jih je podal proizvajalec, prikazal»ok«, ko pa meritev ne bo znotraj meja, bo prikazal»no OK«. Instrument I-V 400 podaja rezultate za: I-V Pwr Avg@OPC, Nominal,

44 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 26 Kratica OPC pomeni, da instrument I-V 400 izmeri kakovost sončnih modulov pri trenutnih pogojih (pri trenutni gostoti moči sončnega sevanja). Nominalne vrednosti so podane v tabeli 4.1. Proizvajalec sončnih modulov nam bo zmeraj podal nominalne vrednosti. Kratica Avg pomeni, da instrument I-V 400 iz meritve več modulov poda rezultat za en sončni modul. Ko smo merili za en modul, instrument I-V 400 ni podal izračuna povprečja. 4.2 Nastavitev instrumenta Pred meritvijo je najpomembnejše, da pravilno nastavimo podatke sončnega modula. V tabeli 4.1 so prikazani podatki sončnega modula na MSE UM FERI, ki smo jih potrebovali, da smo lahko s pomočjo instrumenta I-V 400 pravilno izvedli meritve. Proizvajalci v tehničnih specifikacijah sončnih modulov navadno navajajo temperaturne koeficiente napetosti odprtih sponk, toka kratkega stika in moči v največji moči. Podani so lahko v %/ 0 C ali pa proizvajalci navajajo spremembe absolutnih vrednosti parametrov/ 0 C. Za kristalne module se ti koeficienti nahajajo v spodaj navedenih območjih: ΔI SC (α) od +0,02 %/ 0 C do +0,1 %/ 0 C ΔU OC (β) od 0,30 %/ 0 C do 0,41 %/ 0 C ΔP MPP (γ) od 0,37 %/ 0 C do 0,55 %/ 0 C Tabela 2: Podatki, ki jih je potreboval instrument za izvedbo meritev MODUL WS 105M proizvajalec Energietechnik G.m.b.H.

45 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 27 Po vnosu podatkov v instrument lahko začnemo izvajati meritve. Treba je bilo izklopiti MSE EM FERI (tretje polje). Konektorjev tokokrogov, skozi katere teče tok, ni dopustno razklepati. Posledica neupoštevanja te zahteve je električni oblok, ki lahko vodi tudi k poškodbam in požaru. Pregledati je treba vezavo sončnih modulov. V našem primeru smo merili tretje polje MSE na UM FERI, ki je prikazano na sliki 4.3, ker ima samo ta univerzalne konektorje (slika 4.2), kjer se da instrument I-V 400 enostavno povezati s sončnim modulom ali z večjim številom sončnih modulov. Slika 4.2: Konektor moški kontakt (vtič) in ženski kontakt (vtičnica) Maksimalno število sončnih modulov, ki jih lahko instrument izmeri, je 50. Pomembno je, da na instrumentu nastavimo število sončnih modulov, ki jih bomo merili. Slika 4.3 prikazuje medsebojno vezavo.

46 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 28 razdelilec 3. polje Slika 4.3: Lega sončnih modulov in njihova medsebojna vezava v tretjem polju MSE UM FERI Na sliki 4.3 je prikazan potek smeri vezave enosmernih sončnih modulov. Na njej lahko vidimo, da sta tokokroga označena s črno in vijolično barvo. To pomeni, da je polje razdeljeno na dva vzporedno vezana stringa, ki sta v omarici zaporedno povezana tako, da dobimo skupno moč 2,5 kw. Vsak sončni modul v tem polju ima svojo številko (od 1 do 24), ki so prikazane na sliki 4.3. S številkami od 1 do 12 so označeni sončni moduli prvega stringa, s številkami od 13 do 24 pa sončni moduli drugega stringa. Module smo označili s številkami, da smo imeli boljši pregled nad meritvami. 4.3 Izvedba meritev Izvajanje meritev je potekalo v dveh dneh avgusta, 19. in Meritve smo vsak dan izvedli dvakrat in ob različnem času. Vsako meritev smo izvedli dvakrat zapored, da ni prišlo do morebitnih napak izmerjenih rezultatov na instrumentu I-V 400. Če smo želeli izvesti meritev, smo morali najprej s pomočjo igle preveriti, ali je senca znotraj kroga (slika 4.4). Če je senca znotraj kroga, kot je prikazano na sliki 4.4, lahko začnemo meritve.

47 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 29 OSENČEN DEL Slika 4.4: Igla, na kateri je osenčeni del znotraj črnega kroga. Ko je bilo zadoščeno tej zahtevi, smo morali iglo nujno odstraniti, saj drugače ne bi dobili realnih rezultatov (igla osenči sončne celice). Po preveritvi smo na streho namestili merilni instrument, ki je meril gostoto moči sončnega sevanja G [W/m 2 ]. Na sliki 4.5 lahko vidimo merilni instrument, ki meri gostoto moči sončnega sevanja v danem trenutku in je priključen na instrument z oznako IRR., ki je na zgornjem delu instrumenta I-V 400 (slika 4.1). Slika 4.5: Merilnik za gostoto moči sončnega sevanja Paziti moramo, da sončnih celic, ki jih želimo izmeriti, ne prekriva merilnik za gostoto moči sončnega sevanja.

48 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 30 Za delo smo potrebovali delovno lestev, saj smo morali z različnimi prekinitvami med sončnimi moduli izvajati meritve. Ko smo odklopili želeno število modulov, smo morali v instrumentu I-V 400 nastaviti, za koliko modulov se bo opravljala meritev. Največje dopustno število sončnih modulov, ki jih lahko izmerimo z eno meritvijo, je 50. Na MSE UM FERI, na kateri smo izvajali meritve, je bilo 12 modulov povezanih v string. Na sliki 4.1 smo videli AUX-izhod, na katerega smo priključili temperaturni senzor, ki je prikazan na sliki 4.6. Slika 4.6: Prikaz temperaturnega senzorja med opravljanjem meritev Vsak sklop meritev smo izvedli na dva načina. Prvi je meritev instrumenta I-V 400 z AUXvhodom (temperaturni senzor), drugi pa je avtomatski način (izračun temperature po enačbi 5, ki je opisana v poglavju 5). Slednji pomeni, da je instrument temperaturo sončnega modula preračunal sam in da pri meritvi nismo uporabili temperaturnega senzorja. Meritev smo opravili 19. in Na slikah 4.7 in 4.8 vidimo gostoto moči sončnega sevanja za obravnavana dneva (

49 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 31 GOSTOTA MOČI SONČNEGA SEVANJA GOSTOTA MOČI SONČNEGA SEVANJA ( W/m 2 ) ČAS ( h ) Slika 4.7: Prikaz gostote moči sončnega sevanja za dan od 6. ure zjutraj do 20. ure zvečer GOSTOTA MOČI SONČNEGA SEVANJA GOSTOTA MOČI SONČNEGA SEVANJA ( W/m 2 ) ČAS (h) Slika 4.8: Prikaz gostote moči sončnega sevanja za dan od 6. ure zjutraj do 20. ure zvečer Če primerjamo sliki 4.7 in 4.8, opazimo, da je bila gostota moči sončnega sevanja nestabilna in se je zelo hitro spreminjala, kar pomeni, da je bil dan oblačen. Na sliki 4.8 za dan opazimo, da je gostota moči sončnega sevanja konstantno naraščala do 13. ure in nato enakomerno padala, kar pomeni, da je bil dan jasen.

50 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 32 V rezultatih (poglavje 5) bodo prikazane meritve za oba dneva. Vprašanje, ki se pri tem postavi, je, ali sta različni gostoti moči sončnega sevanja za oba dneva imeli vpliv na rezultate meritev. 4.4 Opis programa Topview Z namestitvijo programa Topview na računalnik si lahko zelo olajšamo delo. Kot je bilo opisano v poglavju 4.1, ima instrument možnost, da z USB-kablom povežemo instrument z računalnikom (s programom Topview). Na sliki 4.9 zgoraj je prikazan omenjeni program. Z njim imamo celoten nadzor instrumenta razen izvedbe meritev. Z njim si nastavimo parametre, ki jih potrebujemo. Prav tako z njim pregledamo rezultate, ki nam jih je podal instrument. Primer rezultatov je prikazan na spodnji sliki. Slika 4.9: Program Topview (zgoraj) in primer rezultata, ki ga omogoča program Topview (spodaj)

51 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 33 Rezultate lahko s pomočjo ukaza enostavno prenesemo v Microsoft Excel ali v PDFobliko. Na sliki 4.9 spodaj je prikazan primer prikaza rezultatov: karakteristika U-I, karakteristika U-P.

52 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 34 5 REZULTATI Karakteristiki U-I in U-P sta bili izmerjeni za tretje polje MSE UM na FERI, ki je podrobneje predstavljeno v poglavju 4.2 in na sliki 4.3. V nadaljevanju bodo prikazani rezultati meritev v obeh oblikah: tabelarično in grafično. 5.1 Opis pojmov Najbolj smiselno je primerjati OPC- in STC-meritve. Nominalne vrednosti sončnega modula WS 105 so tovarniške vrednosti, ki jih je podal proizvajalec in so bile predstavljene v tabeli 4.1. Pri tem bomo primerjali OPC- in STC-rezultate meritev. OPC pomeni trenutno izmerjene podatke o moči sončnega modula in podatke o trenutni gostoti moči sončnega sevanja. Temperatura sončnega modula je izmerjena bodisi s temperaturnim senzorjem bodisi z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk (INTERNATIONAL STANDARD 1829 IEC:1995). STC pomeni»standardni preskusni pogoji«(standard test conditions), pri katerih instrument I-V 400 iz trenutnih OPC-vrednosti izračuna STC-vrednosti. STC oziroma standardni preskusni pogoji so referenčne preskusne vrednosti temperature celice (25 0 C), pravokotni vpad gostote moči sončnega sevanja (1000 W/m 2 ) in faktor zračne mase (AM1,5) za preskušanje sončnih celic ali sončnih modulov. (IEC 61829). Pri rezultatih se bosta pojavila dva grafa. Levi bo predstavljal karakteristiko U-I, desni pa karakteristiko U-P.

53 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 35 Pri izmerjenih podatkih instrumenta (OPC) se moramo zavedati, da ne bomo zmeraj merili moči le enega sončnega modula. Pri meritvah več modulov bomo uporabili funkcijo v Topviewu (U-I in Pwr Avg@OPC), torej Avg, da nam bo instrument sam preračunal povprečje izmerjenih modulov za en modul. Na slikah so tako bolj nazorno prikazani rezultati in jih lahko lažje primerjamo. V tabelah bodo z modro barvo obarvani rezultati za OPC, z rumeno barvo pa za STC. Če je meritev zadoščala kakovosti sončnih modulov (±5 % odstopanja), je instrument prikazal»ok«. V tabelah smo podatke o ustreznosti kakovostnega delovanja sončnih modulov obarvali z zeleno barvo. Če meritev ni zadoščala kakovosti sončnih modulov (večje ali manjše od ±5 % odstopanja), je instrument prikazal»no OK«, podatki v tabelah pa so bili obarvani rdeče. Če je izpisano»ok ( )«, pomeni, da je moč sončnega modula za tolikšen odstotek manjša od optimalne (v našem primeru 105 W). Če je»ok (+)«pomeni, da je moč sončnega modula za tolikšen odstotek večja in deluje nad optimalno močjo, ki jo je podal proizvajalec. V našem primeru se lahko dovoljena toleranca nahaja od 5 do +5 % oziroma od 99,75 do 110,25 W. Če je znotraj teh meja, pomeni, da je sončni modul prestal preizkus in ustreza podanim specifikacijam proizvajalca. 5.2 Rezultati meritev in njihova analiza Meritve smo opravljali dva dneva, ki sta bila popolnoma različna glede gostote moči sončnega sevanja (slika 4.7 in 4.8, poglavje 4.3). Najbolj primerno je, da si najprej ogledamo sliko 4.3 (v poglavju 4.2), ki nam prikazuje tretje polje MSE UM FERI ter vezavo modulov zaporedno in v dva vzporedna stringa. Ta slika nam pomaga, da lahko lažje opravimo meritve in da imamo podano: kako so moduli vezani, kako so moduli oštevilčeni.

54 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 36 Prve meritve, ki smo jih izvedli, so bile preveritve delovanja obeh stringov. Naslednji rezultati se nanašajo na prvi string. Slika 5.1 nam kaže lego prvega stringa in sončne module, ki smo jih uporabili pri meritvah. Slika 5.1: Lega sončnih modulov od št. 12 do 1 prvi string Tabela 5.1 in slika 5.2 prikazujeta rezultate meritev prvega stringa, ki so izmerjene z instrumentom I-V 400 z uporabo temperaturnega senzorja (AUX-izhod). Tabela 5.1: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za prvi string od sončnega modula št. 12 do 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) V tabeli 5.1 opazimo, da je bila meritev izvedena za prvi string za 12 modulov. Z zeleno obarvani podatek 4,04 % nam pove, da prvi string zadošča tolerančnemu odstopanju, ki ga je podal proizvajalec. Instrument prikazuje STC. Iz teh podatkov je razvidno, da bi moduli v povprečju ob idealnih razmerah delovali z močjo 100,75 W. V

55 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 37 trenutku merjenja (OPC) pri gostoti moči sončnega sevanja 854,10 W/m 2 so delovali z močjo 75,51 W. I [A] 6 4 OPC U-I STC U-I 2 STC U-I U [V] P [W] 100 OPC U-P 80 STC U-P OPC U-I STC U-I U [V] Slika 5.2: Karakteristiki U-I in U-P za prvi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem. Na sliki 5.2 vidimo obe karakteristiki za prvi string. Pomembno je vedeti, da sta karakteristiki OPC U-I in OPC U-P na grafu prikazani za en modul oziroma podajata povprečje za vseh 12 modulov. Če opazujemo zeleno krivuljo (desni graf slika 5.2), opazimo, da so v povprečju moduli delovali z močjo 75 W pri gostoti moči sončnega sevanja 854,10 W/m 2 in pri izmerjeni temperaturi s pomočjo temperaturnega senzorja 51 0 C. Pri optimalni gostoti moči sončnega sevanja 1000 W/m 2 in temperaturi 25 0 C ter faktorju zračne mase AM1,5 bi meritev zadoščala tehničnim zahtevam. To lahko vidimo na grafu karakteristike U-P, kjer nam vijolična krivulja prikazuje preračunano moč v idealnih pogojih, ki je nad 100 W, natančneje 100,75 W. Iz tega sklepamo, da prvi string deluje v skladu s podanimi podatki proizvajalca. Tabela 5.2 in slika 5.3 nam prav tako podajata rezultate meritev za prvi string, vendar je bila meritev opravljena brez uporabe temperaturnega senzorja. Instrument je z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk podal rezultate o temperaturi. V nadaljevanju bomo tiste meritve, ki so bile opravljene z instrumentom I-V 400 brez uporabe temperaturnega senzorja, označevali z»avtomatsko«.

56 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 38 Tabela 5.2: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za prvi string od sončnega modula št. 12 do 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) V zgornji tabeli lahko opazimo, da je moč delovanja sončnega modula le za 1,36 % slabša od vrednosti moči, ki jo je podal proizvajalec sončnih modulov. Če primerjamo rezultate meritev s temperaturnim senzorjem in brez njega, je instrument I-V 400 podal boljše rezultate ob avtomatski meritvi OPC U-P 80 STC U-P I [A] 4 2 OPC U-I STC U-I P [W] U [V] U [V] Slika 5.3: Karakteristiki U-I in U-P za prvi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Na zgornji sliki lahko na levem grafu karakteristike U-I opazimo, da so v primerjavi s karakteristiko U-I na sliki 5.2 višje vrednosti. To pomeni, da je s tem posledično večja oziroma višja: napetost pri največji moči (U Pmax ), tok pri največji moči (I Pmax ),

57 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 39 napetost odprtih sponk (U OC ), kratkostični tok (I SC ). Na desnem grafu U-P lahko opazimo, da je P max prav tako večja kot takrat, ko je bila izmerjena s temperaturnim senzorjem. Ugotovili smo tudi, da v primeru meritve instrumenta I-V 400 brez uporabe temperaturnega senzorja (avtomatsko) instrument poda višjo temperaturo, kot jo je izmeril s pomočjo temperaturnega senzorja. Najboljše je, da si najprej ogledamo tabelo št. 5.3, ki smo jo dobili v Laboratoriju za energetiko FERI, kjer se meritve avtomatsko opravljajo vsakih pet minut z merilnimi senzorji. Rezultati meritev se shranjujejo na računalnik. Ker instrument I-V 400 shrani tudi čas meritve, smo lahko na enostaven način preverili, kateri rezultati meritve z instrumentom I-V 400 so bolj točni. Meritev z uporabo temperaturnega senzorja je bila izvedena 19. avgusta 2010 ob 12.01, meritev brez uporabe temperaturnega senzorja pa ob 12.02, tako da smo v tabeli 5.3 podali rezultate meritev za 5-minutni časovni interval in izračunali povprečje. Tabela 5.3: Rezultati meritev merilnega sistema Laboratorija za energetiko za določeno časovno obdobje za MSE UM FERI V tabeli lahko opazimo, da smo podali rezultata za dve meritvi in izračunali njuno povprečje. Hitrost vetra je bila 0 m/s. Pomembno je poudariti, da se je gostota moči sončnega sevanja dne zelo hitro spreminjala, kot smo lahko opazili na sliki 4.7. Če pogledamo temperaturo modulov, smo z merilni sistemom izmerili temperaturo 55,50 0 C. S tem je merilni sistem bližje avtomatskim meritvam kot meritvam z uporabo temperaturnega senzorja.

58 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 40 Poglejmo še, kako instrument izračuna temperaturo sončnega modula. Opis izračuna temperature modula, ki jo izračuna instrument I-V 400, je povzet po INTERNATIONAL STANDARDU 1829 IEC:1995 metoda A (6). Napetost in tok morata biti merjena na 1 % natančno. Za meritev mora biti minimalno sončno sevanje 700 W/m 2. Temperatura, izračunana po prej navedenem standardu, je podana z enačbo (5): 0 OC OC, STC T V - k V / 25 C (5) kjer je: T temperatura sončnega modula V OC napetost odprtih sponk V OC,STC - napetost odprtih sponk preračuna po standardnih preskusnih pogojih (STC) β pomeni spremembo napetosti odprtih sponk, ki jo poda proizvajalec (mv/ 0 C) k koeficient, ki se spreminja glede na gostoto moči sončnega sevanja: k = 1,000 za 1000 W/m 2 gostote sončnega sevanja k = 0,996 za 900 W/m 2 gostote sončnega sevanja k = 0,989 za 800 W/m 2 gostote sončnega sevanja k = 0,983 za 700 W/m 2 gostote sončnega sevanja T T 0 18,44 V 0,989 21,12 V 25 C V 0,082 0 C 0 54,85 C Izračun instrumenta I-V 400 brez uporabe temperaturnega senzorja za prvi string se malo razlikuje od izračuna temperature po tem standardu. Instrument I-V 400 je brez uporabe temperaturnega senzorja podal rezultat 57,45 0 C, naš izračun po INTERNATIONAL

59 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 41 STANDARDU 1829 IEC:1995 metoda A (6) je 54,85 0 C. Razlika znaša 4 %. Vzrok za odstopanje je koeficient, ki se spreminja glede na gostoto moči sončnega sevanja. Na sliki 5.4 je prikazan naslednji sklop sončnih modulov, ki smo jih preverili. To so moduli od št. 24 do 13. Slika 5.4: Lega sončnih modulov od št. 24 do 13 drugi string Tabela 5.4 in slika 5.5 prikazujeta izmerjene (OPC) in izračunane (STC) podatke za drugi string. Meritev je bila opravljena s pomočjo temperaturnega senzorja. Tabela 5.5. in slika 5.6 prikazujeta rezultate za drugi string, pridobljene z avtomatsko meritvijo. Tabela 5.4: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za drugi string od sončnega modula št. 24 do 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.)

60 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 42 Iz tabele je razvidno, da je končni rezultat zelo podoben prvemu stringu in je v mejah dovoljenega. Temperatura modulov je malo višja kot pri prvem stringu, vendar na končni rezultat nima bistvenega vpliva. Pomembno je poudariti, da pri meritvi stringa temperaturni senzor namestimo samo na en sončni modul. Preverjanje temperature s temperaturnim senzorjem na končni rezultat ni imelo posebnega vpliva. To smo ugotovili tako, da smo meritve z instrumentom večkrat ponovili na različnih mestih. I [A] OPC U-I OPC U-I STC U-I STC U-I P [W] STC STC U-P U-P OPC U-P OPC U-P U [V] U [V] Slika 5.5: Karakteristiki U-I in U-P za drugi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem. Na zgornji sliki sta prikazani obe karakteristiki. Levi graf je podoben kot pri prvem stringu in vrednosti meritev so prav tako višje od nazivnih podatkov. Ta znaša po STC U-I karakteristiki 16,85 V, kar predstavlja za 0,45 V višjo napetost. Desni graf na zgornji sliki prikazuje karakteristiko U-P in tukaj je bila moč sončnih modulov v času delovanja 969,89 W; v povprečju 80,82 W za en sončni modul v času delovanja. Pri optimalnih pogojih STC bi drugi string zadoščal tolerančnemu odstopanju, ki ga je podal proizvajalec, saj je povprečna moč delovanja sončnega modula znašala 100,72 W.

61 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 43 Tabela 5.5: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za drugi string od sončnega modula št. 24 do št. 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) V tabeli 5.5 lahko opazimo, da smo pri preverbi sončnih modulov za drugi string dobili podoben rezultat kot pri prvem stringu. Gostota moči sončnega sevanja je bila zelo blizu 1000 W/m 2. Kljub temu da je gostota moči sončnega sevanja okrog optimalne vrednosti 1000 W/m 2, dobimo izmerjeno moč samo 81,13 W za en sončni modul. Težava se pojavi, ker je temperatura modula zelo visoka in znaša 59,76 0 C. 6 OPC U-P 100 OPC U-P I [A] 4 2 OPC U-I STC U-I P [W] STC U-P STC U-P U [V] U [V] 22 Slika 5.6: Karakteristiki U-I in U-P za drugi string, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Če pogledamo grafa na sliki 5.6, ugotovimo, da sta podobna grafom na sliki 5.3. Izmerjene vrednosti obeh karakteristik so skoraj enake kot pri prvem stringu v primeru avtomatske meritve. Lahko bi dejali, da oba stringa v celoti delujeta sinhrono. Temperatura modula, ki jo je zajel merilni sistem Laboratorija za energetiko FERI, je popolnoma enaka kot v tabeli 5.3, kajti za celotno tretje električno polje opravlja meritev en merilnik temperature.

62 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 44 Po dosedanjih rezultatih smo lahko videli, da oba stringa v polju tri delujeta v skladu s tolerančnim odstopanjem, ki ga je podal proizvajalec. Vendar je treba pri tem opomniti, da je bila meritev opravljena za oba celotna stringa. Kljub zadovoljivim rezultatom obeh stringov smo preverili podstringe in posamezne module. Spodnja slika nam grafično predstavlja sončne module, izmerjene v naslednjem primeru. Slika 5.7: Lega sončnih modulov od št. 8 do 1 V tabeli 5.6 in na sliki 5.8 si lahko ogledamo rezultate meritev, pridobljene s pomočjo temperaturnega senzorja za sončne module od št. 1 do 8 prvega stringa. Pri tem smo morali biti pozorni, da smo spremenili število modulov v instrumentu I-V 400, ker smo v prejšnjih primerih merili 12 sončnih modulov, zdaj pa merimo 8 sončnih modulov. Tabela 5.6: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od št. 8 do 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.)

63 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran STC U-P OPC U-P OPC U-P I [A] 4 2 OPC U-I OPC U-I STC U-I U-I P [W] STC U-P OPC U-P STC U-P U [V] U [V] Slika 5.8: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 8 do 1, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem. Če primerjamo končni rezultat odstopanja za teh 8 sončnih modulov s celotnim stringom, lahko opazimo, da je odstopanje od optimalnega rezultata 105 W za 4,32 % manjše in nekoliko slabše kot za celotni prvi string. Kar pomeni, da je bil naslednji korak preveritev vseh sončnih modulov od št. 8 do 1. Še pred tem bomo podali rezultate meritev za enako kombinacijo sončnih modulov, vendar brez uporabe temperaturnega senzorja merjeno avtomatsko in za preostali del stringa. Rezultate meritev podajamo v tabeli 5.7 in na sliki 5.9. Tabela 5.7: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 8 do št. 1 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.)

64 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 46 I [A] STC U-I UPC U-I P [W] STC U-I STC U-P OPC U-I OPC U-P U [V] U [V] 22 Slika 5.9: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 8 do 1, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Slika 5.10 prikazuje vezavo sončnih modulov od št. 12 do 9. Slika 5.10: Lega sončnih modulov od št. 12 do 9 V tabeli 5.8 in na sliki 5.11 so rezultati meritev sončnih modulov od št. 12 do 9 izmerjeni z instrumentom I-V 400 in uporabo temperaturnega senzorja.

65 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 47 Tabela 5.8: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od številke 12 do 9 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem V tabeli 5.8 smo se prvič opazili rdeče obarvan rezultat. To pomeni, da sončni moduli v prvem stringu od številke 12 do modula številka 9 ne zadoščajo v celoti podatkom, ki jih je podal proizvajalec sončnih modulov. Rezultat od še dovoljenega odstopanja odstopa za 0,42 %. To pomeni, da je moč modula po STC 99,31 W. Maksimalno dopustno odstopanje je še do 99,75 W. Izven intervala je odstopanja le za 0,44 W. Meritev je bila izvedena ob 12.03, kar pomeni, da lahko uporabimo povprečno temperaturo iz tabele 5.3, ki je 55,5 0 C. Tako lahko sklepamo, da je razlika med izmerjeno temperaturo merilnega senzorja Laboratorija za merilno tehniko in izmerjeno temperaturo temperaturnega senzorja instrumenta I-V 400 skoraj 9 %. Predvidevamo, da je vzrok za pogrešek temperaturni senzor instrumenta I-V 400 in da je temperaturni senzor glavni vzrok za netočen rezultat meritve. I [A] OPC U-I STC U-I P [W] OPC U-P OPC U-P OPC U-P STC U-P STC U-P U [V] U [V] Slika 5.11: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 12 do 9, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem.

66 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 48 Naslednja meritev prav tako prikazuje meritev iz prvega stringa od sončnega modula št. 12 do 9, vendar je izmerjena avtomatsko. Tabela 5.9 prikazuje izmerjene in izračunane podatke instrumenta I-V 400, na sliki 5.12 pa si lahko ogledamo obe karakteristiki. Tabela 5.9: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 12 do št. 9 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) V tabeli 5.9 opazimo, da meritev moči sončnega modula ustreza tolerančnemu intervalu. Temperatura, ki jo je instrument I-V 400 izračunal, je 59,49 0 C, kar pomeni, da je glede na temperaturo v tabeli 5.3 (merilni sistem Laboratorija za energetiko FERI) višja za 7 %. Iz tega lahko sklepamo, da je bolje, da je nominalna delovna temperatura sončnih modulov višja od temperature, ki jo je izmeril Laboratorij za energetiko FERI OPC U-P OPC OPC U-P U-P I [A] 4 2 OPC U-I OPC U-I OPC U-I STC U-I STC U-I STC U-I P [W] U-P STC U-P U-I U [V] U [V] 22 Slika 5.12: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 12 do 9, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Na zgornji sliki lahko vidimo, da ima karakteristika U-P bistveno višjo vrednost P MPP, kot karakteristika U-P na sliki 5.11.

67 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 49 Nato smo izvedli še podrobnejše meritve prvega stringa. To pomeni, da smo opravili meritve vsakega modula posebej. Rezultati so bili zadovoljivi in razen enega vsi v tolerančnem intervalu ±5 %. Tabela 5.10 in slika 5.14 prikazujeta rezultate za modul št. 5, ki se nahaja v prvem stringu. Lega sončnega modula št. 5 je prikazana na sliki Slika 5.13: Lega sončnega modula št. 5 v prvem stringu Tabela 5.10: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 5 (Temperatura sončnega modula je izmerjena s temperaturnim senzorjem

68 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 50 I [A] OPC U-I STC U-I P [W] 100 STC U-P STC U-P STC U-P OPC U-P OPC U-I U [V] U [V] 20 Slika 5.14: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 5, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena s temperaturnim senzorjem. Na sliki 5.14 lahko opazimo zelo nizke vrednosti na obeh karakteristikah P MPP in I SC. Tok I SC je pod 6 A, če pogledamo desni graf, merjeno po OPC-standardu. Na desnem grafu lahko opazimo, da je po STC-standardu najvišja vršna moč delovanja modula pod 95 W. Največja težava je bila nizka temperatura, izmerjena s temperaturnim senzorjem. Najbolje je narediti primerjavo z merilnim sistemom, ki je na elektrarni. Meritev je bila opravljena ob 12.32, kar nam prikazuje tabela Tabela 5.11: Merilni sistem Laboratorija za energetiko za določeno časovno obdobje za tretje sončno polje MSE UM FERI, Temperatura, prikazana v tabeli 5.11, ki jo je izmeril merilni sistem, je skoraj za 12 % višja od temperature, ki jo je izmeril temperaturni senzor instrumenta I-V 400. To je še en dokaz več, da je temperaturni senzor instrumenta I-V 400 nezanesljiv.

69 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 51 Iz tabele 5.12 in slike 5.15 je razviden rezultat meritve instrumenta I-V 400 brez uporabe temperaturnega senzorja. Tabela 5.12: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 5 (Temperatura sončnega modula je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.) Iz tabele 5.12 je razvidno, da rezultat meritev odstopa od intervala, dovoljenega za 0,04 % ali v vrednosti moči za 0,04 W OPC U-P STC U-P I [A] 4 2 OPC U-I STC U-I P [W] U [V] U [V] Slika 5.15: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 5, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Na sliki 5.15 sta podani obe karakteristiki. Na levem grafu je karakteristika U-I, na desnem grafu pa lahko vidimo karakteristiko U-P za sončni modul št. 5, kjer je prišlo do napake 5,04 %. Kot vemo, je dovoljeno odstopanje do 5,00 %, prišlo pa je do majhnega odstopanja. Iz tega je ponovno razvidno, da temperaturni senzor ne deluje pravilno.

70 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 52 Na sliki 5.16 je prikazano, kako smo izvedli meritve za modul št. 8, ki smo ga namerno zakrili z merilnikom za gostoto moči sončnega sevanja. Zanimivo si je ogledati rezultate meritev z instrumentom I-V 400 z uporabo temperaturnega senzorja in brez nje (avtomatsko). Slika 5.16: Lega modula št. 8, ki ga prekriva merilnik gostote moči sončnega sevanja. Tabela 5.13: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 8 (Temperatura sončnega modula je izmerjena s temperaturnim senzorjem.)

71 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 53 I [A] 6 4 OPC U-I STC U-I STC U-I OPC U-I P [W] STC U-P OPC U-P U [V] U [V] 20 Slika 5.17: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 8, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena s temperaturnim senzorjem. Iz tabele 5.13 in slike 5.17 je razvidno, kako lahko majhna sprememba povzroči še za dodatnih 10 W slabši rezultat moči sončnega modula. Na sliki 5.16 smo lahko videli, kako je merilnik gostote moči sočnega sevanja majhen v primerjavi s sončno celico št. 8. Zaradi merilne sonde bi pri optimalnih pogojih (STC) dosegli 80 % moč delovanja sončnega modula. Če želimo, da bo MSE UM FERI delovala kakovostno in dosegala dobre rezultate pridobivanja električne energije, ne sme biti nobena sončna celica niti malo osenčena. Iz tabele 5.14 in slike 5.18 lahko razberemo rezultate meritev za sončni modul št. 8, izmerjene z instrumentom brez uporabe temperaturnega senzorja (avtomatsko). Tabela 5.14: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončni modul št. 8 (Temperatura sončnega modula je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.)

72 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 54 I [A] STC U-I OPC U-I P [W] STC U-P OPC U-I U [V] U [V] 20 Slika 5.18: Karakteristiki U-I in U-P za sončni modul št. 8, pri čemer je temperatura sončnega modula izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Če primerjamo rezultate meritev z uporabo temperaturnega senzorja in avtomatske meritve, lahko opazimo, da je pri prvih meritvah odstopanje 18,29 %, pri drugih pa 17,04 %. Glede na tako veliko odstopanje sta oba rezultata meritev skoraj enaka. Ne moremo kriviti temperaturnega senzorja. Iz teh rezultatov je razvidno, da tako majhna sprememba povzroči tako slab izkoristek delovanja MSE UM FERI in proizvodnja sončne energije se zelo zmanjša. Po celotni preveritvi lahko zaključimo, da prvi string, razen sončnega modula št. 5, zadošča meritvam. Pokazali smo tudi, da zelo majhna osenčenost modula št. 8 lahko povzroči veliko napako meritev. Raziščimo še drugi string. V tabeli 5.15 in na sliki 5.20 je prikazana meritev instrumenta I- V 400 z uporabo temperaturnega senzorja za del drugega stringa od sončnega modula št. 20 do 13. Na sliki 5.19 lahko opazimo sončne module, ki smo jih izmerili.

73 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 55 Slika 5.19: Lega sončnih modulov od št. 20 do 13 Tabela 5.15: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od št. 20 do 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) Iz tabele 5.15 je razvidno, da je v primerjavi s prejšnjimi meritvami, ki so bile opravljene z uporabo temperaturnega senzorja, odstopanje zelo majhno.

74 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran UPC OPC U-P 80 STC U-P I [A] 4 2 OPC U-I STC U-I P [W] U [V] U [V] 22 Slika 5.20: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 20 do 13, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem. V tabeli 5.16 in na sliki 5.21 je prikazana avtomatska meritev za sončne module od št. 20 do 13. Tabela 5.16: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 20 do 13 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.)

75 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran STC U-P OPC U-P I [A] 4 2 OPC U-I STC U-I P [W] OPC STC U-P U-P OPC U-P U [V] U [V] 22 Slika 5.21: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 20 do 13, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Na podlagi meritev modulov od št. 20 do 13 lahko sklepamo, da ti moduli zadoščajo tolerančnemu kriteriju, ki ga je podal proizvajalec. Zadnje meritve, ki so prikazane, so meritve za sončne module od št. 24 do 21. Tudi te smo preverili z uporabo temperaturnega merilnega senzorja in avtomatsko. V tabeli 5.17 in na sliki 5.23 so podani rezultati meritev instrumenta I-V 400 z uporabo temperaturnega senzorja. V tabeli 5.18 in na sliki 5.24 pa so podani rezultati meritev instrumenta I-V 400 brez uporabe temperaturnega senzorja (avtomatsko). Na sliki 5.22 je prikazana lega štirih sončnih modulov drugega stringa. Slika 5.22: Lega sončnih modulov od št. 24 do 21

76 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 58 Tabela 5.17: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 za sončne module od št. 24 do 21 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena s temperaturnim senzorjem.) OPC U-P STC U-P OPC U-P STC U-P OPC U-P OPC U-P I [A] 4 2 OPC U-I OPC U-I STC U-I STC U-I P [W] U [V] U [V] Slika 5.23: Karakteristiki U-I in U-P za sončni module od št. 24 do 21, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena s temperaturnim senzorjem. Tabela 5.18: Prikaz izmerjenih (OPC) in preračunanih (STC) rezultatov instrumenta I-V 400 od sončnega modula št. 24 do 21 (Temperatura sončnih modulov je izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk.)

77 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran STC U-P 100 OPC U-P OPC U-P STC OPC U-P OPC U-P STC U-P OPC U-P I [A] 4 OPC U-I STC U-I P [W] STC OPC U-I U-I U [V] U [V] 22 Slika 5.24: Karakteristiki U-I in U-P za sončne module od št. 24 do 21, pri čemer je temperatura sončnih modulov izmerjena z avtomatskim preračunom napetosti odprtih sponk. Za sončne module od št. 24 do 21 instrument I-V 400 izmeri zadovoljiv rezultat z zelo majhnim odstopanjem v obeh primerih. Razlika v moči sončnih modulov je med obema primeroma le 1 %.

78 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 60 6 SKLEP V diplomskem delu smo se seznanili s teoretičnim ozadjem o fotovoltaiki in izvedli meritev kakovosti sončnih modulov na mikro sončni elektrarni (MSE) UM FERI. V primerjavi z drugimi razvitimi državami v Evropi imamo trenutno v Sloveniji zelo malo sončnih elektrarn. Če bi naša država namenila višje subvencije, bi bilo verjetno večje zanimanje za tovrstne investicije. V prihodnosti se bo moralo spremeniti mišljenje ljudi, saj je sonce neizčrpen vir energije in nima vpliva na okolje (CO 2 ). Za meritev MSE UM FERI in preveritev kakovosti modulov smo se morali najprej seznaniti z instrumentom I-V 400. Pomembno je bilo, da smo instrument natančno preučili. Izvedli smo meritve tretjega polja MSE UM FERI. Iz rezultatov meritev je razvidno, da MSE UM FERI zadovoljivo deluje še po šestih letih. Uporabljeni sončni moduli ustrezajo tolerančnemu odstopanju, ki ga je podal proizvajalec. Opazili smo, da optimalne pogoje (STC) zelo težko dosežemo. Po navadi je največja težava temperatura sončnega modula, ki je neprimerno višja od 25 0 C. Iz rezultatov je razvidno, da so trenutne izmerjene vrednosti za okrog 20 % slabše, kot bi bile v idealnih pogojih standard test conditions. To pomeni, da čeprav imamo okrog 1000 W/m 2 gostote moči sončnega sevanja, nam elektrarna daje le okrog 80 % nazivne moči (80 W). Iz rezultatov meritev je razvidno, da so meritve z uporabo instrumenta I-V 400 s temperaturnim senzorjem podale slabše in netočne rezultate. Temperature sončnih modulov pri avtomatskih meritvah so podobne temperaturam, ki jih je izmeril merilnik Laboratorija za energetiko FERI. Iz tega lahko sklepamo, da so avtomatsko dobljeni rezultati meritev bolj točni. Rezultati meritev instrumenta I-V 400 z uporabo temperaturnega senzorja so zelo netočni, kar smo lahko dokazali tudi s primerjavo med avtomatskim izračunom in podatki, ki jih izmeri merilna enota za temperaturo, ki meri temperaturo vsakih 5 minut (Laboratorij za energetiko FERI). Rezultati meritev za sončni modul št. 8 so pokazali veliko odstopanje od dovoljenega odstopanja, ker je sončni modul prekrival merilnik za gostoto moči sončnega sevanja.

79 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 61 Merilnik gostote sončnega sevanja je v primerjavi s sončnim modulom majhen, vendar smo lahko opazili, da lahko tako majhna osenčenost povzroči tako veliko odstopanje. Zelo različni gostoti moči sončnega sevanja (hitre spremembe) in (oblika hiperbole) nista imeli na rezultate nobenega vpliva. Največjo napako pri meritvah tretjega polja MSE UM FERI je povzročil sončni modul št. 5, ki je še posebej pri meritvi z uporabo temperaturnega senzorja izmeril tolerančno odstopanje za 9,57 %. V celoti MSE UM FERI obratuje zadovoljivo in rezultati meritev po STC zanemarljivo malo odstopajo od optimalne vrednosti sončnega modula (105,00 W). Težava je le v tem, da je optimalne pogoje zelo težko doseči, zato MSE UM FERI ob sončnem vremenu deluje z okrog 80 % optimalne moči delovanja.

80 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 62 7 VIRI, LITERATURA [1] D. Lenardič, Fotonapetostni sistemi priročnik: gradniki, načrtovanje, inštalacija, vzdrževanje, Ljubljana: Agencija Poti, [2] M. Topič, K. Brecl, J. Krč, M. Vukadinovič, U. Opara Krašoveč, F. Smole, Izkoriščanje sončne energije za proizvodnjo električne energije s pomočjo fotonapetostnih sistemov slovenski priročnik, Ljubljana, Fakulteta za elektrotehniko, [3] S. Seme, G. Štumberger, J. Voršič, A. Tomažič, Merjenje U-I karakteristik fotonapetostnih modulov, Komunalna energetika, Maribor, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2010, str [4] S. Seme, G. Štumberger, J. Voršič, Vpliv osenčenja na U-I karakteristiko članek, Maribor, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2010, str [5] 5%BEavna%20slu%C5%BEba/Energija_soncnega_obsevanja.pdf [6] S. Seme, G. Štumberger, J. Voršič, Vpliv naklona sončnih modulov na oddano moč 7,5 kw mikro sončne elektrarne inštalirane na Univerzi v Mariboru, Maribor, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2009, str [7] [8] internetni viri

81 PREVERJANJE MODULOV NA MIKRO SONČNI ELEKTRARNI UM FERI Stran 63 8 PRILOGE 8.1 Sončna celica WS 105 Slika 8.1: Sončna celica Energetica WS 105