Мониторинг на фотоволтаични системи

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 3, 2016

Mониторингът на фотоволтаични инсталации има две направления. Първото е проследяване ефективността на системата, обхващащо измерване и записване на произведената електроенергия и параметри като напрежение, сила на тока, слънчева радиация, температура на сух термометър, влажност, скорост и посока на вятъра, и температура на модулите.

Другото направление е проследяване надеждността на системата, което включва мониторинг на повредите, причините за тях, времето на престой, планираните и непланираните ремонти и подмяната на компоненти на инсталацията. Измерването на тези параметри позволява на операторите да се справят по-бързо при възникването на проблеми с ефективността и надеждността на системата. Събраните данни от мониторинга могат да се използват и за проучвания на характеристиките на инсталацията и интегрирането й в енергийната мрежа.

Някои приложения изискват измерването на специфични параметри, провеждане на измервания с голяма честота или с много висока точност. Резултатите от мониторинга намират приложение при:

• оценка на експлоатационните показатели на фотоволтаични инсталации и диагностика на системите;

• анализ на неопределеността с времето - данните, обхващащи няколко години (минимум 3-5 години, в зависимост от метода на анализ), могат да се използват за определяне степента на амортизация на системата с времето и идентифициране на факторите, влияещи върху нея за различните елементи на инсталацията;

• редуциране на загубите чрез сравняване с моделирани експлоатационни показатели - моделите за ефективност на фотоволтаични системи, калибрирани чрез реални данни, могат да покажат влиянието на климатичните фактори, големината на инвертора и ефекта на частично засенчване върху капацитета на системата. Точните и последователни данни от мониторинга на PV системи могат да се използват за валидиране на тези модели;

• прогнозиране ефективността на PV системата - краткосрочните и дългосрочните прогнози могат да намерят приложение за предсказване и управление на взаимодействието на инсталацията с електропреносните мрежи. Методите за прогнозиране обикновено се базират на данни за ефективността на една система или група от системи в продължение на няколко години при променливи климатични и експлоатационни условия, и метеорологичните прогнози;

• взаимодействие на PV системата с електропреносната мрежа - данните от мониторинга могат да се използват съвместно с мрежови модели за определяне на въздействието на фотоволтаичните системи върху мощността, надеждността и качеството на електрическите мрежи, включително и за моделиране на ефектите от регулиране на напрежението и управление на реактивната мощност и стабилността. В тези случаи е необходимо измерванията да са специфицирани спрямо бъдещото приложение на данните. Най-голямо предизвикателство представлява проучването на променливостта на генериране на енергия в рамките на много кратки времеви периоди;

• интегриране на системата, съхранение и контрол на натоварването - резултатите от мониторинга могат да послужат за изследване на въпроси, свързани с комбинирането на фотоволтаични системи с други технологии за разпределяне на енергия в електропреносните мрежи. Освен това, чрез тях може да бъде оценена необходимостта от инсталиране на система за съхранение на енергия и/или пренасочване на натоварването.

От най-голямо значение за фотоволтаичните инсталации е мониторингът на слънчевата радиация. При избора на сензори за измерване на този показател има само две възможности - термоснопни датчици (пиранометри) или сензори с кристален силиций.

Пиранометри

Пиранометрите са устройства, базирани на принципа на термодвойка. При нагряване вследствие на радиация, температурната разлика създава напрежителен сигнал, който е пропорционален на радиацията. Тези устройства са спектрално почти неселективни и измерват слънчевата радиация между 280 и 2800 нм.

Сред параметрите, които оказват влияние върху постоянството на измерванията на пиранометрите са интензитетът на радиация и спектралното й разпределение; промени в нивото на слънчевата радиация по време на измерване, температурата на околната среда и ъгълът на наклон на уреда.

Времето за реакция на пиранометрите варира между 5 и 30 с, което означава, че те реагират много по-бавно на изменящата се радиация, отколкото фотоволтаичните модули. Този ефект обаче е несъществен и не се отразява негативно върху мониторинга на PV инсталацията.

Пиранометрите се калибрират при вътрешни и външни условия.

Обикновено неопределеността при калибриране съгласно изискванията на ISO 9846, ISO 9847 и др. е от порядъка на 1-2%. Очакваната дневна неопределеност за двойно стандартизирани пиранометри е под 2%, за първокласни - под 5%, и за второкласни - под 10%. Според проучвания, общата неопределеност при мигновено измерване на радиацията с двойно стандартизиран пиранометър е около 3%.

Тези устройства са широко използвани за метеорологични измервания и почти всички бази данни за слънчевата радиация се валидират с тяхна помощ. С някои изключения, данните за радиацията, получени чрез измерване със сателит, се сравняват с показанията на наземните пиранометри. Това е задължително, ако ефективността на фотоволтаичната система се сравнява с първоначалната оценка за енергийната производителност.

Сензори с кристален силиций

Силициевите датчици са с устройство, подобно на това на силициевите PV модули на инсталацията. Те са спектрално селективни между 400 и 1150 нм. Времето за реакция е в областта на няколко милисекунди. Факторите, влияещи върху неопределеността на измерванията при силициевите датчици са нивото на радиация, ъгловото разпространение, температурата на околната среда и температурата на сензора.

Датчиците с кристален силиций също се калибрират както при вътрешни условия, така и при външни. Калибрирането трябва да се осъществява в съответствие със стандарти IEC 904-2 и -4. Съгласно IEC 904-2, в зависимост от проследимостта на калибрирането, сензорите с кристален силиций могат да бъдат разделени на първични, вторични и работни референтни устройства.

Всички те могат да бъдат използвани за оценка на мощността на фотоволтаичната система при стандартни тестови условия. Това става посредством определяне на кривите ток-напрежение на модулите, на стрингове или на цели масиви от системата. Датчиците се калибрират съобразно стандартните условия - 1000 W/m2, 25° C и коефициент на въздушната маса (АМ) 1,5. Следователно, те отчитат интензитета на еквивалентния AM1,5 спектър, въпреки че през по-голямата част от времето моментният соларен спектър не е идентичен на този при AM1,5.

Допускайки, че спектралният отговор на устройството е еквивалентен на този на фотоволтаичните панели в системата, действителната мощност на системата при стандартни тестови условия може да бъде определена чрез екстраполиране на моментната радиация и температурата на модулите при тези условия. В случай че спектралният отговор не е еквивалентен, следва да се предприемат корекции. Годишно силициевите датчици измерват повече радиация отколкото пиранометрите.

Най-голямата абсолютна разлика между сигнал, измерен от силициев сензор, и такъв от пиранометър, се получава при безоблачно небе и при ниско съотношение на разсеяна/директна радиация. Годишната разлика между двата вида устройства зависи до голяма степен от самия сензор и местоположението му. С оглед на това, изборът на уред за измерване на радиацията, зависи от целта на мониторинга.

Инсталация и поддръжка на уредите

Употребата на пиранометри се препоръчва, когато експлоатационната характеристика на фотоволтаичната инсталация се сравнява с проектната характеристика на база оценка на първоначално генерираното количество енергия. Силициевите датчици са подходящи за верификация на мощността на PV централата при стандартни тестови условия и за проверка на отговора й при разсеяна облачност.

С цел намаляване на неопределеността на измерването, следва да се инсталират първокласни или двойно стандартизирани пиранометри, или еквивалентни по клас силициеви датчици. При всички случаи, винаги трябва да се изисква доказателство за проследимост на калибрирането и съответния сертификат за извършването му.

Сензорът трябва да бъде инсталиран на място, на което засенчване от близко или далечно разстояние не би повлияло на измерването. Особено внимание следва да се обърне на ориентацията на датчика, като тя трябва да е същата като тази на соларните панели. Дори малки грешки в ориентацията на измервателния уред водят до разлика между измерванията на производителността и слънчевата радиация.

При големите фотоволтаични инсталации е препоръчително да бъдат инсталирани допълнителни пиранометри. Сигналът от сензорите трябва непрекъснато да бъде проследяван, за да може откриването на неизправности да става навременно.

Датчиците за измерване на слънчевата радиация трябва редовно да се проверяват и почистват. В зависимост от местоположението и сезона, се препоръчва това да става на всеки 1-2 седмици. За корекция на възникнали отклонения в измерванията, устройствата следва да се калибрират повторно.

Ако показанията на два измервателни уреда се сравняват непрекъснато, е разумно те да бъдат прекалибрирани на всеки две години. Това съответства и на изискванията на ISO/TR 9901. В случай, че се използва само един датчик, е необходимо ежегодно прекалибриране. По време на прекалибриране, измервателното устройство следва да бъде подменено със сензор от същия клас.

Използването на получени чрез сателит данни за слънчевата радиация може да е алтернативно решение за малки фотоволтаични инсталации, при които разходите за инсталиране на датчици не са оправдани. В сравнение с показанията на полевите измервателни уреди, сателитните данни за по-кратки периоди се характеризират с висока неопределеност и отклонение.

Мониторинг на енергията

Измерването на произведената електрическа енергия може да стане посредством електромери за активна енергия или ватметри. Интегрираните в инверторите решения за измерване обикновено не са достатъчни, но могат да бъдат полезни при откриване на изменения с времето. За по-детайлен мониторинг следва да бъдат измервани мощността или силата на тока на ниво разпределителна кутия или стринг.

Размерът на допълнителните разходи за подробен мониторинг се определя в зависимост от разположението и капацитета на PV инсталацията. Икономическата полза от провеждането на подробен мониторинг зависи до голяма степен от характеристиките на отделната фотоволтаична система. Тя е по-голяма, когато се генерира повече енергия и цената й за kWh е по-висока.

Ако PV инсталацията произвежда по-малко енергия от предвиденото, измерванията на ниво разпределителна кутия или стринг могат да редуцират значително времето и разходите за откриване на повредите.

Едно от основните изисквания при мониторинга на фотоволтаични системи е наличността на данни да е 99% или повече. Периоди, за които няма данни за слънчевата радиация или производителността, не трябва да се включват в оценката на ефективността на инсталацията.

Наличност на данни под 95% е показател за ниско качество на системата за събиране на данни. Те трябва да бъдат снемани на всяка секунда или дори по-често. Средните стойности от измерванията следва да бъдат записвани на всеки 5 до 15 минути. Изчислението на средните стойности през по-дълги интервали би възпрепятствало обективната оценка на фотоволтаичната централа, докато пресмятането им през по-кратки периоди би довело до претоварване на базата данни.


Top