1/60

▪ rozdělení

▪ grid – on (do sítě)

▪ grid – off (autonomní)

▪ prvky FV systémů

▪ akumulace

Fotovoltaika – systémy

2/60

Rozdělení FV systémů

▪ grid on systémy

▪ FV systém je napojen na nadřazenou elektrickou síť

▪ dodává plně nebo částečně do sítě

▪ net-metering

▪ elektrická síť jako „nekonečný akumulátor“

▪ grid off systémy

▪ systém není napojen na nadřazenou elektrickou síť

▪ dodává zcela do budovy (aplikace)

▪ doplněn akumulací

3/60

Rozdělení FV systémů

4/60

Rozdělení FV systémů

5/60

Grid on systémy

1 – panely

2 – junction box

3 – střídač

4 – měření

5 – napojení na síť

6 – spotřebiče

6/60

Napětí FV pole: seriové zapojení

7/60

Napětí FV pole: paralelní zapojení

8/60

Napětí FV pole: kombinované zapojení

9/60

Střídač (měnič)

▪ převod DC elektřiny na AC elektřinu

▪ jednofázové, třífázové (nad 5 kWp)

▪ požadovaná frekvence pro napojení na síť

▪ spojení se sledování maxima výkonu (MPPT)

▪ centrální, řetězcové (stringové), modulové

▪ požadavky

▪ generování čistého sinusového signálu synchronního se sinusovkou sítě

▪ přesné sledování bodu maxima výkonu MPP

▪ vysoká účinnost při plném i částečném zatížení (výkonu)

▪ automatický a spolehlivý provoz

10/60

Centrální střídač – vysoká napětí

▪ centrální instalace, velké výkony od 5 kW do 1000 kW

▪ kombinace sériového a paralelního zapojení panelů

▪ pole je vystaveno rovnoměrnému (homogennímu) příjmu záření

▪ pouze stejné panely (el. vlastnosti), nízké ztráty, špatná lokalizace poruch

11/60

Centrální střídač – nízká napětí

▪ centrální instalace

▪ lepší funkce při nevyhnutelném stínění

▪ výhodné pro moduly s větší výkonovou tolerancí

▪ nízká napětí, vysoké proudy, větší dimenze kabelů

12/60

Řetězcový střídač

▪ pouze pro jednu (single-string) nebo více (multi-string) řad, 1 až 5 kW

▪ MPP je sledován pro každou řadu zvlášť, lepší efektivita

▪ není potřeba sdružovač (combiner box), snadné rozšiřování, krátké DC vedení

▪ invertory se instalují u řetězců, dobrá lokalizace poruch

13/60

Modulový střídač

▪ každý modul nebo pár modulů má vlastní střídač (do 50 až 180 W)

▪ MPP je sledován pro každý panel zvlášť, zabudovaný ve svorkovnici

▪ stínění modulu neovlivňuje zbytek FV pole, různé druhy modulů

▪ bez DC kabelů, střídač má kratší životnost než panel (teplota), cena (-)

14/60

Modulový střídač

FV AC panel

15/60

Parametry pro volbu střídače

▪ vstupní strana

▪ jmenovitý DC výkon, špičkový DC výkon

▪ jmenovitý DC proud, špičkový DC proud

▪ jmenovité DC napětí, špičkové DC napětí

▪ rozsah napětí pro MPPT

▪ výstupní strana

▪ jmenovitý AC výkon, špičkový AC výkon

▪ jmenovitý AC proud, špičkový AC proud

▪ účinnost střídače při různém zatížení, evropská účinnost, 94 až 98%

16/60

Účinnost střídače (EURO)

%100%50%30%20%10%5 20.048.010.013.006.003.0 +++++=EURO

pro podmínky středoevropského klimatu

DC

AC

P

P=

17/60

Dimenzování střídače

▪ střídač musí být zvolen podle parametrů FV pole

▪ výkon nesmí být menší než 90 % špičkového výkonu FV pole

▪ např. pro 10 kWp se zvolí střídač 9-10 kW, jinak snížení produkce

▪ pouze u FV polí, které jsou nevhodně orientovány, nemohou dosáhnout

špičkového výkonu v provozu

▪ vstupní proud IDC,INV,max > ISC (IMPP)

▪ vstupní napětí UDC,INV,max > UOC (-15 °C)

18/60

Dimenzování střídače

▪ MPP rozsah

▪ musí odpovídat rozsahu provozního napětí FV pole

▪ musí odpovídat rozsahu provozního proudu FV pole

▪ maximální napětí a proud

▪ provozní teplota (< 70 °C)

▪ přirozeně chlazené (žebra)

▪ ventilátorové chlazení

19/60

Dimenzování výkonu střídače

správný návrh

pracovní oblast střídače

V-A charakteristika FV pole

20/60

Dimenzování výkonu střídače

FV pole mimo proudový rozsah střídače

21/60

Dimenzování výkonu střídače

FV pole mimo napěťový rozsah střídače

22/60

Pracovní rozsah střídače

23/60

Umístění střídače

▪ venkovní

▪ přímo na konstrukci (chráněné před

sluncem, přímým deštěm apod.)

▪ technologický kontejner

▪ vnitřní

▪ ve vhodné místnosti

▪ teplota, větrání

24/60

Kabeláž

▪ DC kabely

▪ dvojitá izolace

▪ odolnost vodě, UV záření, teplotám -40 až +120 °C

▪ napětí > 2 kV

▪ lehké, pružné

▪ bez halogenů, netoxické při požáru

▪ dimenzování

▪ minimálně na 1.25 x PSTC

▪ 1.15 UOC (STC) 600 až 1000 V

25/60

Kabeláž

▪ výkonové ztráty

▪ P = I2 · R

▪ volba vyšších napětí s nižším proudem pro snížení ztrát v rozvodech

▪ vyšší proudy vyžadují větší průřezy kabelů, vyšší náklady

▪ ztráty na DC kabeláži do 2 % výkonu

26/60

Propojovací skříně, rozvaděče

▪ funkce

▪ propojení kabelů od více polí nebo stringů (paralelně)

▪ možnost zkoušení stringů

▪ uložení pojistek pro různé větve, zpětné diody

▪ ochrana proti přepětí, měření proudu větví, monitoring stavu jisticích prvků

27/60

Ochrané prvky FV systému

▪ síťová ochrana

▪ napětí v rozsahu 196 – 253 V

▪ nadfrekvence, podfrekvence 49,8 – 50,2 Hz

▪ pro systémy od 10 kWp funkce nezávislá na integrovaných ochranách ve

střídačích

▪ ochrana před bleskem

28/60

Měření pro grid on FV systémy

▪ napojení FV elektrárny přímo na síť

▪ elektroměr 1 – měření spotřeby

▪ elektroměr 2 – měření produkce

▪ AC odpojovač

▪ vhodné pro prodej veškeré FV elektřiny do sítě

29/60

Měření pro grid on FV systémy

▪ napojení FV elektrárny na síť přes domovní rozvaděč

▪ elektroměr – měření produkce a spotřeby (rozdílový)

▪ bez záznamu výroby

▪ kompenzace spotřeby výrobou

30/60

Měření pro grid on FV systémy

▪ napojení FV elektrárny na síť přes domovní rozvaděč

▪ elektroměr 1 – měření produkce a spotřeby (rozdílový)

▪ elektroměr 2 – měří produkci elektřiny

31/60

Měření pro grid on FV systémy

▪ třífázový systém

▪ 3 jednofázová FV pole zapojená do 3 pojistkových skříní

▪ elektroměr 1: 3 fázový rozdílový elektroměr, 2, 3, 4 jednofázové elektroměry

32/60

Měření pro grid on FV systémy

▪ třífázový systém, přímé napojení na síť

▪ elektroměr 1: 3 fázový rozdílový elektroměr odběru ze sítě

▪ elektroměr 2: 3 fázový elektroměr exportu do sítě

33/60

Grid off FV systémy

1 – panely

2 – regulátor nabíjení

3 – baterie

4 – střídač

5 – spotřebiče

34/60

Grid off FV systémy

▪ použití

▪ přímé napájení DC spotřebičů – denní spotřebiče

▪ přímé napájení AC spotřebičů (inverter pro autonomní systémy)

▪ akumulace elektrické energie

▪ hybridní systémy – kombinace s větrnými elektrárnami, diesel agregáty, se sítí

▪ napěťové úrovně

▪ 12 V DC, 24 V DC

▪ 48 V DC (větší systémy), menší proudy

35/60

Grid off FV systémy

36/60

Grid off FV systémy

37/60

Akumulátory - baterie

▪ funkce

▪ překlenutí doby mezi produkcí elektřiny a požadavky spotřebičů

▪ akumulace energie na několik dní

▪ denní nabíjení – vybíjení

38/60

Akumulátory - druhy

▪ použití

▪ automobilové – startovací (SLI), zajištění vysokých startovacích proudů po

krátkou dobu, nevhodné pro cyklování (nabíjení-vybijení), nevhodné pro

hluboké vybíjení

▪ stacionární – záložní zdroje

▪ trakční – pro elektromobily

▪ konstrukce

▪ olověné – zaplavené – kapalný elektrolyt, doplňování destilované vody

▪ olověné – gelové, bezúdržbové, elektrolyt ve formě gelu

39/60

Akumulátory - parametry

▪ napětí

▪ elektrochemický olověný článek: jmenovité napětí 2 V

▪ skládání článku do baterie (článků): 6 V, 12 V

▪ skládání baterií do bateriové banky: 12 V, 24 V, 48 V

▪ kapacita

▪ kapacita akumulátoru [Ah] – kolik hodin [h] dodává baterie konkrétní proud [A]

z plně nabitého stavu do vybití

▪ energie [Wh] = napětí U [V] * kapacita [Ah] přibližně

▪ vybíjení vysokými proudy snižuje kapacitu:

kapacita při C100 (pro 100 h), kapacita při C10 (pro 10 h)

▪ teplota ovlivňuje kapacitu (čím nižší teplota, tím nižší kapacita: 1 °C = 1 %)

40/60

Akumulátory – bateriová banka

41/60

Akumulátory - řazení, kapacita

baterie sériově

sčítání napětí

stejná kapacita

42/60

Akumulátory - řazení, kapacita

baterie sériově

sčítání napětí

stejná kapacita

43/60

Akumulátory - řazení, kapacita

baterie paralelně

stejné napětí

sčítání kapacit

44/60

Akumulátory - řazení, kapacita

baterie

serio-paralelně

9600 Wh

45/60

Akumulátory – využitelná kapacita

vybíjení 1 A (100 Ah)

vybíjení 8 A (80 Ah)

baterii lze vybíjet pomalu 100 h (1 ampérem) nebo rychle 10 h (8 A)

46/60

Akumulátory - životnost

▪ životnost

▪ elektrochemické reakce v bateriích nejsou plně reverzibilní

▪ tvorba sulfátu olova

▪ každým vybitím baterie degraduje, cyklování snižuje životnost (počet cyklů)

▪ hloubka vybití

▪ baterie by neměly být nikdy zcela vybity pod jejich maximální dovolenou

hloubku vybití

▪ typická dovolená hloubka vybití: 80 % u deep cycle baterií

▪ typická doporučená hloubka vybití 50 % u deep cycle baterií

▪ menší vybíjení, delší životnost

47/60

Akumulátory - životnost

48/60

Akumulátory - baterie

49/60

Olověné akumulátory

popismodifikované

SLI

gelové

bezúdržbové

gelové

deep cycle

zaplavené

deep cycle

konstrukce automobilové těsněné gelový elektrolytkapalný

elektrolyt

napětí 12 V 12 V 2 V až 6 V2 V až 6 V

kapacita 60 až 260 Ah 10 až 130 Ah 200 až 12000 Ah 20 až 2000 Ah

samovybíjení 2 až 4 % 3 až 4 % < 3 % 2 až 4 %

% DOD / počet

cyklů

20 % / 1000

40 % / 500

30 % / 800

50 % / 300

30 % / 3000

80 % > 1000

30 % / 4500

80 % >1200

50/60

Další akumulátory

popis NiCd Ni-MH Li-ion Pb

hustota energie

Wh/kg45-80 60-120 90-120 30-50

počet cyklů

při DOD 80%1500 300-500 >1500 400-500

životnost 5 let 3-4 roky 10 let 5-10 let

samovybíjení 20 % 30 % 5-10 % 5 %

napětí článku 1.2 V 1.2 V 3.3 V 2 V

cena

EUR/Wh0.33 0.65 0.33 0.11

51/60

Regulátor nabíjení

▪ funkce

▪ ochrana baterie – před hlubokým vybitím, nízkonapěťové odpojení zátěže

▪ ochrana baterie – před přebíjením, omezení nabíjecího napětí,

vysokonapěťové odpojení zátěže

▪ zajištění dlouhé životnosti baterie

▪ bez dopadu na účinnost systému, MPP tracking

▪ různé nabíjecí režimy pro různé druhy baterií

▪ napěťové úrovně

▪ 12 V DC, 24 V DC

▪ 48 V DC (větší systémy)

52/60

Regulátor nabíjení

▪ funkce

▪ ochrana baterie – před přebíjením, omezení nabíjecího napětí,

vysokonapěťové odpojení zátěže

▪ snižuje a stabilizuje napětí z FV pole na úroveň vhodnou pro nabíjení

akumulátoru

▪ ochrana baterie – před hlubokým vybitím (poškození, snížení životnosti),

nízkonapěťové odpojení zátěže od akumulátoru

▪ zajištění dlouhé životnosti baterie

▪ vestavěná dioda proti nočnímu vybíjení akumulátoru přes FV pole

▪ kompenzace nabíjecí a vybíjecí charakteristiky podle teploty akumulátoru

53/60

Regulátor nabíjení

54/60

Grid off s DC spotřebiči

55/60

Grid off – s AC spotřebiči

56/60

Návrh grid off FV systému

▪ potřeba energie Ep

▪ předpokládáný provoz spotřebičů

▪ příkon * doba provozu

▪ druhy

▪ osvětlení (LED, zářivky) – řádově W

▪ vaření (trouba, vařič, mixér) – stovky W

▪ zábava (TV, hi-fi, PC) – desítky W

▪ lednička – do 100 W

57/60

Návrh grid off FV systému

▪ bilance

▪ EFV produkce FV panelů

▪ sys účinnost systému (60 až 75 %)

▪ pro návrhový měsíc

▪ leden – prosinec: pro samoty

▪ červenec: zvýšení soběstačnosti

psysFVTesysFV EAHE ==

58/60

Návrh grid off FV systému

▪ účinnost systému

▪ MPP pokud není MPPT 0.75 (při správném návrhu)

pokud je MPPT 0.98

▪ DC ztráty na DC kabeláži 0.98

▪ CC regulátor nabíjení 0.98

▪ BAT účinnost baterie 0.90

▪ INV měnič pro grid off 0.90

▪ D ztráty na distribuci 0.98

DINVBATCCDCMPPsys =

59/60

Návrh grid off FV systému

▪ návrh akumulátoru

▪ n počet dnů pro akumulaci [-]

▪ U systémové napětí [V]

▪ TDOD hloubka vybíjení [-] 0.30 až 0.80

▪ INV účinnost inverteru 0.90 1.00 (bez inverteru)

▪ D účinnost distribuce (ztráty) 0.98

DINVDOD

pBAT

TU

nEQ

= [Ah]

60/60