Varijabilnost proizvodnje fotonaponske elektrane ...intranet.fesb.hr/Portals/0/docs/nastava/kvalifikacijski/Kvalifikacijski_ispit_Josip... · Varijabilnost proizvodnje fotonaponske

SVEUČILIŠTE U SPLITU FESB

Varijabilnost proizvodnje fotonaponske elektrane – uklapanje u

elektroenergetski sustav Kvalifikacijski ispit

Kandidat: Mentor:

Josip Vasilj dr. sc. Ranko Goić, izv. prof

Rujan, 2013.

SADRŽAJ

1. Uvod ................................................................................................................................................ 1

2. Sunčevo zračenje ............................................................................................................................. 2

3. Izlazna snaga fotonaponske elektrane ............................................................................................ 9

4. Utjecaj obnovljivih izvora na pogon i vođenje elektroenergetskog sustava ................................. 14

5. Zaključak ........................................................................................................................................ 20

Literatura ............................................................................................................................................... 21

Varijabilnost proizvodnje fotonaponske elektrane – uklapanje u elektroenergetski sustav

Kvalifikacijski ispit 1

1. Uvod

Udio obnovljivih izvora u elektroenergetskim sustavima seže od neznatnog do iznimno visokog, čak i

do više od polovice vršne potrošnje. Ipak, potonji spadaju u rijetke slučajeve nekolicine zemalja koje

osim strategijom, navedeni cilj ostvaruju i vlastitom industrijom obnovljivih izvora energije. Spor

porast u udjelu obnovljivih izvora većine zemalja je trend koji se mijenja ili nastoji promijenit

mehanizmima Kyoto protokola ali i kao rezultat opće osviještenosti problemima očuvanja okoliša.

Postići visok udio obnovljivih izvora energije mnogo je jednostavniji poduhvat u ovom trenutku nego

samo nekoliko godina unatrag. Neki od razloga takvim promjenama, osim dosadašnjeg glavnog

pokretača tzv. CO2 politike uvedene Kyoto sporazumom, su ponajviše promjene u cijenama ovakvih

izvora energije. Naime, dugogodišnje subvencioniranje obnovljivih izvora energije rezultiralo je

razvojem ovih tehnologija i posljedičnim smanjenjem cijena istih. Prateći poznati trend krivulje

učenja, iz godine u godinu na tržište dolaze jeftinije i kvalitetnije tehnologije. Danas, u nekim

zemljama, prvenstveno onim s višim standardom i skupljom električnom energijom, obnovljivi izvori

su gotovo konkurentni konvencionalnim izvorima bez subvencija. Ovakve prilike postaju sve češće a

znatno ovise o postojećim kombinacijama elektrana u elektroenergetskim sustavima i naravno

cijenama energenata. Također, zanimljive su prilike u sustavima s velikim i dobro funkcionirajućim

tržištem električne energije gdje je već dosegnut visok udio obnovljivih izvora u proizvodnji električne

energije. U takvim sustavima obnovljivi izvori počinju znatno utjecat na tržište odnosno tržišnu cijenu

električne energije pa je moguće očekivati ponovno djelovanje državnih mehanizama. Međutim,

takve prilike su rijetke i nastaju uslijed visokih udjela obnovljivih izvora energije bez kvalitetnih

regulatornih mehanizama. Zemlje sa sustavim bez ili s niskim udjelom obnovljivih izvora energije

poznati cilj od 20 % udjela mogu ostvariti naslanjajući se na akumulirana iskustva i znanja zemalja

koje prednjače u integraciji obnovljivih izvora energije i povoljnije cijene obnovljivih izvora energije.

Utjecaj obnovljivih izvora energije na sve aspekte pogona elektroenergetskog sustava dobro je

poznat, posebno za slučajeve nižeg udjela obnovljivih izvora. Metodologije analize utjecaja

obnovljivih izvora energije na razne aspekte pogona elektroenergetskog sustava predmet su mnogih

publikacija, dok su studije i izvješća operatora i konzultanata javno dostupni kod većine zemalja.

Mnoge od predloženih metodologija nisu dovoljno precizne ili su prilagođene karakteristikama

razmatranih sustava i kao takve treba ih koristiti uvažavajući navedeno.

Varijabilnost proizvodnje obnovljivih izvora energije osnovna je karakteristika koju treba izdvojiti

kada je u pitanju njihov utjecaj na elektroenergetski sustav. U ovom radu je razmatrana varijabilnost

proizvodnje fotonaponske elektrane, te je dan osvrt na posljedične aspekte pogona i regulacije

elektroenergetskog sustava. Kroz prvi dio rada ukratko je opisan karakter sunčevog zračenja i izlazne

snage fotonaponske elektrane s obzirom na varijabilnost. U drugom dijelu je ukratko razmotren

utjecaj varijabilnih izvora na pogon i vođenje elektroenergetskog sustava.



2. Sunčevo zračenje

Sunčevo zračenje karakteriziraju značajne varijacije, prostorne (na različitim lokacijama) i vremenske

(iz jednog razdoblja u drugo). Više čimbenika određuje ove varijacije, ali općenito, moguće ih je

promatrati kao:

Varijacije uzrokovane kretanjem zemlje u odnosu na sunce

Varijacije uzrokovane raspršenjem u atmosferi, prvenstveno oblacima

Ove dvije komponente određuju sunčevo zračenje u određenom trenutku, ali njihova priroda je u

potpunosti različita. Kretanje zemlje u odnosu na sunce je dobro poznat proces i posljedične varijacije

sunčevog zračenja su jasno određene. S druge strane, kretanje oblaka, kao glavnog uzročnika

varijacija izazvanih raspršenjem je neodređen proces.

Ova problematika iscrpno je obrađena u postojećim publikacijama s raznih gledišta. Kroz sljedeće

paragrafe dan je pregled ovih publikacija ali i neke analize izvršene u svrhu statističkog opisa

sunčevog zračenja iz perspektive pogona i regulacije elektroenergetskog sustava.

Varijacije sunčevog zračenja na određenoj lokaciji

Kao što je navedeno, sunčevo zračenje je određeno dvjema komponentama koje utječu na trajanje i

iznos varijacija. Varijacije sunčevog zračenja uzrokovane kretanjem zemlje su određene poznatim

fizikalnim zakonima. U [1] dan je detaljan opis ove komponente, tzv. vanzemaljske komponente. Kao

posljedica navedenog procesa, sunčevo zračenje varira tijekom dana ali i kroz sezonu. Na temelju

ovog znanja o kretanju zemlje u odnosu na sunce, razvijeni su razni modeli za simulaciju ove

komponente, tzv. vanzemaljske komponente. Daljnje unaprjeđenje ovog modela je tzv. vedro

zračenje, komponenta zračenja koja uključuje raspršenje u atmosferi ali podrazumijeva odsutnost

oblaka, za koje su također razvijeni određeni modeli za simulaciju. Razlike među raznim modelima su

detaljno pregledane u [2], gdje autori opisuju postojeće modele za simulaciju sunčevog zračenja bez

oblaka te vanzemaljskog zračenja. Jedan od ovih modela, koji uključuje raspršenje u atmosferi je tzv

Bird-ov model prezentiran u [3]. Ovaj model je često korišten zbog povoljnog omjera složenosti i

detaljnosti opisa fenomena raspršenja, i iz istog razlog je korišten u ovom radu.

Birdov model uz vanzemaljsku komponentu uvažava i fenomene uzrokovane vodom u atmosferi,

tlakom i dr. Primjer vremenskog niza sunčevog zračenja bez oblaka dobivenog takvim modelom

prikazan je na slici 1. Modelom je, kao što je vidljivo sa slike, moguće simulirati:

direktno horizontalno zračenje (komponentu koja je izravno usmjerena od sunca koja pada

na horizontalnu površinu)

difuzno horizontalno zračenje (komponenta koja pada na horizontalnu površinu kao refleksija

o čestice u atmosferi)

globalno horizontalno zračenje (zbir dviju prethodno navedenih komponenti)



direktno zračenje (direktno zračenje koje pada na površinu okomitu na smjer zračenja)

Slika 1 Primjer vremenskog niza sunčevog zračenja bez oblaka

Periodičnost sunčevog zračenja je očita iz prethodne slike ali je istu moguće pokazat i kroz distribuciju

vrijednosti sunčevog zračenja. Slika 2 prikazuje distribuciju satnih vrijednosti sunčevog zračenja u

jediničnim vrijednostima u odnosu na maksimalno zračenje dobiveno simulacijskim modelom

sunčevog zračenja bez oblaka, i to distribuciju vrijednosti sunčevog zračenja uvažavajući odsutnost

zračenja tijekom noći (gornja slika) i bez iste (donja slika). Iz slike je vidljivo da, osim zračenja

jednakog nuli koje je posljedica odsutnosti zračenja tijekom noći, distribucija vrijednosti zračenja

većih od nula je prilično uniformna. Razlog zašto se ova karakteristika sunčevog zračenja ističe je što

predstavlja jednu od osnovnih razlika sunčevog zračenja i brzine vjetra kao dvaju primarnih izvora

energije.



Slika 2 Distribucija vrijednosti sunčevog zračenja bez oblaka

U publikacijama vezanim uz regulaciju elektroenergetskog sustava ove varijacije nisu promatrane

zasebno budući da sunčevo zračenje bez oblaka nije problem u tom smislu. Publikacije razmatraju

sunčevo zračenje kakvim ga „vide“ proizvodne jedinice i stoga komponenta raspršenja koje uzrokuju

oblaci mora biti uključena. Zračenje bez oblaka je promotreno u prethodnim paragrafima zbog boljeg

razumijevanja fenomena vezanih uz sunčevo zračenje.

U svrhu analize varijacija sunčevog zračenja s uvažavanjem raspršenja u oblacima potrebna su

mjerenja sunčevog zračenja. Najčešće se izvode piranometrima koji ovisno o izvedbi mogu mjeriti:

Globalno horizontalno zračenje

Direktno zračenje

Difuzno horizontalno zračenje

U svrhu analize karakteristika izlazne snage fotonaponskih jedinica, moguće je korištenje nekoliko

kombinacija navedenih mjerenja uvažavajući naravno i kut nagiba i sustav praćenja sunčevog

zračenja same elektrane. Ovdje se analizira samo globalno horizontalno zračenje budući da

predstavlja zračenje koje dolazi na neku horizontalnu površinu i kao takvo je najprikladnije mjerenje

za analizu primarnog izvora energije fotonaponskih elektrana s fiksnom pozicijom. Primjer rezultata

mjerenja globalnog horizontalnog zračenja dan je na slici 3.



Slika 3 Primjer vremenskog niza globalnog horizontalnog zračenja

Analiza varijacija sunčevog zračenja u ovim mjerenjima je od iznimne važnosti za procjenu utjecaja

ovakvih izvora na regulaciju i pogon elektroenergetskog sustava. Slika 4 prikazuje minutne i satne

varijacije u globalnom horizontalnom zračenju mjerenom na određenoj lokaciji. Dvije distribucije

varijacija prikazane na slici 4 se razlikuju budući da se odnose na vremenske nizove usrednjene na

različitim vremenskim razinama (satno i minutno usrednjenje). Pri analizi varijabilnosti sunčevog

zračenja s aspekta utjecaja na pogon i vođenje elektroenergetskog sustava važno je poznavati

vremenske raspone odziva koje se takvom analizom razmatra i u skladu s tim koristiti prikladne

podatke.

Slika 4 Distribucija satnih i minutnih varijacija sunčevog zračenja

U literaturi se može pronaći nekoliko pristupa ovoj problematici. U [4] autori usrednjavaju podatke

na različitim vremenski skalama a zatim analiziraju varijacije. Dalje u navedenom radu, autori



prikazuju analizirane varijacije kroz kumulativne distribucije vjerojatnosti da varijacije budu manje od

nekih iznosa. Takav pristup daje vrlo informativne prikaze varijacija, ali problem fiksnih skala

usrednjavanja i dalje ostaje.

U [5] autori izvode analizu spektra u frekvencijskoj domeni u svrhu procjene amplituda varijacija na

svim vremenskim skalama mogućim prema Nyquistovim granicama. Ovakvim pristupom dobivena je

ovisnost amplitude varijacija o vremenskim skalama varijacija (frekvencijama). Nedostatak ovakvog

pristupa je zapravo tipični nedostatak analiza temeljenih na Fourirovoj transformaciji. Naime,

prelaskom u frekvencijsku domenu, sva informacija o vremenu je nedostupna.

Ovaj nedostatak je moguće zaobići korištenjem tzv. Wavelet transformacije. Takav pristup je korišten

u [6], i autori pokazuju vrlo informativne zaključke vezane i uz amplitude i uz trajanje varijacija.

Konačno, sličan pristup je korišten u [7], gdje autori računaju najveće fluktuacije unutar diskretnih

vremenskih raspona. Na taj način dobivena je funkcijska veza maksimalnih varijacija i vremenskih

raspona u kojima se iste javljaju.

Iz prethodnog razmatranja je očito da procjena varijacija nije očit postupak zbog širokog raspona

pristupa koje je moguće primijenit. U ovom radu će se razmatrati analize distribucije minutnih i

satnih varijacija kao što je pokazano iznad, te analiza varijacija temeljem Fourierove transformacije.

Analiza varijacija korištenjem Fourierove transformacije je informativan pristup budući da pokazuje

amplitude varijacija za svaki vremenski raspon omogućen Nyquistovim granicama. Ovakav pristup, za

različite svrhe, je korišten u [8, 9].

Kao primjer, vremenski niz korišten ranije u tekstu kod analize distribucije varijacija koristi se i ovdje.

Navedeni vremenski niz ima godinu dana trajanja mjerenja globalnog horizontalnog zračenja s

rezolucijom od jedne minute. Frekvencija uzorkovanja za ovaj vremenski niz je fs=1/60=0.1667 i

prema Nyquistovom teoremu, Nyquistova frekvenicja iznosi fn=0.00833 i predstavlja maksimalnu

frekvenciju koju je moguće analizirati. Dakle, varijacije od dvije minute pa na više mogu biti

analizirane. Drugi važan parametar je rezolucija frekvencije koja može iznositi do maksimalnih fs/N.

Nadalje, sve navedene publikacije koriste Fourirovu transformaciju bez ikakvog pred ili

postprocesiranja podataka. Ovdje se koriste određene metode postprocesiranja podataka u svrhu

eliminacije šuma prema [10]. Uvažavajući sve navedene pretpostavke, sljedeća analiza prikazuje

frekvencijski spektar mjerenog globalnog horizontalnog zračenja.



Slika 5 Frekvencijski spektar globalnog horizontalnog zračenja mjerenog na jednoj lokaciji

Dobivena slika se slaže sa sličnim prikazima u drugim publikacijama. Sljedeći zaključci se mogu

istaknuti na temelju provedene analize:

Frekvencijski spektar zračenja na jednoj lokaciji pokazuje značajne vrhove na 24 sata i višim

harmonicima. Takva karakteristika je izravna posljedica periodičnosti zračenja na dnevnoj

razini

Frekvencijski spektar karakterizira približno linearno smanjenje amplitude varijacija za više

frekvencije. Ova karakteristika je iznimno važna pri usporedbi mjerenja jedne lokacije i

sumarnog zračenja nekoliko lokacija kao i prilikom međusobne usporedbe različitih primarnih

izvora.

Glavni uzrok varijacija na nižim vremenskim skalama su kretanje i karakteristike oblaka. Stoga je

važno posvetiti poseban osvrt na kretanje oblaka, prvenstveno zbog važnosti ovog tipa varijacija kada

je regulacija i pogon elektroenergetskog sustava u pitanju.

Kretanje oblaka je moguće analizirat kroz tzv. indeks oblačnosti. Ovaj parametar određuje karakter

kratkoročnih varijacija solarnog zračenja. Kao takav, analiziran je u mnoštvu publikacija s različitih

aspekata. U nastavku je dan kratak pregled publikacija koje se tiču ovog problema uz neke od analiza

izvršenih na dostupnim mjerenjima.

U [11] autori predstavljaju detaljni simulacijski model efekata koje oblaci u kretanju izazivaju u

postrojenjima s raspršenom fotonaponskom proizvodnjom. Autori uvažavaju veličinu, oblik, brzinu,

smjer i prozirnost oblaka pa čak i varijaciju prozirnosti oblaka s ruba prema centru. U radu se

zaključuje, između ostalog, i ovisnost veličine proizvodnog postrojenja i maksimalnih promjena u

izlaznoj snazi fotonaponske elektrane koji je moguće očekivati. Slika 6 prikazuje navedene zaključke



kroz različito usrednjene podatake (1, 2, 3 i 4 minute) gdje su na apsicsi prikazane površine

postrojenja a na ordinati maksimalni padovi u proizvodnji u odnosu na moguću proizvodnju.

Slika 6 Ovisnost veličine postrojenja i maksimalnog pada snage

Još jedan od radova koji uvažava detaljno modeliranje oblaka je [12], gdje autori uvažavaju

geometriju oblaka i modeliraju različite fenomene izazvane oblacima, slično kao prethodno navedena

publikacija, uz novitet modeliranja fenomena pojačanja zračenja oblacima (veće zračenje u

određenoj točki uz prisutnost oblaka nego u slučaju odsutnosti oblaka).

Prethodne publikacije su navedene kao primjeri detaljnog modeliranja fizikalnih svojstava oblaka.

Ovakvi pristupi su prikladni za detaljno modeliranje zračenja ali zbog zahtjevnosti u pogledu

potrebnih podataka kao i računalne složenosti nisu prikladni za simulaciju sunčevog zračenja u svrhu

analize utjecaja varijacija proizvodnje fotonaponskih elektrana na regulaciju i pogon

elektroenergetskog sustava. Prikladniji pristup uključuje statističku analizu ponašanja oblaka na

temelju mjerenja i korištenja kombinacije mjerenja i statističkih simulacija za generiranje vremenskih

nizova proizvodnje fotonaponskih elektrana.



3. Izlazna snaga fotonaponske elektrane

U svrhu analize utjecaja visokog udjela fotonaponskih elektrana u elektroenergetskom sustavu na

regulaciju i pogon elektroenergetskog sustava, bitno je i razumijevanje karakteristika izlazne snage

fotonaponske elektrane. Postoje razni modeli proračuna izlazne snage fotonaponske elektrane u

publikacijama s međusobnim razlikama u detaljnosti i složenosti. Ovdje je opisan pristup koji se

sastoji od nekoliko koraka počevši od izračuna moguće proizvodnje na temelju mjerenja na

promatranoj lokaciji. Ukoliko mjerenja nisu dostupna ili su dostupna u ograničenom obimu, predlažu

se određena rješenja kojima se, uz gubitak preciznosti, mogu odrediti nedostupni podaci.

U prethodnom poglavlju razmatrane su karakteristike sunčevog zračenja na određenoj lokaciji na

temelju mjerenja istog. Ipak, iako je sunčevo zračenje primarni izvor energije fotonaponskih

elektrana, poznavanje sunčevog zračenja na određenoj lokaciji nije dovoljno da bi se analizirala

izlazna snaga fotonaponske elektrane budući da ista ovisi o raznim drugim čimbenicima koji su

opisani u nastavku. Konačno, najprikladniji pristup je odabran i korišten na dostupnim mjerenjima.

Najvažniji čimbenici koji određuju izlaznu snagu fotonaponske elektrane su:

Orijentacija i nagib PV modula u odnosu na direktno zračenje odnosno kut između normale

na površinu modula i vektora usmjerenog prema suncu

Efikasnost energetske konverzije modula

Temperatura PV modula

Efikasnost invertera

Refleksija zračenja od površine modula

Spektralna osjetljivost

Promjena efikasnosti s vremenom eksploatacije

Od gore navedenih čimbenika opisana su prva četiri budući da je njihov utjecaj značajan i dobro

poznat u smislu modeliranja.

Orijentacija i nagib PV modula

Orijentacija PV modula u odnosu na poziciju sunca određuje udio direktne komponente zračenja koju

površina modula prima. U nastavku je dan kratak opis definicija i relacija vezanih uz ovaj fenomen (za

detaljnije pojašnjenje predlaže se [13]). Slika 7 prikazuje parametre vezane uz fotonaponski modul

zajedno s definicijom kuta incidencije.



Slika 7 Veličine vezane uz položaj fotonaponskog modula

Sa slike 7 je očito da poznavanje kuta položaja sunca (komplementa zenita, βs) i azimuta (αs) zajedno

s kutevima vezanim uz montažu fotonaponskog modula (nagib i orijentacija modula, βt i αt), moguće

je odrediti kut incidencije (θtilt) na temelju vektorske algebre. Direktno zračenje na nagnutu površinu

je moguće izračunat na temelju direktnog zračenja na horizontalnu površinu.

Prethodno razmatranje se odnosi na direktnu komponentu sunčevog zračenja, dok je za određivanje

ukupne izlazne snage potrebno i poznavanje difuzne komponente zračenja kao i zračenja koje je

posljedica refleksije od okruženja fotonaponskog modula. Budući da je difuzna komponenta

posljedica raspršenja u atmosferi, ne postoji točan pristup modeliranju difuznog zračenja na nekoj

površini određenog nagiba i orijentacije te se pristup temelji na određenim pretpostavkama. Na

temelju toga razlikuju se dva osnovna pristupa, izotropni i anizotropni pristup.

Izotropni pristup pretpostavlja uniformnu distribuciju difuznog zračenja što znači da horizontalna

površina prima jednak iznos difuznog zračenja iz svih smjerova. Takva aproksimacija je prilično grubo

pojednostavljenje difuznog zračenja i nije prikladna u slučajevima kada se zahtijeva veće preciznost.

U takvim slučajevima prikladniji pristup je anizotropni. Postoje nekoliko modela koji se temelje na

takvom pristupu i razlikuju se u kompleksnosti i naravno preciznosti [14]. Model korišten ovdje je tzv.

Klucherov model opisan u [15]. Radi se o jednostavnijem modelu u odnosu na druge anizotropne

modele ali dovoljno preciznom.

Poznavanjem navedenih komponenti moguće je odrediti ukupno zračenje koje fotonaponski modul

prima.

Temperatura modula

Modeliranje ovisnosti relativne efikasnosti fotonaponskog modula i temperature modula je detaljno

opisana kroz niz publikacija, gdje valja istaknuti [16]. Modeliranje pada efikasnosti s porastom

temperature modula nije jedini problem u ovom slučaju. Upravo je procjena temperature modula

zahtjevan dio modeliranja. Budući da je ovisnost efikasnosti fotonaponskog modula o temperaturi



modula približno linearna za fiksan iznos sunčevog zračenja, procjena efikasnosti pri određenoj

temperaturi predstavlja jednostavan proračun. S druge strane, procjena temperature modula je

složeniji proračun. Ipak jednostavniji modeli za procjenu temperature modula postoje poput modela

navedenog u [17].

Izraz opisan u [17] je jedan od najčešće korištenih modela budući da uključuje podatke koji su u većini

slučajeva dostupni i uvažava položaj montiranog fotonaponskog modula kroz jednostavne

koeficijente.

Temperaturna ovisnost efikasnosti kao ostale efikasnosti vezane uz sami fotonaponski modul uvelike

ovise o korištenoj tehnologiji [18]. Na sljedećoj slici prikazana je ovisnost efikasnosti o temperaturi

modula za tri najčešće korištene tehnologije Copper-Indium-Diselenide (CIS), Cadmium Telluride

(CdTe) i Crystalline silicon (c-Si).

Slika 8 Ovisnost efikasnosti fotonaponskog modula o temperaturi modula pri fiksnom zračenju za različite tehnologije

Efikasnost energetske konverzije fotonaponskog modula

Fotonaponski moduli su dizajnirani i optimirani za određene pogonske uvjete i pri ovim uvjetima

imaju maksimalnu energetsku efikasnost pretvorbe primarne energije zračenja u električnu energiju.

Kada uvjeti, u ovom slučaju snaga sunčevog zračenja, odstupaju od referentnih uvjeta, proces

energetske konverzije je manje efikasan. Na sljedećoj slici prikazana je ovisnost efikasnosti

energetske pretvorbe o snazi sunčevog zračenja koje prima fotonaponski modul.



Slika 9 Ovisnost efikasnosti fotonaponske pretvorbe o snazi zračenja

Efikasnost invertera

Konačno, inverteri kao temeljne komponente fotonaponskih sustava za transformaciju istosmjerne

struje koju proizvode fotonaponski moduli u izmjeničnu struju, također pokazuju određene pogonske

karakteristike u smislu efikasnosti. Naime, inverteri su obično projektirani za nominalne iznose

varijabli kojima su izloženi među kojima je i prenesena snaga. Kada snaga koja se prenosi inverterima

odstupa od nominalne, efikasnost je niža. Efikasnost je moguće promatrati iz perspektive gubitaka

invertera. Gubici u inverteru posljedica su triju pojava koje sumarno određuju gubitke. Prva

komponenta uključuje gubitke zbog vlastite potrošnje, zatim gubitke proporcionalne prenesenoj

snazi koji su posljedica padova napona na poluvodičima i konačno gubitke proporcionalne kvadratu

prenesene snage koji su posljedica termičkih i sličnih gubitaka. Na sljedećoj slici prikazana je ovisnost

korisnosti invertera o prenesenoj snazi prema [19].

Slika 10 Efikasnost invertera



Uvažavajući sve navedene čimbenike, izlaznu snagu određenog fotonaponskog sustava moguće je

odrediti, naravno, uz sve potrebne podatke. Ovakav proračun ima određene nedostatke kada je u

pitanju proračun izlazne snage za potrebe analiza vezanih uz regulaciju i pogon elektroenergetskog

sustava. Navedeni nedostatci su:

Izračunata izlazna snaga može imati vremensku rezoluciju jednaku ili nižu od vremenske

rezolucije dostupnih mjerenja što predstavlja veliki nedostatak ukoliko je namjena računati

izlaznu snagu visoke rezolucije za proizvoljnu lokaciju.

Za slučaj fotonaponske elektrane velike površine, proračun izlazne snage temeljen samo na

mjerenjima u jednoj točki predstavlja grubu aproksimaciju u smislu varijacija izlazne snage.

Za slučaj krovnih fotonaponskih elektrana također se javlja problem sličan prethodnom uz

dodatni problem uvažavanja različitih tehnologija, orijentacija i kuteva nagiba fotonaponskih

elektrana na krovovima nekog naselja.

Svi navedeni problemi zahtijevaju detaljno razmatranje zbog njihove složenosti i važnosti, što prelazi

okvire ovog rada. U nastavku su razmotreni simulirani podaci proizvodnje fotonaponske elektrane

dobiveni na temelju prethodno opisanog pristupa. Kao što je navedeno, podaci se odnose na mali

sustav gdje efekti agregacije ne dolaze do izražaja.

Za slučaj fotonaponske elektrane snage 10kW izlazna snaga je prikazana na slici 11. Iz slike je očito da

utjecaj svih opisanih elemenata ne mijenja značajno karakteristiku izlazne snage u odnosu na

karakter samog zračenja. Naime, utjecaj elemenata je značajan samo u područjima niskog zračenja i

malih snaga koje odgovaraju početcima i krajevima sunčanih razdoblja tokom dana, te smanjenje

vršne snage (kW/kWp) zbog gubitaka.

Slika 11 Izlazna snaga fotonaponske elektrane



4. Utjecaj obnovljivih izvora na pogon i vođenje elektroenergetskog sustava

Svrha regulacije i vođenja elektroenergetskog sustava je ispunjenje osnovnih ciljeva sigurnosti i

ekonomičnosti rada sustava. Navedeni ciljevi primarno podrazumijevaju kvalitetnu, pouzdanu i

ekonomski efikasnu proizvodnju električne energije. Budući da se radi o širokom rasponu čimbenika

na koje je moguće utjecati, odnosno čimbenika koji određuju tehno-ekonomske parametre opskrbe

električnom energijom, navedena definicija zahtijeva detaljnije obrazloženje. Regulacija

elektroenergetskog sustava uključuje sve radnje kojima se promjenom reguliranih varijabli (izlazna

jalova i radna snaga elektrane, topologija mreže, prijenosni omjeri transformatora itd.) nastoji održati

napon i frekvenciju unutar dozvoljenih granica. Općenito, regulacija u elektroenergetskom sustavu je

podijeljena na dvije osnovne instance koje se zbog karakteristika međuovisnosti električnih veličina

mogu razmatrati neovisnom jedna od druge. Dvije instance regulacije podrazumijevaju regulaciju

radne snage i frekvencije, odnosno jalove snage i napona. Predmet ovog rada je utjecaj obnovljivih

izvora energije na regulaciju radne snage i frekvencije, ili tzv. P-f regulaciju.

Termin vođenje elektroenergetskog sustava se odnosi na sve mjere koje operator koristi u svrhu

osiguravanja sigurnog i ekonomski učinkovitog rada elektroenergetskog sustava. Jedna od osnovnih

radnji koju uključuje vođenje elektroenergetskog sustava, i koja je izravno vezana uz P-f regulaciju, je

planiranje rasporeda rada elektrana. Navedeni postupak, osim ekonomski i sigurnosno

najprihvatljivijeg rasporeda elektrana u svrhu pokrivanja planiranog opterećenja, podrazumijeva i

raspodjelu potrebnih regulacijskih rezervi među angažiranim elektranama. Navedeni postupak se

različito izvodi u raznim sustavima, od kompleksnih proračuna raspodjele regulacije među

elektranama do jednostavnih regulacijskih shema u vidu prioritetnih lista. Sama P/f regulacija

uključuje tri osnovne razine, tzv. primarnu, sekundarnu i tercijarnu regulaciju. Iako tri navedene

razine regulacije u svim zemljama imaju isto značenje, njihovo izvođenje se razlikuje. Varijabilnost

proizvodnje obnovljivih izvora energije uvodi promjene u pogon i vođenje elektroenergetskog

sustava čiji se utjecaj uvelike razlikuje u sustavima različitih tehničkih karakteristika ili pak različite

organizacijske strukture.

Moguće je istaknuti dvije osnovne organizacijske strukture elektroenergetskog sustava s obzirom na

navedeno. Elektroenergetski sustavi s velikim brojem proizvođača električne energije i dobro

funkcionirajućim tržištem električne energije i elektroenergetski sustavi s jednim dominantnim

proizvođačem. U prvom slučaju raspored elektrana i regulacije prepušten je tržištu uz mogućnost

bilateralnih ugovora. Proizvođači, ako žele, sudjeluju na spot tržištu ili neovisno od spot tržišta

sklapaju ugovore prodaji električne energije. Zanimljive su promjene koje doživljava takav sustav

posljednjih godina zbog velikog porasta udjela obnovljivih izvora energije. Mnogi analitičari smatraju

da su sve promjene pravila tržišta električne energije koje su izazvali obnovljivi izvori energije

rezultirali iznimno složenim tržišnim sustavom. Neki od analitičara prizivaju i kompletnu promjenu

sustava. Drugi organizacijski sustavi, odnosno sustavi s jednim proizvođačem drugačije izvode

navedene postupke. Najčešće se raspored rada elektrana vrši optimizacijskim proračunima sa ciljem



najekonomičnijeg i sigurnog rasporeda elektrana. Takvi sustavi također doživljavaju promjene uslijed

ulaska obnovljivih izvora energije.

Drugi bitan faktor je okruženje u kojem se navedeni sustavi nalaze. Visoko interkonektirani sustavi

potpuno drugačije vide probleme u pogonu za razliku od malih sustava. Primjerice, iako mnoge

zemlje europe imaju visok udio obnovljivih izvora u svojim sustavima, promatrajući cijeli europski

interkonektirani sustav ta proizvodnja nije toliko značajna i problemi koje ona izaziva, barem kada je

u pitanju sigurnost pogona, još uvijek nisu značajni.

Problematika utjecaja obnovljivih izvora na pogon i vođenje elektroenergetskog sustava tema je

raznih znanstvenih publikacija. Kada je u pitanju širok pregled aspekata pogona i vođenja

elektroenergetskog sustava na koje utječu obnovljivi izvori treba istaknuti [19]. U navedenom radu

autori daju kratak pregled promjena nastalih uvođenjem obnovljivih izvora energije u

elektroenergetske sustave. Rad je moguće sažet kroz sljedeće zaključke o utjecaju obnovljivih izvora

promatrano kroz neke od najvažnijih aspekata:

Pogonski troškovi u dominantno termo sustavima

Zbog smanjenja troškova goriva u razdobljima proizvodnje obnovljivih izvora energije cijena

električne energije je smanjena njihovom prisutnošću. Navedena činjenica je očita, međutim manje

očit efekt je povećanje troškova rada termoelektrana uslijed prisutnosti obnovljivih izvora. Porast

troškova je posljedica promjene režima rada termoelektrana gdje se zahtijevaju veće varijacije u

proizvodnji istih, pa čak i zaustavljanje proizvodnje tijekom noći i ponovno pokretanje nekoliko sati

kasnije. U radu je opisana i problematika negativnih cijena kao i spornih direktiva kojima se zahtijeva

prihvat proizvodnje obnovljivih izvora bez obzira na prilike na tržištu.

Utjecaj na pogonske rezerve

Rad se oslanja na međunarodnu usporedbu iskustava s integracijom vjetroelektrana i pitanjem

pogonskih rezervi opisanu u [20]. Kao ključno pitanje ističe se problem potrebnog iznosa pogonskih

rezervi u svrhu osiguranja sigurnog i efikasnog pogona elektroenergetskog sustava. U nastavku

navedenog rada se ističu praktične implikacije navedenog problema, gdje valja izdvojiti moguće

povećanje troškova pogona sustava zbog većeg broja elektrana u pripravnosti.

Sljedeći općeniti zaključci su rezultat raznih istraživanja vezanih uz utjecaj obnovljivih izvora na

pogonske rezerve. Naravno, istraživanja se tiču pojedinačnih elektroenergetskih sustava i ne smiju

biti uvažena kao općenita.

Izlazna snaga vjetroelektrana se ne mijenja dovoljno brzo da bi se smatrala tzv.

poremećajem, stoga prilikom određivanja maksimalne rezerve za slučaj poremećaja ne treba

uvažavati vjetroelektrane. Varijabilnost proizvodnje vjetroelektana može utjecati na

sekundarne rezerve ali taj utjecaj uglavnom nije značajan. Što se tiče primarnih rezervi, one

naravno trebaju biti na raspolaganju da odgovore na varijacije proizvodnje vjetroelektrana,



međutim dosadašnja istraživanja ne smatraju navedene potrebe značajno različitim u odnosu

na dosadašnje potrebe u svrhu odgovora na varijacije potrošnje.

Puno značajniji je utjecaj pogrešaka u prognozi proizvodnje vjetroelektrana i fotonaponskih

elektrana u rasporedu elektrana dan unaprijed. Nepredvidivost proizvodnje obnovljivih

izvora dan unaprijed zahtijeva pripravnost fleksibilnih elektrana da osiguraju sekundarnu ili

tercijarnu regulaciju.

Stabilnost elektroenergetskog sustava

Poznato je da je ključni čimbenik stabilnosti elektroenergetskog sustava inercija rotirajućih masa

turbina i generatora na račun koje je moguć prolazak kroz stanje poremećaja. Postojeće izvedbe

vjetroelektrana i fotonaponskih elektrana gotovo i ne doprinose inerciji elektroenergetskog sustava.

Ipak ovo pitanje se tiče isključivo slabo interkonektiranaih sustava. Također, zbog naprednih

mogućnosti izvedbe regulacijskih sustava vjetroelektrana moguće je navedeni problem eliminirati.

Prethodno opisani zaključi navedenog rada u nastavku su potkrijepljeni primjerima nekih

elektroenergetskih sustava. Na slici 12 je prikazana frekvencija europske interkonekcije mjerena u

Njemačkoj te ukupna potrošnja najvećih zemalja koje čine navedenu interkonekciju. Na slici koja

prikazuje potrošnju, prikazana je stvarna potrošnja kao satni prosjeci prikazani stepeničasto i kao 15

min. prosjeci prikazani s linearnom interpolacijom. Budući da se satna proizvodnja dan unaprijed

planira na temelju satnih prosjeka prognoze potrošnje, angažman elektrana također prati navedeni

obrazac. Upravo je navedena činjenica osnovni uzrok jedne od dobro poznatih karakteristika

frekvencije. Naime, nagli skokovi i padovi na počecima sati s visokom promjenom potrošnje upravo

su posljedica navedenog. Iz slike 12 moguće je uočiti navedene obrasce, s tim da je bitno naglasiti da

na slici nije prikazana prognozirana potrošnja nego satni prosjeci stvarne potrošnje što bi odgovaralo

savršenoj prognozi.



Slika 12 Frekvencija intekonekcije i pripadna potrošnja većeg dijela interkonekcije

Podaci prikazani na prethodnoj slici rezultat su pogona sa niskim udjelom obnovljivih izvora, te se

mogu promatrati kao tradicionalni sustav. Na sljedećoj slici je prikazana proizvodnja elektrana u

Njemačkoj za navedena dva dana.

Slika 13 Raspored proizvodnje prema tipu proizvodnih jedinica

Čak i visok udio obnovljivih izvora ne znači opasnost za elektroenergetski sustav ukoliko postoji

kvalitetna prognoza proizvodnje obnovljivih izvora energije. Također, sustav unutardnevnog tržišta

omogućuje korekciju mogućih pogrešaka u prognozi. Ipak, uvijek postoji mogućnost značajnijih

pogrešaka u prognozi proizvodnje obnovljivih izvora energije. Ako takve slučajeve prate dodatne

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Pro

du

ctio

n [

MW

]

Renewables Oil Pumped Hydro Gas Coal Lignite Uranium

Day twoDay one



otežavajuće okolnosti, sigurnost sustava može biti dovedena u pitanje. Na koji način sustav s visokim

udjelom obnovljivih izvora energije mijenja tradicionalni sustav moguće je načelno promotriti na

sljedećem primjeru. U Njemačkoj, 24.12.2012 u večernjim satima došlo je do nepredviđenog porasta

proizvodnje vjetroelektrana. Na sljedećoj slici prikazana je frekvencija sustava na taj dan uz

potrošnju, proizvodnju obnovljivih i proizvodnju konvencionalnih na isti dan.

Slika 14 Frekvencija interkonekcije i proizvodnja obnovljivih i konvencionalnih izvora

U trenutcima porasta proizvodnje iz vjetroelektrana evidentan je porast frekvencije uz nagle padove

koji su posljedica satnih smanjenja proizvodnje konvencionalnih izvora. Ipak ove varijacije frekvencije

nisu značajne u smislu opasnosti za sigurnost rada sustava. U slabije povezanom sustavu, ovakvo

neplanirano povećanje proizvodnje vjetroelektrana imalo bi značajnije posljedice za stabilnost

frekvencije. Važno je istaknuti da je stabilnost sustava uvijek manja noću zbog nekoliko razloga i da se

povećanje proizvodnje vjetrolektrana obično javlja tada kao i najveće pogreške u prognozi dan

unaprijed. Na temelju opisanog razmatranja moguće je istaknuti potrebu detaljnijeg istraživanja

vezanog uz utjecaj obnovljivih izvora energije na frekvenciju sustava ovisno o udjelu obnovljivih

izvora energije, prostornoj i vremenskoj raspodjeli proizvodnje, te karakteristikama sustava.

Ako se promotri proizvodnja različitih tipova elektrana u ovom razdoblju prikazana na slici 15 i izvrši

usporedba s proizvodnjom u prethodnom primjeru tradicionalnog sustava očita je veća varijabilnost

proizvodnje konvencionalnih elektrana. I ovo pitanje zahtijeva detaljniju analizu budući da predstavlja

tipičnu razliku tradicionalnih i sustava s visokim udjelom obnovljivih izvora energije.



Slika 15 Raspored elektrana prema tipu elektrana

Odstupanje proizvodnje konvencionalnih elektrana od planirane kao „odgovor“ na odstupanje

proizvodnje obnovljivih izvora energije od prognoziranih također je karakteristika sustava s visokim

udjelom obnovljivih izvora energije. Na slici 16 prikazana je prognozirana i ostvarena proizvodnja

konvencionalnih elektrana instalirane snage iznad 100MW za promatrano razdoblje.

Slika 16 Planirana i ostvarena proizvodnja konvencionalnih elektrana

Prethodni pregled pokazuje da obnovljivi izvori energije mijenjaju pogon elektroenergetskog sustava

pri čemu je taj utjecaj različit ovisno o aspektu pogona. Međutim, navedeni primjeri daju samo uvid u

navedenu problematiku kroz pojedinačne primjere. Detaljnija analiza koja uvažava različite sustave,

udjele obnovljivih izvora u sustavu i podatke za cijelu godinu dala bi kvalitetnije zaključke o utjecaju

obnovljivih na pogon sustava.

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

Pro

du

ctio

n [

MW

]

Renewables Oil Pumped Hydro Gas Coal Lignite Uranium

Day one Day two

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Pro

du

ctio

n [

MW

]

Conventional (>100MW) forecast Conventional (>100MW) actual

Day one Day two



5. Zaključak

Kroz prethodna poglavlja ukratko je dan pregled radova vezanih uz varijabilnost proizvodnje

fotonaponskih elektrana te su izvršene analize varijacija sunčevog zračenja čiji su rezultati prikazani

kroz histogram varijacija minutno i satno usrednjenog zračenja i frekvencijski spektar varijacija

sunčevog zračenja. U četvrtom poglavlju dan je pregled osnovnih aspekata pogona i vođenja

elektroenergetskog sustava na koje utječu obnovljivi izvori energije. Navedeni utjecaji se mogu sažeti

na sljedeće:

utjecaj varijacija proizvodnje obnovljivih izvora energije na frekvenciju sustava koji značajno

ovisi o veličini interkonekcije,

utjecaj varijacija proizvodnje obnovljivih izvora energije na promjene proizvodnje

konvencionalnih elektrana koje sudjeluju u primarnoj regulaciji, te

utjecaj varijacija proizvodnje obnovljivih izvora energije na sekundarnu i tercijarnu regulaciju

angažiranu u svrhu regulacije frekvencije (značajnije za izolirane sustave ili velike bilančne

grupe) i ugovorene prekogranične razmjene (značajno za sve bilančne grupe).

Takav utjecaj ima potencijalne posljedice u vidu ugroženosti sigurnosti rada sustava ali i posljedice na

ekonomičnost rada sustava. Sve navedeno je posljedica fluktuacije proizvodnje obnovljivih izvora

energije, ali i nepouzdanosti prognoze proizvodnje istih. Iako same fluktuacije nisu novost u tom

smislu, budući da one karakteriziraju i hidroenergetske sustave, karakteristike fluktuacija proizvodnje

obnovljivih izvora se uvelike razlikuju od fluktuacija u proizvodnji hidroelektrana. Primarni izvori

energije u slučaju obnovljivih izvora podrazumijevaju energiju vjetra i sunčevog zračenja. Brzina

vjetra i snaga sunčevog zračenja variraju na svim vremenskim razinama od sekundnih do sezonskih i

kao takve predstavljaju drugačiji utjecaj na pogon EES-a, nepoznat u konvencionalnim sustavima.

Iako su navedene teme predmet raznih publikacija, metodologije korištene u tim publikacijama

ostavljaju značajan prostor čvršćim zaključcima vezanim uz utjecaj obnovljivih izvora energije na

navedene aspekte. Osim metodologijom, razne publikacije oskudijevaju i komparativnim analizama

različitih sustava i statistički potkrijepljenim zaključcima. Upravo takva analiza čiji rezultati uvažavaju

različitost sustava i udjela obnovljivih izvora kao i njihovom raspodjelom vjetar/solar i čiji zaključci

uvažavaju razne neodređenosti poput prognoze proizvodnje obnovljivih izvora kao i potrošnje dan

unaprijed predstavljala bi značajan znanstveni doprinos razumijevanju ove problematike.



Literatura

[1] Z. ¸Sen, Solar Energy Fundamentals and Modeling Techniques: Atmosphere, Environment, Climate

Change and Renewable Energy, Springer London, Limited, 2008.

[2] M. Reno, C. Hansen and J. Stein, Global Horizontal Irradiance Clear Sky Models: Implementation

and Analysis, SERI/TR, Sandia National Laboratories, 2012.

[3] R. Bird, R. Hulstrom, S. E. R. Institute and U. S. D. of Energy, A Simplified Clear Sky Model for

Direct and Diffuse Insolation on Horizontal Surfaces, SERI/TR, Solar Energy Research Institute, 1981.

[4] A. Mills, M. Ahlstrom, M. Brower, A. Ellis, R. George, T. Hoff, B. Kroposki, C. Lenox, N. Miller, J.

Stein and Y. Wan, Understanding Variability and Uncertanty of Photovoltaics for Integration with the

Electric Power System, Berkley National Laboratory, Dec 2009.

[5] A. E. Curtright and J. Apt, The character of power output from utility-scale photovoltaic systems,

Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 16, 3, 241–247, 2008.

[6] A. Woyte, R. Belmans and J. Nijs, Analysing short-time irradiance fluctuations by their

characteristic time scales, Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World

Conference on, 3, 2290–2293 Vol.3, 2003.

[7] A. Murata, H. Yamaguchi and K. Otani, A method of estimating the output fluctuation of many

photovoltaic power generation systems dispersed in a wide area, Electrical Engineering in Japan, 166,

4, 9–19, 2009.

[8] J. Marcos, L. Marroyo, E. Lorenzo and M. Garcia, Power output fluctuations in large pv plants,

International Conference on Renewable Energies and Power Quality, 2012.

[9] C. Lavania, S. Rao and E. Subrahmanian, Reducing variation in solar energy supply through

frequency domain analysis, Systems Journal, IEEE, 6, 2, 196–204, 2012.

[10] S. Smith, The scientist and engineer&s guide to digital signal processing, California Technical

Publishing, 1997.

[11] W. Jewell and R. Ramakumar, The effects of moving clouds on electric utilities with dispersed

photovoltaic generation, Energy Conversion, IEEE Transactions on, EC-2, 4, 570–576, 1987.

[12] E. C. Kern and M. Russell, Spatial and temporal irradiance variations over large array fields,

Photovoltaic Specialists Conference, 1988., Conference Record of the Twentieth IEEE, 1043–1050

vol.2, 1988.

[13] V. Quaschning, Understanding Renewable Energy Systems, Earthscan, 2005.



[14] P.G. Loutzenhiser, H. Manz, F. Felsman, P.A. Strachan, T. frank and G.M. Maxwell, Empirical

validation of models to compute solar irradiance on inclined surfaces for building energy simulation,

Solar Energy, 81, 254 – 267, 2007.

[15] T.M. Klucher, Evaluation of models to predict insolation on tilted surfaces, Solar Energy, 23, 2,

111 – 114, 1979.

[16] D.L. King, J.A. Kratochivil, W.E. Boyson, W.I. Bower, Field expirience with a new performance

characterization procedure for photovoltaic arrays, Proceedings of the 2nd World Conference ans

Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, 1947 – 1952, 1998.

[17] A. Drews et al., Monitoring and remote failure detection of grid-connected PV systems based on

satellite observations, Solar Energy, 81, 548 – 564, 2007.

[18] T. Huld, R. Gottschalg, H.G. Bayer, M. Topič, Mapping the performance of PV modules, effects of

module taype and data averaging, Solar Energy, 84, 324 – 338, 2010.

[19] W.N. Macedo, R. Zilles, Operational Results of Grid-Connected Photovoltaic System With

Different Inverter's Sizing Factors (ISF), Progress in photovoltaics: research and applications, 15, 337

– 352, 2007.

[19] I.J. Perez-Arriga, C. Batlle, Impacts of intermittent renewables on electricity generation system

operation, Economics of Energy and Environmental Policy, 1, 2, 2012.

[20] M. Milligan et. al., Operating reserves and wind power integration: An international comparison,

Progress in photovoltaics: research and applications, 9th Annual International Workshop on Large-

Scale Integration of Wind Power into Power Systems, Quebec, Canada, 2010.

Documents

Varijabilnost proizvodnje fotonaponske elektrane ...intranet.fesb.hr/Portals/0/docs/nastava/kvalifikacijski/Kvalifikacijski_ispit_Josip... · Varijabilnost proizvodnje fotonaponske