W tym artykule postaramy się przybliżyć problem pomiarów meteorologicznych w odniesieniu do wydajności instalacji fotowoltaicznych. Przykładowe rozwiązanie sprzętowe do oceny wyników systemu fotowoltaicznego opracowaliśmy w oparciu o wymagania normy PN-EN 61724-1 Wydajność systemu fotowoltaicznego -- Część 1: Monitorowanie.

O pomiarach instalacji fotowoltaicznych pod kątem bezpieczeństwa, oceny efektywności i lokalizacji przykładowych usterek pisaliśmy w poprzednich artykułach:

• Badanie bezpieczeństwa i efektywności instalacji fotowoltaicznych zgodnie z normą PN-EN 62446 cz. 1
• Badanie bezpieczeństwa i efektywności instalacji fotowoltaicznych zgodnie z normą PN-EN 62446 cz. 2 - Testy kat. 1
• Badanie bezpieczeństwa i efektywności instalacji fotowoltaicznych zgodnie z normą PN-EN 62446 cz. 3 - Testy kat. 2
• Ocena pracy i efektywności instalacji PV oraz lokalizacja ewentualnych problemów
• Analiza poprawności pracy stringu fotowoltaicznego - Studium przypadku
• Kamery termowizyjne a pomiary instalacji fotowoltaicznych

Dzisiaj nikt już nie ma wątpliwości, że to Słońce jest najbardziej obiecującym źródłem energii odnawialnej. Ogromny rozwój fotowoltaiki pobudził badania i postęp w przemyśle solarnym, dzięki czemu zmieniło się również podejście do konserwacji istniejących systemów. Aby uzyskać maksymalny zysk z energii słonecznej, wymagana jest najwyższa precyzja, w tym również odpowiednia dokładność wykorzystywanych urządzeń pomiarowych.

Monitorowanie parametrów pracy i odpowiednia konserwacja są kluczem do zapewnienia wysokiej wydajności systemu fotowoltaicznego przez długie lata. Stąd tak ważny jest dobór właściwych przyrządów pomiarowych już na etapie projektowania systemu. W dalszej części artykułu znajdują się przykłady zastosowań urządzeń do monitorowania warunków atmosferycznych firmy Delta OHM.

1. Wydajność systemu PV

Wydajność systemu fotowoltaicznego określa się za pomocą współczynnika wydajności PR (ang. Performance ratio), który jest stosunkiem rzeczywistej i maksymalnej możliwej mocy wyjściowej:

gdzie:

Współczynnik PR jest ważnym parametrem jakościowym, który świadczy o kondycji całego systemu PV. Ukazuje on ogólny wpływ strat na moc systemu, spowodowanych zarówno temperaturą paneli, jak i niesprawnością lub awarią komponentów systemu, w tym elementów równoważących BOS (ang. Balance of system).

Nie wchodząc głębiej w szczegóły formuł przedstawionych w normie, już na pierwszy rzut oka widać jak mocno ocena wydajności systemu PV jest zależna od wartości natężenia promieniowania słonecznego (irradiancji). Oczywiście najważniejszym parametrem interesującym użytkowników i właścicieli instalacji fotowoltaicznych jest jej rzeczywisty uzysk, czyli ilość energii wyprodukowanej przez system w określonym czasie. Jednak do oceny wydajności systemu czy kontroli poprawności pracy niezbędne jest monitorowanie pozostałych wielkości, w tym m.in. warunków atmosferycznych.

2. Klasyfikacja systemu monitorowania

Norma PN-EN 61724-1 definiuje trzy klasy systemów monitorowania stosownie do różnego poziomu dokładności i różnych zastosowań:

• Klasa A - dokładność wysokiej klasy
• Klasa B - średniej klasy dokładność
• Klasa C - dokładność podstawowa

System monitorowania powinien być dostosowany do wielkości instalacji fotowoltaicznej i wymagań użytkownika. Klasa A lub B jest najbardziej odpowiednia dla dużych instalacji przemysłowych i komercyjnych, natomiast klasa B lub C sprawdzi się przy instalacjach mieszkaniowych i mniejszych instalacjach komercyjnych. Najprościej ujmując, większe i droższe systemy PV powinny mieć więcej punktów monitorowania i czujniki o wyższej dokładności niż mniejsze i tańsze systemy.

W normie zaznaczono jednak, że użytkownik może samodzielnie określić klasyfikację odpowiednią do jego zastosowań, niezależnie od wielkości systemu PV. To od niego zależy
dokładność i złożoność wdrożonego systemu monitorowania.

Tabela 1. Klasyfikacja systemów monitorowania i sugerowane zastosowania

3. Mierzone parametry

W tabeli nr 3 ww. normy przedstawiono listę mierzonych grup parametrów: irradiancji, czynników środowiskowych, systemu trackerów solarnych i mocy elektrycznej. Zawarte zostały wymagania odnośnie liczby i dokładności zastosowanych czujników, w zależności od klasy systemu monitorowania. W tym artykule skupimy się przede wszystkim na wymaganiach stawianych pomiarom natężenia promieniowania słonecznego i odpowiednich wielkości meteorologicznych.

Tabela 2. Wybrane mierzone parametry irradiancji i czynników środowiskowych w zależności od klasy systemu monitorowania.

Oznaczenie:
✓ - wymagany parametr, który należy mierzyć na miejscu
E - parametr, który może być oszacowany na podstawie lokalnych danych
meteorologicznych lub satelitarnych
Puste komórki - wskazują parametry opcjonalne, które mogą być mierzone ze względu na szczególne wymagania systemowe lub w celu spełnienia specyfikacji projektu

4. Mierzone parametry i rodzaje czujników

Najbardziej znaczący i bezpośredni wpływ na wydajność systemu fotowoltaicznego mają:

• Napromienienie w płaszczyźnie paneli odbierane przez moduły PV
• Temperatura paneli PV
• Straty wynikające z zacienienia spowodowane zabrudzeniem lub śniegiem

Monitorowanie parametrów środowiskowych pomaga niezależnie oszacować niektóre z powyższych czynników. Umożliwia porównanie z historycznymi danymi meteorologicznymi dla danego miejsca, a także może pomóc w identyfikacji problemów związanych z projektowaniem lub konserwacją systemu.

Natężenie napromienienia

Natężenie napromienienia w płaszczyźnie paneli PV (Gi) mierzy się za pomocą czujnika irradiancji o polu widzenia co najmniej 160°, zamontowanego równolegle do modułów. Pomiar natężenia napromienienia poziomego całkowitego (GHI) wykonuje się za pomocą czujnika irradiancji zorientowanego poziomo. Są one przydatne do porównania z historycznymi danymi meteorologicznymi.

Jako odpowiednie czujniki do pomiaru irradiancji w normie wymieniono poniższe urządzenia:

• Pyranometr z czujnikiem termoelektrycznym (ang. thermopile)
• Ogniwo fotowoltaiczne referencyjne
• Fotodioda

W poniższej tabeli znajdują się odpowiednie typu czujników, w zależności od klasy dokładności systemu monitorowania.

Tabela 3. Wymagania dotyczące czujników irradiancji.

Każdy z powyższych typów czujników irradiancji posiada zarówno zalety jak i wady.

Pyranometry z czujnikiem termoelektrycznym są niewrażliwe na typowe zmiany widmowe dzięki czemu mierzą całkowite natężenie promieniowania słonecznego. Może się to jednak różnić od natężenia napromienienia używanego przez system PV o 1% do 3% (średnio miesięcznie) w typowych warunkach. Ponadto pyranometry termoelektryczne mają długi czas odpowiedzi w porównaniu z ogniwami PV i fotodiodami.

Dopasowane ogniwa referencyjne mierzą użyteczną dla ogniw PV część natężenia promieniowania słonecznego, która koreluje z monitorowaną mocą systemu. Może to jednak odbiegać od danych historycznych lub pomiarów meteorologicznych natężenia napromienienia (zależnie od stosowanych przyrządów).

Czujniki fotodiodowe mają znacznie niższy koszt niż pozostałe dwa typy i są odpowiednie dla mniejszych lub tańszych systemów. Zazwyczaj są jednak mniej dokładne od pozostałych typów sond irradiancji.


Obsługa i konserwacja czujników irradiancji

Tabela 4. Wymagania dotyczące konserwacji czujników natężenia napromienienia

Norma zaleca, aby ponowne wzorcowanie czujników było przeprowadzone na miejscu, w celu zminimalizowania czasu, w którym sondy są wyłączone z użycia. W przypadku, gdy czujniki muszą być odesłane do laboratorium, system powinien być wyposażony w czujniki zapasowe. Mają one za zadanie zastąpić przyrządy wysłane na wzorcowanie, aby zapobiec przerwaniu monitorowania.

Czyszczenie czujników natężenia napromienienia bez równoczesnego czyszczenia modułów może skutkować obniżeniem zmierzonego współczynnika wydajności systemu PV. W niektórych przypadkach wymagania kontraktowe mogą określać, że czujniki natężenia napromienienia muszą być utrzymywane w takim samym stanie czystości jak moduły.


Czynniki środowiskowe

Bezpośredni wpływ na obniżenie wydajności systemu PV ma stan w jakim znajdują się panele, w szczególności ich zacienienie/zabrudzenie i temperatura. Ta ostatnia ma szczególnie duże znaczenie przy pomiarze mocy. Niektóre panele tracą od 0,3 do 0,5% mocy na każdy 1K wzrostu temperatury powyżej standardowych 25°C. Mierzy się ją w celu określenia strat związanych ze wzrostem temperatury.

Na temperaturę ogniw wpływa temperatura powietrza w otoczeniu, natężenie napromienienia i prędkość wiatru. Temperatura modułu rośnie wraz ze wzrostem promieniowania słonecznego, a temperatura modułu staje się wyższa niż temperatura otoczenia.

Temperatura modułu PV

Temperatura panelu fotowoltaicznego jest mierzona za pomocą czujnika temperatury przymocowanego do tylnej części jednego lub więcej modułów. Błąd pomiarowy czujnika temperatury powinien wynosić ⩽ 2°C. Czujniki temperatury należy wzorcować w zależności od klasy systemu z częstotliwością:

• Klasa A - raz na 2 lata
• Klasa B - zgodnie z zaleceniami producenta
• Klasa C - nie dotyczy

Temperatura powietrza

Pomiar temperatury powietrza pozwala na ocenę wydajności w odniesieniu do standardowych warunków STC. Umożliwia on również na porównanie z danymi historycznymi i w niektórych przypadkach na oszacowanie temperatur modułów. Temperaturę powietrza mierzy się w miejscach reprezentatywnych dla warunków otoczenia paneli za pomocą czujników umieszczonych w osłonach przeciwsłonecznych. Powinny one umożliwiać swobodny przepływ powietrza.

Czujniki temperatury powinny mieć rozdzielczość pomiarową ⩽ 0,1°C i maksymalną niepewność na poziomie ±1 °C. Powinny być umieszczone w odległości co najmniej 1 m od najbliższego modułu PV i w miejscach, w których nie będą na nie działały inne źródła ciepła, takie jak wyloty powietrza z falowników lub, asfalt lub materiały dachowe itp. Podobnie jak czujniki temperatury paneli powinny być poddawane wzorcowaniu w zależności od klasy systemu:

• Klasa A - raz na 2 lata
• Klasa B - zgodnie z zaleceniami producenta
• Klasa C - nie dotyczy

Prędkość i kierunek wiatru

Parametry prędkości i kierunku wiatru nie mają bezpośredniego wpływu na działanie instalacji PV, ale są wykorzystywane do oceny wpływu ruchu powietrza na temperaturę powierzchni paneli. Powszechnie wiadomo, że ruch mas powietrza wpływa na obniżenie temperatury ogniw fotowoltaicznych. Ponadto, dane te są wykorzystywane w instalacjach PV w celu ostrzegania o możliwym niebezpieczeństwie lub do dokumentacji związanej z uszkodzeniami spowodowanymi przez wiatr.

Prędkość i kierunek wiatru należy mierzyć w miejscu reprezentatywnym dla warunków całego układu paneli. Anemometr nie powinien zacieniać modułów o żadnej porze dnia i powinien być umieszczony w miejscu odpowiednio oddalonym od przeszkód. Niepewność pomiaru wiatromierza powinna wynosić ⩽ 0,5 m/s dla prędkości wiatru do 5 m/s i ⩽ 10% odczytu dla prędkości wiatru większej niż 5 m/s.

Niezależnie od klasy systemu czujniki prędkości wiatru powinny być wzorcowane zgodnie z zaleceniami producenta.

Opady atmosferyczne

Znajomość ilości opadów deszczu może być wykorzystywana do oszacowania czystości modułów PV. Jest to szczególnie przydatne gdy nie jest mierzona wartość wskaźnika zabrudzenia paneli. Pomiary opadów śniegu mogą być wykorzystane do oszacowania strat spowodowanych zacienieniem przez śnieg.

5. Rozwiązanie sprzętowe z wykorzystaniem urządzeń firmy Delta OHM

W celu otrzymania wiarygodnych wyników i prowadzenia długotrwałych badań, istotną kwestią jest dobór odpowiednich przyrządów pomiarowych. Najwyższa precyzja urządzeń pozwala zmaksymalizować zysk z energii słonecznej. W tym celu warto wybrać produkty najwyższej jakości.

Firma Delta OHM oferuje rozwiązania pomiarowe cechujące się wysoką jakością i niezawodnością w każdych warunkach. W ciągu 40 lat swojego istnienia Delta OHM stała się jednym z wiodących innowatorów w dziedzinie meteorologii. Ich produkty cieszą się międzynarodową renomą i są z powodzeniem używane na całym świecie.

Pyranometry Delta OHM są standaryzowane zgodnie z normą ISO 9060, która jest również przyjęta przez Światową Organizację Meteorologiczną (WMO).

Tabela 5. Rozwiązania pomiarowe na przykładzie urządzeń Delta OHM.

6. Laboratoria Delta OHM

Bezpieczeństwo, precyzję i stabilność urządzeń Delta OHM zapewnia centrum kalibracji, które składa się z sześciu nowoczesnych laboratoriów. Dzięki stosowaniu najnowocześniejszych technologii wszystkie laboratoria uzyskały zarówno certyfikat ISO 17025, jak i stały się częścią międzynarodowego systemu akredytacji ILAC-MRA (ilac-MRA ACCREDIA LAT nr 124). Laboratoria Delta OHM posiadają akredytację dla następujących wielkości fizycznych: temperatura, wilgotność, ciśnienie, prędkość powietrza, dźwięk oraz fotometria i radiometria.

Firma Merserwis zapewnia wsparcie serwisowe i techniczne dostarczanej aparatury Delta OHM które obejmuje także wzorcowanie i serwis bezpośrednio na obiektach w terenie.

Zapraszamy do kontaktu wszystkich zainteresowanych rozwiązaniami do pomiarów warunków atmosferycznych przy ocenie wydajności systemów fotowoltaicznych. Zachęcamy do zapoznania się z produktami z naszej oferty przyrządów meteorologicznych, w tym autonomicznych stacji meteorologicznych, deszczomierzy, anemometrów ultradźwiękowych, pyranometrów i innych.