Ποια αναλογία DC/AC είναι η βέλτιστη για εμπορικές ηλιακές εγκαταστάσεις;

Εικόνα: About electric

Γράφει ο Βαγγέλης Ιωάννου, ηλεκτρολόγος μηχανικός στη Wattcrop

Τι είναι η αναλογία DC/AC
Η αναλογία DC/AC ενός ηλιακού σταθμού θεωρείται ως η εγκατεστημένη DC ισχύς των φωτοβολταϊκών μονάδων σε σχέση με την AC ισχύ των αντιστροφέων στους οποίους είναι συνδεδεμένες οι μονάδες. Τα τελευταία χρόνια, η αναλογία αυτή αυξάνεται λόγω της πτώσης των τιμών των φωτοβολταϊκών πλαισίων και των βελτιωμένων τεχνικών των αντιστροφέων που αξιοποιούν τη διαθέσιμη χωρητικότητα του δικτύου.

Διαστασιολόγηση ηλιακών εγκαταστάσεων
Η μέγιστη ισχύς DC της φωτοβολταϊκής μονάδας που αναφέρεται στο φύλλο δεδομένων (STC) συνήθως δεν τηρείται σε πραγματικές συνθήκες. Για να γίνουμε πιο συγκεκριμένοι, οι συνθήκες STC αναφέρονται σε ακτινοβολία 1000W/m2 με θερμοκρασία κυψέλης 25οC, που σημαίνει θερμοκρασία περιβάλλοντος 0οC. Επομένως, η ισχύς εξόδου της μονάδας αυξάνεται όταν πληρούνται συνθήκες υψηλότερης ακτινοβολίας με χαμηλότερη θερμοκρασία. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα μετεωρολογικά δεδομένα της τοποθεσίας είναι ζωτικής σημασίας πληροφορία για τον σχεδιαστή.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, οι σχεδιαστές υποδιαστασιολογούν την ισχύ AC του αντιστροφέα σε σύγκριση με την ισχύ DC της φωτοβολταϊκής μονάδας, προκειμένου να καλύψουν αυτή τη διαφορά. Η βέλτιστη αναλογία θα βελτιστοποιήσει το έργο.

Γιατί και πώς κουμπώνουν οι αντιστροφείς;

Κάθε αντιστροφέας έχει μια μέγιστη ονομαστική ισχύ την οποία δεν θα υπερβεί ποτέ. Επομένως, κατά τις περιόδους που η παραγόμενη DC ισχύς γίνεται υψηλότερη από την ονομαστική AC ισχύ του αντιστροφέα, ο αντιστροφέας θα αυξήσει την τάση λειτουργίας της συστοιχίας μονάδων για να την τραβήξει έξω από το σημείο μέγιστης ισχύος και να μειώσει την DC ισχύ. Η απώλεια ισχύος σε αυτή την περίπτωση είναι Pmpp-Pnom,dc.

Σε περίπτωση που η τάση αυτού του σημείου λειτουργίας Pnom,dc είναι μεγαλύτερη από την τάση Vmpp,max του αντιστροφέα, δεν θα υπάρχει δυνατό σημείο λειτουργίας με την εκπλήρωση και των δύο προϋποθέσεων (Pnom,dc και Vmpp,max). Συνεπώς, ο αντιστροφέας θα πρέπει να σταματήσει σε αυτή την περίπτωση.
Σε μια τέτοια κατάσταση, η λύση είναι είτε η μείωση του λόγου DC/AC είτε ο σχεδιασμός του έργου με την εισαγωγή συστήματος αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας (BESS), ειδικά όταν εφαρμόζονται όρια/περιορισμοί δικτύου.

Περικοπή απωλειών
Όταν η ισχύς των φωτοβολταϊκών μονάδων είναι υψηλότερη από τη μέγιστη ισχύ εξόδου AC του μετατροπέα, ο μετατροπέας μας ψαλιδίζει την ισχύ Pmpp-Pnom,dc, που ονομάζεται απώλειες ψαλιδισμού. Οι απώλειες περικοπής εμφανίζονται τις πιο ηλιόλουστες ημέρες του έτους και συνήθως κατά τους καλοκαιρινούς μήνες. Λαμβάνοντας υπόψη την υποβάθμιση των φωτοβολταϊκών μονάδων, οι απώλειες ψαλιδισμού είναι υψηλότερες όταν ξεκινούν τα συστήματα και θα μειωθούν με την πάροδο του χρόνου.
Εδώ υπάρχουν δύο (2) παράμετροι που σχετίζονται με την αναλογία DC/AC:
– Η αύξηση της αναλογίας DC/AC θα οδηγήσει σε απώλειες αποκοπής.
– η αύξηση της αναλογίας DC/AC οδηγεί σε υψηλότερη ονομαστική τιμή DC, οπότε κάθε φορά που λειτουργεί ο αντιστροφέας παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι θα παρήγαγε με χαμηλότερη αναλογία DC/AC.

Επομένως, όπως απεικονίζεται στην παρακάτω εικόνα, ο σχεδιαστής πρέπει να εξισορροπήσει μεταξύ των παραπάνω παραμέτρων (μεταξύ των απωλειών αποκοπής και της πλεονάζουσας ενέργειας που παράγεται εκτός του παραθύρου αποκοπής) και να καθορίσει ποιο είναι το πιο επωφελές σενάριο για τον πελάτη.
Επίσης, με αυτόν τον τρόπο η καμπύλη ισχύος των φωτοβολταϊκών ισοπεδώνεται ώστε να πλησιάσει την καμπύλη ζήτησης φορτίου και να βοηθήσει την ενσωμάτωση περισσότερων ηλιακών σταθμών στο δίκτυο.

Συνιστώμενη αναλογία DC/AC
Σε γενικές γραμμές, η βέλτιστη αναλογία DC/AC μπορεί να διαφέρει ανάλογα με τα μετεωρολογικά δεδομένα της τοποθεσίας. Σύμφωνα με την Υπηρεσία Πληροφοριών Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών (EIA), παρατηρείται αύξηση του λόγου τα τελευταία χρόνια, όπως φαίνεται παρακάτω:

Οι παράμετροι για τη χορήγηση της βέλτιστης αναλογίας για μια συγκεκριμένη εφαρμογή μπορούν να θεωρηθούν ως εξής:
– Μετεωρολογικά δεδομένα της περιοχής
– Τοπογραφία της περιοχής
– Απώλειες αποκοπής
– Ενέργεια που κερδίζεται μέσω υπερδιαστασιολόγησης
– Περικοπές ή όρια δικτύου
– Επιλεγμένες προδιαγραφές εξοπλισμού
– Οικονομικές παράμετροι
Για μια τοποθεσία στην Ελλάδα, υποθέτοντας ότι δεν υπάρχουν περιορισμοί στο δίκτυο, οι απώλειες περικοπής λόγω της υψηλότερης αναλογίας DC/AC (λαμβάνοντας υπόψη την ενέργεια που κερδίζεται μέσω υπερδιαστασιολόγησης) απεικονίζονται παρακάτω: