Hybridní soustava větrné elektrárny a solárních fotovoltaických článků

Vítr/fotovoltaika - samostatný zdroj elektrické energie
Solární energie záření je zdrojem veškeré energie země a je přijímána v každém zákoutí světa. Pro různé tvary povrchu a topologie (například písek, stromoví a voda) je faktor absorpce tepla jiný, což zapříčiňuje teplotní diference na povrchu země a způsobuje konvekční proudění vzduchu - vítr. Solární energie záření a energie větru jsou tudíž komplementární z hlediska času a oblastí. Ve dne, kdy je sluneční záření silné, je vítr slabý. Při západu slunce je sluneční záření slabé, ale vítr zesílí vlivem větších teplotních rozdílů na povrchu země. V létě je sluneční záření silné a vítr slabý, v zimě je pak sluneční záření slabé a vítr silnější. Komplementárnost mezi solární energií záření a energií větru vytváří z hlediska časové sekvence nejlepší podmínky pro kombinaci - hybrid vítr/fotovoltaika k využití solární energie jako energetického zdroje v dané lokalitě.

Fotovoltaický systém
Fotovoltaický systém přímo přeměňuje solární záření na energii elektrickou pomocí solárních panelů, které nabíjejí baterie. Stejnosměrný proud z baterií prochází střídačem a dále je již do spotřebičů dodáván proud střídavý. Výhodou tohoto systému je velká spolehlivost a malé náklady na údržbu, nevýhodou je vysoká cena.

Větrný systém
Větrný systém přeměňuje energii větru na elektrickou prostřednictvím generátoru a vzniklý proud nabíjí baterie. Spotřebiče dále odebírají střídavý proud přes střídač. Výhodou tohoto systému je možnost vyšší produkce elektrického výkonu, nižší cena a nižší náklady na údržbu. Nevýhodou je nižší spolehlivost zařízení této výkonové třídy. Společnou nevýhodou jak větrného, tak i fotovoltaického systému je časová neurčitost elektrického výkonu zdroje, která vede k nerovnováze mezi výrobou elektrické energie a požadavky spotřebičů v daném časovém okamžiku. Vzájemně komplementární hybridní větrný/fotovoltaický systém tuto časovou neurčitost do jisté míry kompenzuje. Přesto je nutné do celé soustavy zařadit zásobník elektrické energie, obvykle bloky baterií. Jejich kapacita musí zabezpečit po určitou dobu i provoz autonomní, tj. v době, kdy hybridní systém žádnou elektrickou energii nedodává. Významnou charakteristikou hybridních systémů využívajících energii slunečního záření v podstatě bez energetických převodních mezičlánků je skutečnost, že emise škodlivých plynů, a zvláště potom skleníkových, jsou nulové.

¤ Obr. 1. Prvky a jejich vzájemné vazby v hybridním systému. Zdroj: prezentace společnosti J. Bornay [1].

Hybridní elektrický zdroj pro rodinný dům
Významnou aplikací hybridního zdroje je dodávka elektrické energie pro rodinný dům [1], viz obr. 2. Níže uvedené údaje takovouto soustavu ilustrují. Roční průměrná spotřeba a dodávka elektrické energie je obvykle vyjadřována ve Wh/den.

Naznačené spotřebiče odebírají:	6238 Wh/den
Dodávka větrného systému Inclin 1500:	2695 Wh/den
Dodávka solárních fotovoltaických panelů:	4600 Wh/den
Dodávka hybridního systému celkem:	7295 Wh/den
Kapacita baterií pro třídenní autonomní provoz:	897 Ah

Stavba s nulovým příjmem energie z vnějších zdrojů
Rodinný dům vybavený tepelným čerpadlem, kde je jedinouformou energie odběr z rozvodné elektrické sítě, je vhodným uspořádáním pro konverzi na objekt s nulovým příjmem energie z vnějších zdrojů - Zero Energy House. Místo rozvodné sítě je dům vybaven lokálním hybridním vítr/fotovoltaickým elektrickým zdrojem. Jako příklad pro takovýto konverzní postup může sloužit rodinný dům s tepelným čerpadlem. Průměrná roční, měsíční a denní spotřeba elektrické energie je podle zaznamenaných dat uvedena v tab. 1.

Rok	kWh/rok	kWh/měs.	kWh/den
2004	24 136	1 980	66
2005	22 251	1 830	61
2006	16 026	1 320	44
2007	22 441	1 860	62

¤ Tab. 1. Průměrna ročni, měsični a denni spotřeba elektricke energie

Pro krytí objektem požadovaného elektrického příkonu je vybrána malá větrná elektrárna s nominálním elektrickým výkonem 12 kW [2], v kombinaci se solárními fotovoltaickými články s nominálním výkonem 6 kW.

¤ Obr. 2.
A - větrna elektrarna generuje elektrickou energii z energie větru. Vyběr vykonů se měni podle potřeb pro danou instalaci.
B - baterie skladuji energii vyprodukovanou větrnou elektrarnou a solarnimi fotovoltaickymi panely, ktera je potom k dispozici podle okamžitych potřeb. Doporučuje se, aby kapacita baterii byla dostatečna pro autonomni provoz po dobu nejmeně tři dnů.
R - regulator řidi produkci elektricke energie větrnym a fotovoltaickym systemem. Dale řidi stav nabiti baterii, chrani baterie před přebijenim a nepřipustnym odběrem.
I - střidač měni skladovanou stejnosměrnou elektrickou energii na standardni střidavy proud 220 V. Může byt integrovan s řizenim nabijeni baterii i z externiho střidaveho zdroje, např. dieselagregatu.
Ps - solarni panely generuji elektrickou energii ze slunečniho zařeni, a tudiž jejich využiti je omezeno na dobu denniho světla. V kombinaci s větrnou elektrarnou umožňuji teměř stabilni produkci elektricke energie v průběhu roku. Počet solarnich panelů a jejich vykon zavisi na celkove potřebne energii pro danou instalaci.

Větrná elektrárna
Elektrický výkon větrné elektrárny se v podstatě mění se třetí mocninou rychlosti větru. Tato závislost je přesněji charakterizována výkonovou křivkou. Pro vybranou větrnou elektrárnu [2] tvar výkonové křivky naznačuje (viz obr. 4), že i při malých rychlostech větru kolem 5-6 ms-1 lze očekávat elektrický výkon vyšší než 2 kW.
Větrná elektrárna je umístěna na pozemku rodinného domu. Stožár je samonosný a je tvořen silnostěnnou trubkou, která je zakotvena v betonových základech.
Klíčovou veličinou pro danou lokalitu je rychlost větru. Publikace [3] uvádí rozbor větrných podmínek v ČR. Jsou zde prezentovány roční průměry rychlosti větru v různých lokalitách, obvyklé je uvádět rychlosti větru měřené ve výšce 10 m nad povrchem. V tomto rozboru jsou hodnoty jak referenční, tak i pro oblasti, kde je větrno.
Lze zjistit, že při proudění větru podél horizontálního povrchu se rychlost větru zvětšuje s výškou od povrchu vlivem vytvořené mezní vrstvy. Je proto výhodné umístit osu rotoru co nejvýše. Pro malé větrné elektrárny je obvykle doporučován limit 35 m. Podle údajů publikace [3] a s uvažováním turbulence způsobené okolními překážkami proudění lze očekávat rychlosti větru podle tab. 2.

Oblast	Výška osy rotoru		Parametry Weibull
	10 m	35 m	Měřítko	Tvar
Reference	4,66 m/s	5,63 m/s	6,1 m/s	2,0
Větrno	5,21 m/s	6,63 m/s	7,3 m/s	1,8

¤ Tab. 2. Očekavana rychlost větru

Roční průměrný elektrický výkon větrné elektrárny je úměrný součinu druhé mocniny průměru rotoru a třetí mocniny rychlosti větru v ose rotoru. Průměr rotoru vybrané větrné elektrárny je 7 m. Lze očekávat, že roční průměrný výkon a denní produkce elektrické energie budou následující [2]:

Referenční hodnoty:	1,63 kW 39 kWh/den
Větrno:	2,67 kW 64 kWh/den

Vlivem změn rozložení teplot povrchu země, které jsou hnacím faktorem větru, se v zimním a letním období rychlosti větru v dané lokalitě mění. V zimě vane vítr silněji, v létě slaběji. Těmto podmínkám odpovídá i výkon větrné elektrárny. Pro kvantifikaci trendů tohoto jevu je využit záznam výroby elektrické energie v jednotlivých měsících roku větrných elektráren ENERCON E-40, které jsou instalovány v Jindřichovicích pod Smrkem [4] - viz graf na obr. 6. Použitím poměru ročního průměru k měsíční výrobě elektrické energie lze odhadnout rozložení kWh/den pro vybranou větrnou elektrárnu a uvažované větrné podmínky podle tab. 3.

¤ Obr. 3. Spotřeby a zdroje elektrické energie rodinného domu s tepelným čerpadlem

¤ Obr. 4. Graf zavislosti vykonu (W) větrne elektrarny na rychlosti větru (ms-1)

¤ Obr. 6. Větrné elektrárny Enercone E-40/6.44/63 (600 kW). Ekonomická bilance 2004, Jindřichovice pod Smrkem.

Solární fotovoltaické články
Druhým zdrojem elektrické energie jsou solární fotovoltaické články. Sluneční záření - tok fotonů - dopadá na velkoplošnou diodu s PN přechodem. Přitom jsou generovány elektricky nabité částice (pár elektron-díra). Elektrony (-) a díry (+) jsou separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu, a tak vzniká napěťový rozdíl mezi předním (-) a zadním (+) kontaktem článku. Vnějším zátěžovým obvodem zapojeným mezi kontakty protéká stejnosměrný elektrický proud, který je úměrný intenzitě slunečního záření. Tímto mechanizmem dochází k přímé přeměně slunečního záření na elektrický proud.
Na povrch České republiky dopadá sluneční záření s průměrnou intenzitou 800 Wm-2 v závislosti na lokalitě a klimatických podmínkách [3]. Pro uvažovanou aplikaci je účelné využít nejvíce propracovanou technologii výroby článků, tj. na bázi krystalického křemíku. Energetická účinnost přeměny slunečního záření na energii elektrickou je u těchto článků 14 až 17 %. Při patnáctiprocentní energetické účinnosti tudíž lze pro odhad potřebných ploch panelů uvažovat s měrným výkonem 120 Wm-2.
Napěťový rozdíl článku má hodnotu přibližně 0,5 V. Sériovým propojením více článků lze získat napětí, které je již použitelné v různých typech fotovoltaických systémů (obvykle jde o napětí 12, 24 a 48 V). Paralelním propojením skupin se zvyšuje proud.
Obvyklé uspořádání vychází z článku (cell), přes moduly (modules) na panely (array). Dále uvedený náčrt ilustruje řazení a rozměry Introduction to Photovoltaic Systems, viz obr. 5 [5].

¤ Obr. 5. Solarni fotovoltaicke članky

Pro požadovaný průměrný výkon solárních panelů 6 kW lze stanovit jejich potřebnou ozařovanou plochu podle doporučení Wind/Photovoltaic Hybrid Power Systems, [6].
Tedy:
6000/(0,85x120) = 60 m2

Vzhledem k tomu, že efektivní ozařovaná plocha panelu o rozměrech 1,5x2 m je asi 1 m2 bude potřebné instalovat 60 panelů. Vhodnou konfigurací je vybudování samostatného přístřešku, kde je střecha tvořena pěti řadami panelů - v každé řadě po dvanácti kusech - takže rozměry přístřešku jsou následující:
12x1,5 = 18 m a 5x2,0 = 10 m

Výhodou této konfigurace je možnost příznivého nasměrování, vzhledem k dopadajícím paprskům v dané lokalitě a sklonu ozařované plochy. Poznámka: V přístřešku se vytvoří dostatečný prostor pro umístění baterií určených pro skladování elektrické energie.
Pro stanovení generované elektrické energie solárními fotovoltaickými panely lze uvažovat s roční dobou trvání osvitu 2000-2200 hodin [6]. Při nominálním výkonu 6 kW bude tudíž průměrná denní produkce elektrické energie:
6,0x24x0,22 = 31,68 kWh/den

¤ Obr. 9. Uspořadani solarnich fotovoltaickych panelů stavby

Při změně intenzity ozáření se mění elektrický výkon solárního panelu téměř lineárně. To ilustruje analýza prezentovaná v [7]. Pro referenční hodnotu solární radiace 1000 W/m2 ukazuje níže uvedený graf závislost výkonu panelu - nominální výkon 3,36 kW - na relativní efektivní solární radiaci pro různé teploty PN přechodu viz graf na obr. 7.

¤ Obr. 7. Graf relativní efektivní solární radiace pro různé teploty PN přechodu

Publikace [3] uvádí potenciál možností instalace solárních fotovoltaických panelů v České republice. Zde se zjišťuje, že největší oblast pro využití těchto systémů je v obytných budovách. V případě rodinných domů bylo počítáno s tím, že na každém ze 70 % všech objektů bude nainstalován výkon 5 kW. Měsíční objemy elektrické energie vyrobené těmito systémy o celkovém možném výkonu 20 MW jsou naznačeny viz graf na obr. 8.

¤ Obr. 8. Měsíční objemy el. energie vyrobené systémy elektrovoltaických panelů o celkovém možném výkonu 20 MW

Údaje uvedené v grafu lze též využít po normalizaci pro odhad distribuce výroby elektrické energie v průběhu roku. Tudíž pro roční průměrnou produkci 31,68 kWh/den budou hodnoty v jednotlivých měsících podle tab. 3.

Měsíc	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Větrné podmínky
Reference	60,0	52,4	41,9	24,8	31,0	28,5	21,1	27,6	34,1	38,4	53,0	54,8
Větrno	98,3	86,0	68,4	40,7	50,7	46,8	34,6	45,3	56,0	63,0	86,8	90,0

¤ Tab. 3. Elektricka energie (kWh/den) vyrobena v jednotlivych měsicich

Elektrická energie produkovaná hybridním systémem
Hodnoty umožňují zpracovat měsíční průměry denní produkce elektrické energie hybridním systémem větru a fotovoltaiky. Větrné podmínky okolí jsou uvažovány jak referenční, tak i větrno [3] viz graf na obr. 10.

¤ Obr. 10. Měsični spotřeby a produkce el. energie

Graf též uvádí průměrné roční hodnoty spotřeby elektrické energie posuzovaného rodinného domu vyjádřené v jednotkách kWh/den. Graf zdánlivě naznačuje, že dodávka elektrické energie hybridním systémem má dostatečnou rezervu oproti požadovaným hodnotám. Zde je nutné uvážit, že elektrický příkon tepelného čerpadla se v průběhu roku podstatně mění. Průměrný příkon pro daný typ instalovaného tepelného čerpadla je v tabulce spotřebičů v průběhu dne ohodnocen šesti provozními hodinami. K vyhodnocení skutečné spotřeby pro konkrétní rodinný dům v průběhu celého roku je potřebné podrobnější posouzení časových záznamů. V uvažované instalaci jedna provozní hodina představuje 5,4 kWh.

Zásobník elektrické energie
Vzhledem k již zmíněnému časovému nesouladu mezi výrobou a potřebou elektrické energie je nutné zajistit energetický zásobník - Energy Storage. Pro posuzovanou instalaci jsou použity baterie. Uvažuje se, že kapacita baterií by měla zajistit autonomní provoz, tj. bez dodávky elektrické energie z hybridního systému, po dobu tří dnů. Při denní průměrné spotřebě energie 70 kWh to znamená 210 kWh. Za předpokladu, že napětí na výstupu větrného i fotovoltaického systému je 48 V, budou hodnota stejnosměrného proudu a kapacita baterií:

70/24 = 2,92 kW => 3000 W/48 V = 62,5 A
62,5x24x3 = 4500 Ah

Napětí používaných baterií bývá 2 V, 6 V, 12 V. Při napětí 12 V bude nutné zapojit do bloku čtyři baterie do série na výstupní napětí 48 V. Při výběru baterií od společnosti J. Bornay [1] s kapacitou 210 Ah a napětí 12 V bude kapacita bloku 840 Ah. V tomto případě bude pro celkovou kapacitu 4500 Ah nutné instalovat 4500/840 = 5,4 bloku a s rezervou 7 bloků zapojených paralelně, a tedy s kapacitou 7x840 = 5880 Ah. V případě, že v době, kdy množství elektrické energie dodávané hybridním systémem je nízké a kapacita autonomního provozu je vyčerpána, řídicí systém začne odpojovat spotřebiče v pořadí podle jejich významu pro servis. Naopak, při přebytku energie z hybridního systému a nabitých bateriích je obvykle využita odbočka s balastní odporovou zátěží. Při možnosti připojení do elektrické rozvodné sítě přebytek může být exportován do sítě.

Ekonomická rozvaha uvedeného systému bude prezentována v některém z dalších čísel časopisu.

Použité podklady
[1] Podklady společnosti J. Bornay; http://www.bornay.com/
[2] Malá větrná elektrárna s nominálním elektrickým výkonem 12 kW, American Wind Energy Assotion, Small Wind Turbines, http://www.awea.com/
[3] Obnovitelné zdroje energie a možnosti jejich uplatnění v České republice, ČEZ Praha 2007
[4] Záznam výroby elektrické energie v jednotlivých měsících roku větrných elektráren ENERCON E-40, které jsou instalovány v Jindřichovicích pod Smrkem
[5] www.wexport.net/lemon/; Introduction to Photovoltaic Systems
[6] Doporučení Wind/Photovoltaic Hybrid Power System
[7] King, D. L., Boyson, W. E., Kratochvíl, J. A.: Photovoltaic Array Performance Model. http://www.export.cz/
[8] High Performance Home Technologies, Solar Thermal & Photovoltaic Systems, www.eere.energy.gov/buildings
[9] Griggs-Putnam Index of Deformity
[10] Směrnice 2001/77/EC, www.eere.energy.gov/buildings
[11] Leidl, P., Víšek, T.: Náklady a potenciál snižování skleníkových plynů v České republice, McKinsey&Company, Praha, říjen 2008