Анализа ефикасности фотонапонског система коришћењем програма SAM и PVWATTS Небојша Андријевић Факултет техничких наука, Чачак, Техника и информатика, 2013/2014 andrijevicnebojsa@gmail.com проф. др Снежана Драгићевић Апстракт У раду је извршена анализа ефикасности фотонапонских панела, помоћу специјализованих рачунарских софтвера SAM и PVWATTS калкулатора. Анализа је рађена кроз најоптималније факторе који утичу на ефикасност, као што су промена угла нагиба и промена угла положаја фотонапонског система. Добијени резултати показују на оправданост коришћења фотонапонских технологија на изабраној локацији. Резултати анализе показују да фотонапонски систем производи највише енергије када је угао нагиба колектора 30, као и да је најефикаснији систем који има једну осу кретања. Ако би се у анализама узели у обзир и друге врсте фотонапонских панела резултати би сигурно били још повољнији, с обзиром на напредак ефикасности технологије и сталан пад цена панела. Кључне речи Обновљиви извори енергије; фотонапонски системи; соларна енергија; 1 УВОД Извор живота на земљи је сунчева енергија, неисцрпан извор енергије чији потанцијал може задовољити већину потреба светске популације. Тренутно стање технолшке развијености ограничава већи проценат искоришћења тог потенцијала. Штетних ефеката експлоатацијом сунчеве енергије готово да и нема. У раду је дата анализа ефикасности фотонапонских система помоћу софтверског алата System Advisor Model SAM. Техничко економска анализа је рађена за фотонапонски систем снаге 16 kw, локација на којој би био постављен систем је Београд. Рађена је симулација система под различитим угловима за системе са фиксном осом и вертикалном осом ротације, како би се анализирао утицај различитих углова и нагиба на ефикасност система. Ради упоредне анализе исти параметри и процес су симулирани помоћу веб апликације PVWatts Calculator, и те анализе су представљене у раду који следи. 2 ОБНОВЉИВИ ИЗВОРИ ЕНЕРГИЈЕ Најзначајнији обновљиви извори енергије су: енергија ветра, енергија сунца, енергија воде, геотермална енергија и енергија биомасе. Обновљиви извори енергије се могу поделити на две категорије: традиционалне обновљиве изворе енергије, попут енергије добијене из биомасе и хидроелектрана, и на нове изворе енергије попут енергије ветра, сунца, геотермалне енергије итд. Глобални капацитет електричне енергије добијене из обновљивих извора енергије удвостручио се у последње две деценије, и представља значајан и растући део укупног снабдевања енергијом глобално. Енергија воде је енергија кретања речних токова, морских таласа и морских мена. Од свих обновљивих извора енергије, данас се највише користи енергија речних токова. Хидроенергија је економски конкурентна фосилним горивима и нуклеарној енергији, има све предности ОИЕ (обновљиви извори енергије), јер је неограничена, чиста и јефтина гледајући на дужи рок. Енергија ветра је трансформисани облик сунчеве енергије. Као добре стране искоришћавања енергије ветра истичу се висока ефикасност рада турбина које претварају кинетичку енергију ветра у механичку, нема трошкова за гориво и нема загађивања околине. Биомаса је обновљив извор енергије и чине је бројни производи биљног и животињског порекла (дрвена маса, слама, пиљевина, кукурузовина, стабљике сунцокрета, лишће, стајски гној, комунални и индустријски отпад). Сагоревање биомасе најчешће се користи за добијање водене паре за грејање у домаћинствима и за потребе индустрyјских процеса. Геотермална енергија односи се на коришћење топлоте Земљине унутрашности која у самом средишту износи 4000-7000 С, што је приближно температури површине Сунца. Геотермална енергија је топлотна енергија која се ствара у Земљиној унутрашњости распадањем радиоактивних елемената, хемијским реакцијама или трењем при кретању тектонских маса. Количина такве енергије је толико велика да се може сматрати скоро неисцрпном, па је према томе геотермална енергија обновљиви извор енергије (www.ekokuce.com). Сунчева енергија потиче од нуклеарних реакција у његовом средишту, која процесом фузије ослобађа велике количине енергије. Ова се енергија у виду светлости и топлоте шири у свемир па тако један мали део долази и до Земље. Сунчева енергија може да се користи пасивно и активно, пасивно подразумева директно пропуштање топлотне сунчеве енергије у просторију, а активно коришћење соларне енергије можемо поделити у три групе:
1. соларни колектори загревање воде, грејање просторија (претварање соларне енергије у топлотну енергију), 2. фокусирање сунчеве енергије употреба у великим енергетским постројењима, 3. фотонапонске ћелије директно претварање сунчеве енергије у електричну. 2.1. Обновљиви извори енергије у Србији Највећи степен искоришћења обновљивих извора енергије у Републици Србији је из енергије хидротокова. Укупан хидроенергетски потенцијал вода које отичу водотоцима на територији Републике Србије износи око 25.000 GWh/год. Потенцијал енергије ветра у Републици Србији се налази у области кошавског подручја, јужног Баната, подручја источне Србије, источне стране Копаоника, подручје Златибора и Пештера и локалитета планинских превоја на надморским висинама изнад 800m. Најзначајнији потенцијал обновљивих извора енергије у Србији је управо енергија из биомасе и процењује се на 3,405 милиона тен од чега је потенцијал дрвне масе 1,53 милиона тен, потенцијал пољопривредне биомасе 1,67 милиона тен (остаци у ратарству, сточарству, воћарству, виноградарству, примарној преради воћа), док је потенцијал примарног биоразградивог отпада процењен на 205 хиљада тен, а поред комуналног ту су и отпадна јестива уља и отпад животињског порекла у укупној количини од 0,043 милиона тен годишње. Република Србија се налази у зони повољних геотермалних потенцијала и ресурса, са петротермалним и хидрогеотермалним енергетским изворима којима обилује у значајној мери. Коришћење овог вида енергије за производњу електричне и топлотне енергије је у почетној развојној фази у односу на процењени потенцијал и ресурсе, попут великог броја бања и природних извора са температурама вода већим од 30 C и различитим степеном природне издашности. На основу урађених мерења топлотни ток је изнад просечног за Европу (60 mw/m2), односно од 80 до 120 mw/m2 (www.energetskiportal.rs). 3 СОЛАРНИ СИСТЕМИ Соларни системи служе да сунчеву енергију која доспева на површину земље претворе у електричну енергију. Ови системи могу бити различитог облика и величине. Соларна енергија се може искористити на два начина, претварањем сунчеве енергије у топлотну и претварање сунчеве енергије у електричну, помоћу неког од три наведена начина: соларни колектори, фокусирање сунчеве енергије, фотонапонске ћелије. 3.1 Соларни колектори Соларни колектори директно претварају Сунчеву енергију у топлотну. Делују попут стакленика: сунчево зрачење пролази кроз прозирну површину која пропушта зрачење само у једном смеру те се претвара у топлоту која се предаје преноснику енергије (најчешће смеси воде и течности за заштиту од смрзавања). Соларни колектори се данас најчешће појављују у две варијанте : плочасти соларни колектори и соларни колектори са вакумским цевима. 3.2 Фокусирање сунчеве енергије Фокусирање сунчеве енергије употребљава се за погон великих генератора. Фокусирање се постиже помоћу мноштва сочива или чешће помоћу огледала. Таква постројења могу имати средишњи торањ окружен огледалима која рефлектују Сунчево зрачење и усмеравају га ка торњу. Најчешће употребљаване су конфигурације типа "Power Tower" и "Dish". 3.3 Фотонапонске ћелије Фотонапонске ћелије се састоје од полупроводних елемената који директно претварају енергију сунчевог зрачења у електричну енергију, помоћу фотоелектричног ефекта. Фотонапонске ћелије могу се користити као самостални извори енергије или као додатни извор енергије. Као самостални извор енергије користи се на сателитима, саобраћајним знаковима, калкулаторима и удаљеним објектима који захтевају дуготрајни извор енергије. Групе фотонапонских ћелија формирају соларне панеле или фотонапонске плоче. Максимални излазни напон индивидуалне соларне ћелије износи око 600-700mV, па се ћелије серијски повезују како би се добио жељени напон. Најчешће се око 36 ћелија серијски повезује стварајући модуле номиналног напона од 12V. Снага коју производи једна фотонапонска ћелија је релативно мала па се у пракси више ћелија повезују у групу чиме се формира фотонапонски модул (toplogistic.rs). 3.3.1 Фотонапонски панели За претварање светлосне енергије у електричну у великом таласном опсегу користи се фотонапонски систем. Фотонапонски систем се састоји од три компоненте: панела, акумулатора, инвертера и потрошача (слика 1).
Слика 1. Елементи фотонапонског соларног система (извор: www.asel.hr) Фотонапонски модули садрже одређен број редно или паралелно повезаних фотонапонских ћелија како би се добио жељени напон, односно струја. Соларне ћелије су ламиниране између два заштитна слоја, с једне стране је специјално каљено стакло, а са друге заштитни пластични материјал или још један слој стакла. Тако ламиниран фотонапонски модул модул је заштићен од нежељених утицаја средине, а у циљу продужења радног века. Најновију генерацију фотонапонских соларних модула чине тзв. танкослојне фотонапонске ћелије и панели код којих је дебљина фотонапонског материјала или слоја око 2μм (микрометра или микрона). То је скоро 100 пута мање од класичних фотонапонских ћелија израђених од кристалног силицијума. Ова редукција у количини коришћеног полупроводничког материјала смањује цену по јединици површине, цену по генерисаној снази (изражену у W), као и цену по инсталираним кwh, а повећава енергетску исплативост. Слика 2. Фотонапонски панели у соларној електрани Неллис (извор www.nellis.af.mil) 4 SYSTEM ADVISOR MODEL SAM System Advisor Model SAM (у даљем тексту SAM) је бесплатан рачунарски програм који израчунава енергетску ефикасност обновљивих енергетских система током целе године, израчунава трошкове енергије и друге техно-економске показатеље током трајања пројекта. Помоћу SAM програмског модела могу се урадити процене исплативости инсталације неког од модела обновљивих извора енергије, на основу оперативних трошкова и унетих параметара за изабрани модел. Пројекти могу бити такви да отварају широк спектар корисника, од коришћења енергије за сопствене потребе до комерцијалних модела куповине или продаје кроз адекватне уговоре и институције. SAM програм израчунава енергетске и финансијске параметре система заснованог на коришћењу обновљивих извора енергије а на основу компјутерских модела развијених у NREL, Sandia National Laboratories, Универзитета у Висконсину. Кориснички интерфејс SAM програма омогућава корисницима да изграде модел пројекта коришћења обновљиве енергије, и прорачунају цене и перформансе пројекције засноване на резултатима модела. SAM програм омогућава корисницима да истражe утицај варијација физичких и финансијских параметара система на количину енергије која се производи из анализиранофг система. Основни улазни параметри програма су трошкови инсталације, број модула и инвертора, период анализе, реална дисконтна стопа, стопа инфлације, пореске стопе, трошкови изградње и временско искоришћење, порески и готовински подстицајни износи и др. Типична анализа обухвата покретање симулације, испитивање резултата,
промену улазних података, а тај процес понавља се кроз одређени број итерација све до добијања коначних резултата. 4.1 Инсталација програма SAM и креирање пројекта за фотонапонски PVWatts систем SAM програм је доступан на веб адреси https://sam.nrel.gov/ уз претходно регистровање. За анализу фотонапонских система изабрана је опција PVWatts System Model. Након избора опције за технологију изабрана је врста објекта - стамбени објекат (Residentia. Иако је програм SAM направљен претежно за Америчко тржиште, постоји могућност креирања и додавања и улазних података других земаља. На интернет страници (http://www.energy.gov/) EnergyPlus Energy Simulation Software постоје креирани улазни метеоролошки подаци за Београд, који ће се користити у овом раду. Након избора модела отвара се главни прозор радног дела пројекта, са страницама за унос потребних података, слика 3. Слика 3. Главни прозор са страницама за унос података (лево) програма SAM Улазне странице за модел PVWatts система су: Локација и ресурси (Location and Resource) PVWatts соларни систем (PVWatts Solar Array) Подешавање рада (Performance Adjustment) Трошкови фотонапонских система (PV System Cost) Финансије (Financing) Подстицаји (Incentives) Оцена корисности (Utility Rate) Јачина струје (Electric Load) (Exchange Variables). Улазни подаци коришћени за анализу фотонапонског PVWatts система су: локација: Београд номинална вредност PV система: 16 kw фактор губитка снаге: 0,77 годишњи пад производње: 0,5%, трошкови земљишта: 0 период анализе: 25 година стопа инфлације: 2,5% реална дисконтна стопа: 8% државна такса: 18%.
За странице подстицаји (Incentives), оцена корисности (Utility Rate), јачина струје (Electric Load), и Exchange Variables, узете су препоручене вредности јер нису имале утицај на пројекат. Такође поједине вредности на осталим страницама за унос података узете су као препоручене. Параметри који су мењани за потребе анализе ефикасности фотонапонског система су: промене праћења система помоћу једне (вертикалне) или са фиксном осом кретања и угао нагиба од: 0, 15, 30, 45, 60, 75. 4.2 Модел PVWatts Calculator PVWatts Calculator је веб апликација развијена од стране Националне лабораторије за обновљиву енергију (NREL), која служи за процену производње електричне енергије фотонапонског система инсталираног на крову или на земљи. За коришћење програма потребно је унети адресу или географске координате локације система, одредити величину система и оријентацију низа PV модула, и унести информације о цени и стопи електричне енергије коју производи систем. PVWatts Calculator израчунава вредности годишње и месечне производње електричне енергије система, као и финансијску анализу производње електричне енергије. Налази се на линку http://pvwatts.nrel.gov/pvwatts.php. За потребе анализе ефикасности оба софтверска алата коришћени су исти улазни подаци за оба софтвера. Улазне податке можемо видети на слици 4. Слика 4.Страница за унос улазних података програма PVWatts Calculator 5 АНАЛИЗА ЕФИКАСНОСТИ ФОТОНАПОНСКОГ СИСТЕМА Добијени резултати добијени коришћењем поменутих програма су поређени по следећим параметрима: произведена годишња енергија система, цена електричне енергије, период отплате система, фактора капацитета при конверзији енергије, оперативних губитака и просечне уштеде за прву годину трајања пројекта. Анализом добијених резултата коришћењем програма SAM добија се да је вредност инвестиције система 57,600 $ и она варира у зависности од избора модула. Такође добија се да је најоптималнији угао нагиба колектора за систем са фиксном осом, угао између 30 и 40, па је усвојен угао од 30 за приказана испитивања. За тај угао систем снаге 16 kw може да произведе електричну енергију од 17,469 kwh. Номинална цена електричне енергије је 15,16 центи/kwh, време отплате система износи 18.8 година са уштедом од 1,717 $ у првој години рада. Резултати истраживања фотонапонског система са једном осом кретања која прати кретање сунца су повољнији са аспекта добијене електричне енергије. За анализирани систем снаге 16 kw, за који се претпоставља да покрива око 100м 2, произведена електрична енергија која се добије је већа и износи 21,185 kwh. У том случају
номинална цена је смањена на 12.50 центи/kwh, као и а време отплате на 17.38 године, са уштедом за прву годину од 1,827 $. Резултати анализе најповољнијег система можемо представити и табеларно (табела 1). Угао нагиба (Tilt) 0 15 30 45 60 75 oса кретања вертикална Годишња енергија система (Net Annual Energy), kwh 19,256 20,590 21,185 21,029 20,138 18,555 Номинална цена струје (LCOE Nominal), с/kwh 13.76 12.86 12.5 12.6 13.15 14.28 Реална цена струје (LCOE Real), с/kwh 11.15 10.43 10.13 10.21 10.66 11.57 период отплате (Payback Period) у годинама 18 17.5 17.3 17.4 17.6 18.3 DC до AC капацитет фактор (DC to AC Capacity Factor), % 13.7 14.7 15.1 15 14.4 13.2 Оперативни губици, % 9.22 8.98 8.91 8.94 9.06 9.3 Просечна уштеда за прву годину, у доларима $ 1,759 1,804 1,827 1,828 1,804 1,758 Табела 1. Преглед резултата система са променама угла нагиба и вертикалном осом кретања (SAM) Резултати анализе за фотонапонски систем који има има фиксну и покретну осу кретања приказани су у табели 2. Фактори поређења за угао нагиба од 30 Годишња енергија система kwh Номинална цена струје с/kwh Реална цена струје с/kwh Период отплате година DC до AC капацитет фактор % Оперативни губици % Просечна уштеда за прву годину $ Фиксна оса 17,469 15.16 12.29 18.8 12.5 9.84 1,717 Вертикална оса кретања 21,185 12.5 10.13 17.3 15.1 8.91 1,827 Табела 2. Резултати анализе фотонапонског система са нагибом од 30 са фиксном и вертикалном осом кретања Упоредна анализа добијених резултата испитивања приказана је у следећој табели. PVWatts Calculator Годишња енергија система (Net Annual Energy) kwh 22,474 21,185 Сунчево зрачење (Solar radiation) kwh/m 2 /dan 4.9 5.07 Номинална цена енергије (LCOE Nominal) с/kwh / 12.5 Реална цена струје (LCOE Real) с/kwh / 10.13 Период отплате (Payback Period), година / 17.3 Иницијални трошкови (Initial cost) $/Wdc 3.7 3.6 Oперативни губици, % 14 8.91 Просечна уштеда за прву годину у $ / 1,827 Табела 3. Упоредна анализа резултата програмских пакета SAM и PVWatts Calculator Програмски пакет PVWatts Calculator нема податке о отплати инвестиције фотонапонског система и има мањи број излазних података, али је знатно једноставнији за употребу јер добијени резултати узимају у обзир мањи број анализираних параметара. Програмски пакет SAM дозвољава манипулацију са много више анализираних параметара па самим тим даје прецизније излазне податке што га чини знатно поузданијим за употребу и процену добијених резултата. SAM 6 ЗАКЉУЧАК У раду је дата анализа производње електричне енергије из фотнапонског система снаге 16 kw који је инсталиран на стамбеном објекту на локацији града Београда помоћу програмских пакета System Advisor Model SAM и PVWatts Calculator. Коришћењем програма System Advisor Model SAM извршена је анализа утицаја угла нагиба колектора на количину добијене електричне енергије за фиксни и покретни фотонапонски систем. Резултати анализе показују да фотонапонски систем производи највише енергије када је угао нагиба колектора 30. Испитивања показују да је најефикаснији систем који има једну осу кретања. За анализирани систем снаге 16 kw, који је инсталиран на 100м2, годишња производња електричне енергије износи 21,185 kwh, номинална цена/kwh износи 12.50 центи, а време отплате инвистиције система 17.38 година. Добијени резултати су упоређени са резултатима добијеним у програму PVWatts Calculator. Коришћењем поменутих програмских пакета могуће је извршити детаљне анализе коришћења фотонапонских система различитих типова и снаге.
ЛИТЕРАТУРА [1] N. Blair, A. Dobos, J. Freeman, T. Neises, M. Wagner, T. Ferguson, P. Gilman, S. Janzou, System Advisor Model, SAM 2014.1.14, General Description. 19 pp.; NREL Report No. TP-6A20-61019, 2014. [2] A. Dobos, "PVWatts Version 1 Technical Reference." 11 pp., NREL Report No. TP-6A20-60272, 2013. [3] С. Драгићевић, Изводи са предавања из предмета Обновљиви извори енергије, Факултет техничких наука, Чачак, 2013/2014. [4] Обновљиви извори енергије, потпуни извештај стања, РЕН21, 2012. [5] Д. Шљивац, З. Шимић, Обновљиви извори енергије: Врсте, потенцијал, технологије, Загрeб, 2009. [6] PV Status Report 2009. (Research, Solar Cell Production Market Implementation of Photovoltaics), European Commission, Joint Research Center, Institute for Energy, 2009. [7] П.Михајловић, Б. Станисављевић, Љ. Михајловић-Стошић, Врсте обновљивих извора енергије - просторни услови и потенцијали Републике Србије, Енергетске технологије, 2008. [8] [9] М. Ламбић Енергетика, Технички факултет, Зрењанин, 2006. [10] Републичко министарство за енергетику, Стратегија развоја енергетике Републике Србије до 2015. године, Београд, 2004. [11] Мисија ОЕБС-а у Србији и Црној Гори, LIBER PERPETUUM књига о обновљивим изворима енергије у Србији и Црној Гори, Нови Сад, 2004. [12] Студија енергетског потенцијала Србије за коришћење Сунчевог зрачења и енергије ветра (НПЕЕ, Евиденциони број ЕЕ704-1052А), Министарство науке и заштите животне средине Републике Србије, Београд, 2004. [13] https://sam.nrel.gov - октобар 2014.