Artur Skoczek
Oct 4, 2023
Extrémne chladné podmienky môžu viesť k zvýšenému napätiu vo fotovoltaických moduloch (FV), čo môže spôsobiť preťaženie systému.
Prečítajte si o zásadnom význame pochopenia parametra najnižšej očakávanej prevádzkovej teploty (alebo TLEO v jazyku Solargis) pre optimálne dimenzovanie fotovoltaických polí.
V článku sa budeme zaoberať:
Či už ste investor, projektant, prevádzkovateľ alebo akýkoľvek iný odborník v solárnom priemysle, tento článok vám poskytne jasnú predstavu o tom, ako premýšľať o fotovoltických paneloch v chladných podmienkach. Môže to viesť k zníženiu počtu porúch systému, predĺženiu jeho prevádzkovej životnosti a menšiemu počtu bolestí hlavy pri údržbe.
Kritický aspekt, ktorý sa v rámci FV projektov často prehliada? Výkonnosť FV systémov v extrémne chladných podmienkach.
Najnižšia teplota sa zvyčajne vyskytuje krátko pred východom slnka alebo počas neho. Kombinácia extrémne nízkej teploty okolia FV modulov a bohatého slnečného žiarenia počas východu slnka môže vyvolať náhly nárast napätia vo FV reťazci.
Ak sa prekročia určité kritické úrovne, môže to viesť k preťaženiu systému.
Najnižšia očakávaná prevádzková teplota je ústredným bodom tohto záujmu. Presné určenie TLEO je nevyhnutné pre bezpečnú a efektívnu prevádzku fotovoltických polí.
Podľa osvedčených postupov pri dimenzovaní fotovoltických polí (zavedených okrem iného v normách IEC 62548 a IEC 62738) je maximálny počet fotovoltických modulov v reťazci určený maximálnym menovitým napätím komponentov, ako sú moduly a striedače.
Napätie otvoreného obvodu (Voc) pre PV reťazec sa vypočíta na základe menovitého Voc modulu a najnižšej očakávanej prevádzkovej teploty (TLEO) podľa priemyselných noriem.
TLEO je definovaná v norme IEC 62738 [1] ako priemer najnižších ročných hodnôt teploty vzduchu. Ak je k dispozícii dostatok údajov, môže sa obmedziť na hodiny slnečného svitu a nízku prahovú hodnotu žiarenia.
Vypočítaná maximálna dĺžka fotovoltického reťazca je často najvýhodnejšou možnosťou, pretože znižuje straty v kábloch a celkovú dĺžku kábla. V prípadoch, keď je vypočítané maximálne napätie mierne vyššie ako maximálna menovitá hodnota systému, môže byť potrebná ďalšia analýza na posúdenie rizika prepätia.
Najlepšou možnosťou na získanie teploty vzduchu pre danú lokalitu sú nepretržité dlhodobé merania pomocou vysoko presných, kalibrovaných a dobre udržiavaných snímačov teploty namontovaných podľa noriem WMO [2].
Žiaľ, táto metóda je obmedzená na lokality, kde sa vykonávajú dlhodobé meteorologické pozorovania, zvyčajne ako súčasť národných meteorologických služieb alebo iných pozorovacích sietí.
Na globálnej úrovni je jedinou alternatívou odvodenie historických údajov o teplote vzduchu z dostupných klimatických modelov.
V tomto projekte sa vývoj globálnej mapy TLEO začína spracovaním údajov klimatickej reanalýzy ERA5 (prevádzkovanej službami ECMWF a Copernicus [3]), ktoré sa poskytujú s natívnym rozlíšením 0,25° (nominálne 28 km). V tomto prípade sa pre každý rok odvodí absolútna minimálna teplota vzduchu vo výške 2 m z 1-hodinového časového radu, ktorý pokrýva obdobie rokov 2001 - 2020. Výsledná hodnota TLEO sa potom spriemeruje z 20 ročných hodnôt.
Na prekonanie hrubého priestorového rozlíšenia údajov ERA5 (najmä v horách s výrazným vertikálnym členením terénu a v pobrežných oblastiach) zavádzame priestorovú dezagregáciu založenú na vypočítaných korekciách lapse-rate odvodených z nadmorskej výšky terénu (obr. X2) a údajov o teplote vzduchu z rôznych výškových úrovní.
Výsledkom je vrstva údajov s jemným rozlíšením (veľkosť pixla ~ 1 km) s hodnotami TLEO dostupnými globálne pre ľubovoľné miesto na svete (pozri obr. 1 a 2).
Od septembra 2023 sme sprístupnili údaje o najnižšej očakávanej prevádzkovej teplote (TLEO) v Solargis Prospect.
Vďaka premennej TLEO je výpočet maximálnych výkyvov napätia a rozhodnutia o dimenzovaní fotovoltického reťazca presnejšie, čím sa zabezpečí bezpečná a efektívna prevádzka fotovoltického systému v rôznych poveternostných podmienkach.
Obr. 1. Mapa TLEO s vysokým rozlíšením, dlhodobý priemer, obdobie 2001 - 2020
Obr. 2. Mapa TLEO s vysokým rozlíšením, dlhodobý priemer, obdobie 2001 - 2020. Zamerajte sa na regióny s vysokými gradientmi TLEO: Stredná Európa (uprostred) a južná Ázia (vpravo)
Konečná vrstva údajov TLEO je overená pomocou údajov časových radov nameraných na viac ako 8500 staniciach na celom svete a sprístupnených v Integrovanej databáze povrchových vôd (ISD) Národného úradu pre oceány a atmosféru (NOAA) [4] na roky 2001 - 2021.
Celková odchýlka, vypočítaná ako rozdiel medzi modelovanou a nameranou TLEO, je 1,2 °C, štandardná odchýlka 2,4 °C. Najextrémnejšie hodnoty (tu prezentované ako percentilové hodnoty P5 a P95) klesajú pod -2,6 °C a presahujú 5,1 °C.
Vo všeobecnosti výsledky spĺňajú účel dimenzovania fotovoltických polí vo väčšine sveta. V modelovanom súbore údajov sa však identifikovali regióny s mikroklimatickými anomáliami a našli sa potenciálne opakujúce sa problémy (obr. 3).
Ako sa očakávalo, rozlíšenie modelu ERA5 nie je dostatočne podrobné pre niektoré horské regióny na celom svete. Väčšina meteorologických staníc sa nachádza v údoliach, kde je reprezentácia nadmorskej výšky v modeli ERA5 zvyčajne vyššia ako skutočná nadmorská výška lokalít, čo vedie k podhodnoteným hodnotám teploty. Korekcia lapse-rate do určitej miery pomáha riešiť tieto rozdiely, ale veľkosť korekcie často nie je dostatočná - napr. centrálne Alpy (obr. 3A), škandinávske pohoria (obr. 3C), Tibet, Himaláje, západný Irán, juhovýchodné Turecko atď.
Ďalším opakujúcim sa problémom je, že ERA5 podhodnocuje kontinentálny vplyv, najmä pozdĺž pobrežných oblastí (napr. juhovýchodná Austrália na obr. 3B).
Model nadhodnocuje vplyv mora/oceánu, čo môže viesť k nepresným teplotným predpovediam. Napríklad studený vzduch padajúci z hôr smerom k vodným plochám môže mať významný vplyv na teplotu horských ostrovov, ale tento vplyv nie je vždy dobre zachytený modelmi s hrubým rozlíšením (napr. ostrov Korzika na obr. 3A).
Ďalším identifikovaným problémom bola teplotná inverzia v chladných údoliach. K inverzii dochádza, keď sa v údolí zachytí vrstva studeného vzduchu, ktorá je uzavretá vrstvou teplého vzduchu nad ňou. Geografické podmienky oblasti bránia studenému vzduchu prúdiť z údolia a okolité hory bránia vetrom, aby ho ľahko vyčistili a priniesli nový vzduch.
Obr. 3: Vybrané oblasti s výraznými rozdielmi medzi vypočítaným TLEO a TLEO odvodeným z meteorologických staníc NOAA ISD
Ako už bolo opísané vyššie, TLEO je v norme IEC 62738 definované ako priemer najnižších ročných hodnôt teploty vzduchu.
Na jednej strane priemerovanie filtruje náhodné extrémy. Na druhej strane priemerovanie vnáša chybu spojenú s odhadom absolútnej hodnoty TLEO za celé obdobie rokov 2001 - 2020 a výpočtom TLEO ako priemeru, ako to predpisuje norma IEC.
Na obr. 4 je znázornené porovnanie rozdelenia chýb zavedených zjednodušením mesačnej lapse rate s rozdelením štandardných odchýlok ročného TLEO a rozdelením absolútneho rozdielu medzi rekordne vysokým a rekordne nízkym ročným TLEO. Celkovo sa celosvetovo vyhodnotilo 30 000 bodov porovnaním TLEO vypočítaného pomocou prístupu úplných časových radov s rastrovými výpočtami s použitím náhodného rozdelenia lokalít.
Obr. 4: Porovnanie rozdelenia rozdielov v metóde výpočtu TLEO (časové rady vs. raster), štandardnej odchýlky ročného TLEO a rozdelenia absolútneho rozdielu medzi rekordne vysokým a rekordne nízkym ročným TLEO
Relatívne vysoká hodnota smerodajnej odchýlky ročného TLEO a vysoký rozdiel medzi rekordne nízkym a rekordne vysokým ročným TLEO je dôležitým problémom, ktorý je potrebné zohľadniť pri dimenzovaní fotovoltických elektrární len na základe priemernej mapy TLEO.
Treba tiež poznamenať, že teplota fotovoltických modulov smerujúcich k otvorenej oblohe môže byť v niektorých lokalitách o 5 °C nižšia ako teplota okolitého vzduchu.
Analogicky sa analyzovali údaje z meraní NOAA ISD. Na obr. 5 je znázornený rozdiel medzi absolútnou TLEO a priemernou TLEO vypočítanou na obdobie rokov 2010 - 2019. V mnohých prípadoch hodnoty presahujú 5 °C, ojedinele až 10 °C.
Obr. 5. Analýza 10 rokov (obdobie 2010 - 2019): Rozdiel medzi absolútnym minimom teploty vzduchu a TLEO (priemer absolútnych ročných miním teploty vzduchu)
[1] Zawaydeh, Samer. (2019). IEC 62738:2018 Pozemné fotovoltické elektrárne - smernice a odporúčania pre navrhovanie.
[2] Príručka k prístrojom a metódam pozorovania, Svetová meteorologická organizácia (WMO-No. 8), vydanie 2021/2018, ISBN: 978-92-63-10008-5
[3] Hans Hersbach, Bill Bell, Paul Berrisford, et.al. The ERA5 global reanalysis Prvé zverejnenie: 17. mája 2020
[4] Smith, A., N. Lott a R. Vose, The Integrated Surface Database (Integrovaná databáza povrchov): Recent Developments and Partnerships (Najnovší vývoj a partnerstvá). Bulletin of the American Meteorological Society, 2011, 92, 704-708
