Panouri fotovoltaice – ce putere să instalăm?

Energia oferită de soare reprezintă o variantă foarte populară de a înlocui sursele tradiționale bazate pe combustibilii fosili cu care eram obișnuiți – cărbunele, petrolul cu produsele sale derivate, gazul. Pe lângă faptul că sunt poluante, energia produsă din aceste surse a devenit din ce în ce mai scumpă fiind  resurse epuizabile într-un orizont de timp destul de apropiat. În plus, știind că cererea depășește cu mult oferta, aceste resurse se transformă dintr-o marfă obișnuită într-un instrument geopolitic. Consecința este că nu mai poți fi sigur nici de cantitate și nici de preț. Imprevizibilitatea prețurilor conduce la imprevizibilitatea afacerii însăși, pragul între profit și pierdere poate fi trecut foarte rapid. Acesta este și motivul pentru care în acest moment piața are prețurile reglementate artificial însă asta nu poate dura prea mult pentru că revenirea la o piață liberă, firească va fi cu atât mai dificilă cu cât durează mai mult reglementarea. Volatilitatea extremă în acest sector înseamnă că orice surse alternative sunt de luat în calcul  însă și acestea au costurile lor. Cu toții resimțim în ultimul timp o presiune în asigurarea necesarului de energie electrică și facem eforturi să nu ne dezechilibrăm complet bugetul.

În aceste condiții preocuparea pentru reducerea dependenței de marii producători sau furnizori de energie electrică este de foarte mare actualitate iar energia oferită de panourile fotovoltaice constituie sursa cea mai accesibilă. Putem folosi energia produsă de fotovoltaice în două feluri, fie interconectați cu rețeaua de distribuție – adică on-grid – iar surplusul de energie se duce în rețea, primim contravaloarea a ceea ce livrăm și în acest caz devenim prosumatori, fie ca o alternativă la energia furnizată de rețeaua de distribuție – adică off-grid  însă în acest caz energia electrică produsă nu poate fi exportată ci doar stocată  în acumulatori și folosită ulterior doar pentru uz propriu. Varianta on-grid este de preferat pentru că  nu se irosește nimic din energia electrică produsă, ea poate fi folosită  de alți consumatori și în plus ne va aduce și ceva bănuți.

Luarea deciziei de a monta panouri fotovoltaice și de a deveni prosumator presupune o analiză în detaliu a doi factori principali:

• Evident factorul financiar în primul rând pentru că investiția nu este mică deloc. Costurile cresc aproape proporțional cu puterea activă pe care dorim să ne-o furnizeze sistemul fotovoltaic. Întrebarea este putem găsi o valoare optimă care să ne satisfacă necesitățile și în același timp să nu ne crească foarte mult costurile?

• Al doilea factor de analizat este legat de menținerea siguranței în funcționare a sistemului de alimentare cu energia electrică, atât rețeaua proprie cât și cea de distribuție. De aici rezultă o altă întrebare în funcție de puterea pe care o dorim instalată: este rețeaua pregătită din punct de vedere dimensional să preia tranzitul de putere nou?

Să începem cu explicația factorului siguranță în funcționarea rețelei pentru că  este cel mai important.

Așadar, rețeaua proprie face față, este capabilă să transporte energia produsă?

Energia electrică este o integrală de timp a puterii electrice importate sau exportate, iar puterea electrică este un parametru cu valori variabile. Sistemele fotovoltaice produc energie electrică  doar pe timpul zilei cu soare. În funcție de profilul de consum și de starea dimensională a rețelei se stabilește puterea totală care poate fi instalată. Aceasta nu poate fi mărită oricât  ci doar până la limita suportată de cablurile conductoare, echipamentele de comutație, transformatoare. Altfel redimensionarea rețelei este necesară.

În al doilea rând, rețeaua de distribuție poate prelua energia produsă și exportată de prosumator?

Se pune la fel problema redimensionării, însă în lipsa ei apar aceleași riscuri. Chiar dacă ne-am reproiectat propria rețea, nu este suficient pentru o siguranță în exploatare deplină pentru că suntem legați de rețeaua de distribuție – dacă aceasta cade nu vom avea energie.

Concluzia este că pentru a nu ne pune singuri în pericol de defect, dimensionarea puterii instalației fotovoltaice  trebuie făcută în urma unor verificări inițiale prin monitorizarea tuturor parametrilor energiei electrice, pe o perioadă de timp suficient de lungă (de regulă 21-30 zile, corelat cu graficul de producție sau de consum) astfel încât sa fie identificate tiparele de comportament al consumatorului. Din aceste diagrame vor fi  obținute valorile maxime de putere necesare în diverse momente, aceste valori nefiind constante în timp, ele depind de procesul de producție și de modul de organizare al lui. De asemenea din  modul de variație al tensiunilor și curenților, din modul de variație al factorului de putere și al defazajelor între tensiuni și curenți, trecerile rapide din regim de import energie (activă sau reactivă) în regim de export, armonicile curenților și tensiunilor, se obțin informații referitor la modul de dimensionare al rețelei și al stării ei în punctul monitorizat.

În ceea ce privește aspectul financiar, deși prețurile au mai scăzut – panouri fotovoltaice, invertoare, etc.,  tot echipamentul necesar este totuși destul de scump. Adăugarea de putere în plus față de puterea optimă necesară, ne pune în fața riscurilor de securitate a alimentării și ne costă inutil. Dacă în viitor plănuim dezvoltarea locului de consum care ar  presupune un necesar de energie mai mare atunci sistemul fotovoltaic poate fi extins fără probleme, nu trebuie să cheltuim acum pentru la anul sau peste doi ani. Facem cheltuiala atunci când este nevoie.

Iată cazul unui prosumator care din exces de zel a instalat panouri fotovoltaice cu mult peste ceea ce avea nevoie. Monitorizarea s-a efectuat după ce s-a pus în funcțiune instalația de fotovoltaice, cu un echipament Electrical Energy Supervisor tip EES-RC Wi-Fi, fiind folosite traductoare de curent tip Rogowski Coil, pe o perioadă de 19 zile, iar analiza rezultatelor cu programul SisMonDesktop-win-x64-v4.2.3. Consumatorul are o fabrica de producție alimentată dintr-un transformator coborâtor 20 kV/0,4kV cu puterea de 250 kVA montat aerian pe stâlp iar echipamentul de monitorizare a fost montat în tabloul general de distribuție de joasă tensiune situat în proximitatea transformatorului.

Figura 1 – Diagrame Tensiunea de fază faza Ua, Curentul de fază Ia

Figura 1 prezintă diagramele tensiunii și curentului pe faza A. Fazele B și C sunt similare. Variația curenților se corelează cu timpul de lucru (tura I) și cu zilele însorite. În zilele de lucru se observă scăderi accentuate ale tensiunii de fază iar în zilele libere o creștere continuă.

Figura 2 – Diagrame Tensiunea de fază Ua, Puterea Reactivă Totală, Energia Reactivă Export, Energia Reactivă import

Analiza parametrilor din Figura 2 explică evoluția graficului tensiunilor de fază: scăderile au loc în timpul programului de lucru atunci când puterea reactivă totală este absorbită din rețea, consumatorul având foarte multe utilaje acționate de motoare electrice asincrone deci caracter inductiv. Aceste scăderi ale tensiunii în sarcină sugerează că transformatorul funcționează la limita încărcării lui superioare. În timpul liber și noaptea puterea reactivă totală își schimbă sensul, capătă un ușor caracter capacitiv și este exportată în rețea. Acest caracter capacitiv este indus de sarcinile tip sursă statică ale consumatorului care rămân conectate la rețea în permanență, chiar și în timpul nopții. În zilele libere și noaptea tensiunea de fază are tendințe de creștere ceea ce sugerează dificultăți pentru rețea de a găsi consumatori pentru energia activă produsă și exportată în timpul zilei și de asemenea un exces de energie cu caracter capacitiv în timpul nopții. Invertorul instalației de fotovoltaice funcționează la factor de putere unitar deci el nu influențează nivelul de putere reactivă prezent în rețea.

Figura 3 – Diagrame Fundamentala curent faza A – AI_HR1, coeficient total de distorsiune armonică faza A – THDUA

Forma de undă a tensiunilor de fază generate de invertor este aproape de o sinusoidă pură. Conform diagramelor din Figura 3 coeficientul total de distorsiune armonică pe faza A este pe perioada însorită de maxim 1 %.

Figura 4 – Diagrame Puterea Activă, Energia Activă Export, Energia Activă import

Figura 4 prezinta diagramele puterea activă  vehiculată între consumator și rețeaua de distribuție, energia activă importată din rețea si energia activă exportată în rețea. Valorile pozitive înseamnă putere activă absorbită din rețea iar valorile negative înseamnă putere activă furnizată rețelei. Pe timpul zilelor cu soare puterea furnizată de panouri acoperă necesarul producției și rămâne un surplus de circa  150 kW care este transmis în rețea. În zilele înnorate avem un maxim de putere activă absorbită din rețea de circa 100 kW. Această valoare este maximul solicitat de procesul de producție în perioada monitorizată. În zilele libere și însorite puterea activă maximă exportată în rețea este de circa 230 kW. Nefiind un consum semnificativ în timpul nopții energia activă exportată este în mod constant mai mare decât energia activă importată astfel încât la sfârșitul perioadei de monitorizare avem o diferență de 11330 kWh în favoarea energiei active exportate. Având în vedere că monitorizarea s-a efectuat în lunile Aprilie și Mai este de așteptat ca  în restul lunilor de vară puterea furnizată să atingă maximul instalat de 250 kW. Funcționarea transformatorului la putere maximă furnizată în rețea va conduce la încălzirea puternică a înfășurărilor și a miezului magnetic timp de peste 12 ore în fiecare zi. În plus faptul că transformatorul este amplasat pe stâlp, în exterior, uleiul din cuvă înmagazinează suplimentar căldura de la soare exact atunci când încărcarea electrică este maximă. În consecință pericolul de supraîncălzire era foarte mare și imediat, de altfel ca urmare a monitorizării consumatorul a luat decizia schimbării transformatorului cu unul de 400 kW, amplasat în anvelopă de beton.

Concluzii

• Puterea instalată a panourilor fotovoltaice de circa 2,5 ori fața de necesar; în loc de circa 100 kW s-au instalat 250 kW ceea ce a condus la un dezechilibru foarte mare între energia activă exportată și cea importată, în plus riscuri mari de defect al transformatorului evitate la limită;
• Având în vedere prețurile existente pe piață la momentul montării de circa 1000 Euro/kW, rezultă un cost suplimentar cu instalația fotovoltaică de aproximativ 150 000 Euro la care se adaugă și costul unui nou transformator de putere mai mare. Dacă se alegea corect puterea instalației fotovoltaice atunci nici această cheltuială nu era necesară, pentru că vechiul transformator cu puterea de 250 kVA putea asigura fără probleme atât importul cât și exportul de energie activă.

 

Ing. Ion Munteanu

Telefon 0770561981    

SC SISMON SRL Craiova – Atestat ANRE tip A1-Încercări de echipamente și instalații electrice de joasă tensiune

ion_n_munteanu@yahoo.com                                                        ion.munteanu@electricalenergysupervisor.com

www.electricalenergysupervisor.com