Elektrická energie z malých fotovoltaických (PV) elektráren má dnes významné místo v energetickém mixu. I v České republice pracuje řada fotovoltaických elektráren a řada z nich je přímo integrovaná do budov včetně té naší. Střechy a fasády budov jsou vhodnými místy pro instalaci fotovoltaických systémů, protože zde nezabírají zemědělskou půdu.

Presentovaný PV systém 10 kW_p je instalován na České zemědělské univerzitě v Praze na střeše Technické fakulty (viz úvodní obrázek). 40PV panelů na bázi polykrystalického křemíku je zapojeno do 2 nezávislých sekcí a ty jsou připojeny k distribuční síti přes elektronické měniče. PV panely (Renesola, GmbH, typ JC 260M-24/Bb, jmenovitý výstupní výkon 260 W_p, napětí naprázdno 37,6 V, zkratový proud 8,95 A, napětí při maximálním výkonu 30,5 V, proud při maximálním výkonu 8,53 A) jsou instalovány na pevném stojanu a jsou orientovány téměř k jihu se sklonem 35°, mírné pootočení cca 10° k východu je dáno orientací budovy. V každé sekci je 20 PV panelů zapojeno do série a připojeno k třífázovému měniči německé výroby SMA Solar Technology AG (typ STP 5000TL-20, nominální výkon 5000 W, maximální stejnosměrné napětí 1000 V, maximální stejnosměrný proud 10 A, střídavé napětí 400 V, maximální střídavý proud 7,3 A). Jmenovitý výstupní výkon celé PV elektrárny je cca 10 kW_p. Sluneční podmínky odpovídají mírnému klimatickému pásmu ve střední Evropě.

K monitorování dat jsme použili monitorovací systém Solarmon (2.0) [1] vyvinutý ve spolupráci firmy Solarmonitoring, s.r.o. a Technické fakulty. Tento monitorovací systém už úspěšně pracuje na řadě PV elektráren v České republice i v zahraničí a podobné monitorovací systémy byly popsány i v pracích [2-3]. Monitorování dat může předpovídat i poruchy PV elektrárny a druhy těchto poruch. Častými poruchami bývají prasklé PV články v PV panelu a přerušené kontakty, ale typů poruch je mnoho. Pokud PV elektrárna nebo její část sníží výstupní výkon, monitorovací systém ohlásí podezření na poruchu a na mapě větší elektrárny dokáže lokalizovat i místo poruchy. Monitorovací systém tak pomáhá operátorům se správou PV elektrárny.

Mezinárodně používaná internetová aplikace Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) [4] poskytuje předpokládané hodnoty množství vyrobené elektrické energie v závislosti na konstrukci PV elektrárny a na jejím umístění. Souřadnice budovy Technické fakulty jsou 50°7’43” sš., 14°22’27” vd., nadmořská výška je 280 m. Tyto předpokládané hodnoty jsme mohli porovnat s našimi naměřenými hodnotami.

Obr. 2 ukazuje jako příklad množství vyrobené elektrické energie během dvou vybraných let 2016 a 2019, pro lepší porovnání jsou hodnoty přepočteny na 1 kW_p nominálního výkonu. Rok 2016 byl prvním celým rokem provozu elektrárny a rok 2019 byl rokem s dosud nejvyšším výnosem vyrobené elektrické energie. Okamžité hodnoty výstupního výkonu ovlivňuje mnoho parametrů. Vyšší teplota snižuje účinnost přeměny energie [5], proto v létě může být okamžitý výkon nižší i při vyšší intenzitě záření a menším úhlu dopadu.

Obr. 2 Množství vyrobené elektrické energie během dvou vybraných let 2016 a 2019 v přepočtu na 1 kW_p nominálního výkonu.

V tab. 1 je předpokládané množství vyrobené elektrické energie za rok podle výše uvedené aplikace PVGIS. I zde jsou hodnoty přepočteny na 1 kW_p nominálního výkonu. Naše PV elektrárna zatím ve všech letech provozu vyrobila o trochu více elektrické energie, než jaká je předpokládaná hodnota. Svědčí to o kvalitě použitých PV panelů i celé konstrukce PV elektrárny.

Tab.1 Předpokládané množství vyrobené elektrické energie v naší PV elektrárně za rok

Měsíc	1.	2.	3.	4.	5.	6.	7.	8.	9.	10.	11.	12.	Celkem
Elektrická energie (kWh.kWp-1.měsíc-1)	37.4	54.9	90.8	122.2	128.8	128.4	130.4	121.4	105.2	72.6	39.3	36.3	1067.7

Stav PV panelů jsme rovněž monitorovali pomocí infrakamery umístěné na dronu [6]. Byla použita kamera Flir A65 (rozlišení 640 × 512 pixelů, teplotní citlivost 0.05°C, rozsah spektra 7.5–13 μm, software Flier Systems Inc., Nashua, NH 03063, USA). Měření bylo provedeno ve spolupráci s firmou Upvision, s.r.o. během slunečného dne 20. června 2017 tedy po necelých dvou letech provozu PV elektrárny. Takto je možno poměrně jednoduše a v krátkém čase prohlédnout i velké PV elektrárny s velkým počtem PV panelů na velké ploše a monitorovat na nich rozložení teploty. Významné poruchy včetně teprve začínajících poruch se projeví nehomogenitou v rozložení teploty PV panelů, což je způsobeno nehomogenitou proudové hustoty. Teplejší místa pak svědčí o lokální vyšší proudové hustotě způsobené například prasklými PV články a přerušením některých kontaktů.

Obr. 3 Detail použité infrakamery umístěné na dronu.

Detail použité infrakamery je na obr. 3. Typický snímek PV panelu z infrakamery je na obr. 4. Snímky všech ostatních PV panelů byly velmi podobné. Je vidět, že rozložení teploty je homogenní s hodnotami kolem 45°C v celé ploše PV panelu (cca v 10 hod. dopoledne). Nevyskytují se zde místa s významně zvýšenou teplotou. Mírně zvýšená teplota místa na levé straně každého PV panelu není vadou, ale odpovídá umístění krabice s vývody kontaktů na zadní straně panelu. V tomto místě se panel méně chladí vyzařováním zadní stěny. Zjištěné rozložení teploty PV panelů svědčí o tom, že naše PV panely nemají zjevné významné poškození a dá se předpokládat jejich bezvadný provoz. Je rovněž vidět, že podle očekávání je krytina střechy nejteplejší v místě dopadu přímého slunečního záření (cca 55°C), světlé dlaždice více odrážejí záření a proto jsou trochu chladnější. V oblasti stínu, který vrhají PV panely, je teplota střešní krytiny cca 30°C.

Obr. 4 Typický snímek rozložení teploty PV panelu z infrakamery.

Naše PV elektrárna na Technické fakultě pracuje bez významných poruch už 8 let a množství vyrobené elektrické energie je trochu vyšší než předpokládaná hodnota podle mezinárodně používané aplikace PV GIS. Během dlouhodobého provozu lze očekávat postupný pokles hodnot vyrobené elektrické energie i růst počtu poruch v důsledku stárnutí PV elektrárny. Naše zkušenosti z dlouhodobého provozu cca 85 velkých PV elektráren ukazují, že významné poruchy se projevují po cca 10 letech provozu a jejich počet prudce roste po cca 12 letech provozu [7].

Monitoring vad PV elektrárny uvedenou metodou pomocí dronu a infrakamery je poměrně jednoduchý, rychlý a operativní, ale slouží jen k orientační kontrole PV panelů. Avšak jeho hlavní předností je schopnost rychle odhalit ty nejhorší vady, kterými jsou prasklé PV články a přerušené kontakty. Domníváme se, že testování PV panelů mnohem přesnější ale náročnější technologií elektroluminiscence má význam až po důvodném podezření na závažnější poruchy PV panelů. Takové podezření může vzejít buď z uvedeného monitorování infrakamerou nebo z nápadného významného poklesu výkonu PV elektrárny.

LITERATURA

[1] Beránek, V., Olšan, T., Libra, M., Poulek, V., Sedláček, J., Dang, M.Q., Tyukhov, I., New Monitoring System for Photovoltaic Power Plants’ Management. Energies, 2018, 11, Article ID 2495, 1-13.

[2] Madeti, S.R., Singh, S.N., Monitoring system for photovoltaic plants: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 67, 1180-1207.

[3] Øgaard, M.B., Riise, H.N., Haug, H., Sartori, S., Selj, J.H., Photovoltaic system monitoring for high latitude locations. Solar Energy, 2020, 207, 1045-1054.

[4] Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) [online, 23. 1. 2023]. Dostupné z: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html.

[5] Libra, M., Petrík, T., Poulek, V., Tyukhov, I.I., Kouřím, P., Changes in the Efficiency of Photovoltaic Energy Conversion in Temperature Range With Extreme Limits. IEEE Journal of Photovoltaics, 2021, 11(6), 1479-1484.

[6] Libra, M., Daneček, M., Lešetický, J., Poulek, V., Sedláček, J, Beránek, V., Monitoring of Defects of a Photovoltaic Power Plant Using a Drone. Energies, 2019, 12(5), Article No. 795.

[7] Poulek, V., Šafránková, J., Černá L., Libra, M., Beránek, V., Finsterle T., Hrzina, P., PV Panel and PV Inverter Damages Caused by Combination of Edge Delamination, Water Penetration, and High String Voltage in Moderate Climate. IEEE Journal of Photovoltaics, 2021, 11(2), 561-565.

Autoři:

Martin LIBRA¹, Jana ŠAFRÁNKOVÁ¹, Jan SEDLÁČEK¹, Vladislav POULEK¹, Václav BERÁNEK²

¹ Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta, katedra fyziky, Praha

² Solarmonitoring, s.r.o., Praha