Aurinkovoimalan optimointityökalu

Abstract

Tässä diplomityössä tutkitaan suuritehoisia verkkoonkytkettyjä aurinkovoimaloita ja niiden tehoelektronisten järjestelmien kykyä muuntaa energiaa vuoden mittaan esiintyvissä auringonpaiste- ja lämpötilaoloissa. Työssä tarkastellaan keskitettyjä jännitevälipiirivaihtosuuntaajia, joiden välipiiriä syötetään yhdellä keskitetyllä tai useammalla hajautetulla nostavalla katkojalla. Myös katkojatonta, muuntajallista vaihtoehtoa tutkitaan.

Aluksi käydään läpi aurinkopaneelien perusominaisuudet ja osoitetaan, että olosuhteiden vaihtelut vaikuttavat merkittävästi paneelien toimintaan. Myös paneelien sarjaan- ja rinnankytkennästä aiheutuvat ilmiöt selvitetään, sillä tyypillisesti yksittäisen paneelin lähtöteho on pieni verrattuna optimaalisen vaihtosuuntaajan kokoon.

Työssä tarkastellaan erityisesti osittain varjostuneita ja vioittuneita paneelistoja, joiden energiansaannin optimointi on erityisen haastavaa. Tähän tarkoitukseen esitellään työkalu, jolla voidaan selvittää voidaanko hajautetuilla katkojilla saavuttaa merkittävää etua energiansaannissa keskitettyyn katkojaan verrattuna. Oletuksena on, että aurinkopaneeliston huipputehon seuranta on toteutettu katkojassa, jolloin hajautettujen katkojien käyttö johtaa tarkempaan seurantaan, jos paneeliston osat ovat eri toimintapisteissä.

Aurinkovoimayrittäjän näkökulmasta ongelma on, tuottaako kallis ja monimutkainen järjestelmä suurempien kustannustensa vastineeksi yksinkertaista järjestelmää paremman tuoton. Tähän ongelmaan esitetään ratkaisutapa.

The topic of this thesis is large scale photovoltaic energy production and the power electronic converters involved. The power electronic systems' ability to harvest the energy provided by a solar panel installation formed the main investigation. The converter configurations considered are the single stage inverter, the inverter fed by a centralized boost converter or decentralized boost converters, and the inverter with a grid frequency transformer.

The basic properties of photovoltaic panels and their series and parallel connections are discussed briefly. It is shown that environmental changes have considerable effect on the panels' and thus the whole system's ability to produce energy, especially when panels are connected in series and in parallel, which is often the case in large scale production.

Partially shaded or malfunctioning installations are under special consideration because of the challenges they introduce to optimizing the energy output. This thesis describes a tool for comparing the energy yield of different converter configurations under varying conditions, such as temperature, insolation, and partial shading.

The interest of someone planning to invest in photovoltaic energy production would naturally be whether the added cost of more complex configurations is justified. Is the energy yield considerably better? This thesis provides a tool for answering these questions.