Co dělá fotovoltaická elektrárna při zatmění Slunce?

Od roku 2010 funguje na střeše fotbalového stadionu v Praze 10 fotovoltaická elektrárna (PV). Menší PV systémy pracují i na plochých střechách Národního divadla v Praze 1. Využili jsme jejich umístění a testovali je při vyjímečné astronomické události. Víte, jak se chovají tyto střešní elektrárny během částečného zatmění Slunce?

Flexibilní fotovoltaické pásy

Střecha fotbalového stadionu má atypický tvar s mírným zaoblením. Řešením zapadá do urbanistické koncepce okolí. Ke konstrukci elektrárny byly použity flexibilní fotovoltaické pásy na bázi tenkých polovodivých vrstev amorfního křemíku orientované vodorovně (obr. 1, obr. 2). Elektrárna není při pohledu z ulice vidět a neruší tak střešní architekturu svého okolí, což by hrozilo při klasické konstrukci s fotovoltaickými panely na bázi krystalického křemíku se sklonem k jihu. Fotovoltaické pásy jsou flexibilní hydroizolační typu VAEPLAN V Solar 432 s nominálním výkonem 432 W_p. Celkem 1 040 pásů se člení do osmi nezávislých sekcí. Ty jsou zapojeny do osmi slučovacích rozvaděčů. Do každého rozvaděče ústí 26 řad po pěti sériově zapojených PV pásech. Skříně rozvaděčů mají pojistkové odpojovače, svodiče přepětí a stejnosměrné odpínače ABB OT160E4, ze kterých se výkon vede na vstupy elektronických měničů. Celkový nominální výkon PV elektrárny na straně stejnosměrného proudu je tedy cca 449 kW_p.

Připojení elektrárny

Připojení elektrárny k třífázové střídavé rozvodné síti zajišťují dva měniče firmy Aurora Power-One (typ PVI-CENTRAL-220.0-CZ) s třífázovým výstupem střídavého napětí. Měniče se skládají ze čtyř bloků, každý o výkonu 55 kW. Bloky mají výstup na centrální sběrnici, která vede výkon do transformátoru. Osm sekcí je tedy připojeno do dvou měničů. Maximální výkon na straně střídavé rozvodné sítě je 440 kW_p.

Když se slunce zatmělo

20. března 2015 jsme mohli sledovat chování PV elektrárny během částečného zatmění Slunce, které v maximu činilo cca 68 % zakrytí plochy slunečního kotouče (viz http://xjubier.free.fr/en/site_pages/solar_eclipses/xSE_GoogleMap3.php?Ecl=+20150320). Intenzita záření na vodorovnou plochu se měřila, intenzita záření na plochu kolmou ke směru záření přepočítávala jako průmět vodorovné plochy do roviny kolmé ke směru záření. 19. a 20. března 2015 byly slunečné dny a mohli jsme tak naměřit, vyhodnotit a porovnat data za oba dny, včetně částečného zatmění Slunce. Na obr. 4 je vidět, že v maximu zatmění skutečně pokles výkonu odpovídá poměrnému zakrytí Slunce a množství vyrobené elektrické energie se v den zatmění snížilo asi o 12 %. Energie odpovídá ploše pod grafem, neboť množství vyrobené elektrické energie za dobu  je dáno vztahem , kde P je okamžitý výkon a t je čas.

Solární energie nižší přibližně o 12  %

I na obr. 5 vidíme, že v maximu zatmění odpovídá pokles intenzity záření poměrnému zakrytí Slunce a celková dopadající solární energie je nižší asi o 12  %. Malý rozdíl poměru dopadající solární energie a poměru vyrobené elektrické energie v obou dnech může být způsoben tím, že střecha fotbalového stadionu je trochu zaoblená. Všechny PV pásy proto nejsou orientovány zcela vodorovně. Množství vyrobené elektrické energie v každém stringu je dáno nejméně osvětleným PV pásem. Průmět plochy PV panelu do roviny kolmé ke směru slunečního záření je dán kosinem úhlu dopadu (, kde  je plocha PV panelu a  je úhel dopadu přímého slunečního záření). Na krajích zaoblené střechy jsou sklony tečny cca ±3°.

Sledovali jsme také teplotu PV pásů, protože při rostoucí teplotě klesá účinnost fotovoltaické přeměny energie. To vyplývá z fyzikální teorie polovodičů. U použitých PV pásů udává výrobce hodnotu poklesu 0,21 % na °C. PV pásy jsou nalepeny přímo na hydroizolační fólii střechy, což zabraňuje jejich chlazení ze spodní strany, proto se během letních slunečných dnů zahřály až na 60 °C. Teplota vzduchu se však měří v blízkosti PV pásů, a proto se nejedná o objektivní meteorologický údaj. Na obr. 6 je dobře vidět střídání ranních teplotních minim a odpoledních teplotních maxim, během slunečných dnů jsou rozdíly teplot mnohem větší. Je rovněž dobře vidět i pokles teplot během zatmění Slunce. Teplota PV pásů je v noci obyčejně nižší než teplota vzduchu v důsledku vyzařování, ve dne je naopak vyšší v důsledku absorpce slunečního záření.

Celkový energetický efekt zatmění Slunce

Ukázalo se, že zatmění Slunce má širší vliv na energetiku zejména ve státech orientovaných na obnovitelné zdroje energie. Úplné zatmění zasáhne plochu kruhu o průměru asi 200 km a s časem se posunuje; částečné zatmění je viditelné na ploše ještě mnohem větší. Celý proces zatmění od začátku do konce trvá asi 2,5 h. V některých státech orientovaných na obnovitelné zdroje energie může být jen na ploše odpovídající úplnému zatmění instalován nominální výkon PV elektráren více než 1 000 MW_p. Takže pokud za slunečného dne dojde k zatmění Slunce, je třeba během 2,5 h vyrovnat a pokrýt pokles a opětovný nárůst okamžitého výkonu o 1 000 MW z jiných energetických zdrojů. Nelehký úkol pro energetický dispečink. Časový posun na vzdálenosti 200 km je ve střední Evropě (přibližně 50°sš) asi 10 minut, což je v porovnání s délkou celého procesu zatmění málo.

Tab. 1 Parametry zatmění Slunce v Praze 20. března 2015

Martin Libra, Václav Beránek, Vladislav Poulek, Jan Sedláček