Kétkomponensű non-lineáris modell alkalmazása a napelemes rendszerek kimenő teljesítményének előrejelzésére

Elindult az új Otthonfelújítási program! Minősítsen elő!

A napelemes rendszerek leadásra kerülő teljesítményének előrejelzése, azok élettartama során alapvető jelentőségű. A leadásra kerülő teljesítmény előrejelzése igen nagy kihívást jelent a napelemes rendszerek esetén, mivel egyrészről a degradáció nem lineáris, illetve azt, az erős klimatikus hatások is nagyban befolyásolják. További kihívást jelent az, hogy a teljesítmény az egyes elhelyezési területtől is függ, illetve, hogy új technológiák kerülnek bevezetésre. Igen nagy igény mutatkozik arra, hogy egyes napelemes rendszerekre vonatkozó kevés számú megfigyelésen alapuló előrejelzések lássanak napvilágot. 03

NREL adatok Alább egy hat éven át, havi méréseken keresztül nyomon követett napelemes rendszer szórásgörbéje látható A megoldás: Az adatok ismertetéséhez egy kétrészes modellt veszünk alapul. Íme a két részből álló, nem lineáris modell: -ami egyszer egy transzformált exponenciálisan csökkenő modell, az alapul szolgáló degradációs folyamathoz -és egy két tagból álló szinusz sorozat, mely számba veszi az évszakváltozások hatásait. Az említett modell használhatóságát, egy bátorító példa mutatja be, mely egy napelemes rendszer teljesítmény degradációját követi nyomon hat éven keresztül. Bemutatásra kerül, hogy a modellbe táplált csupán egy évre vonatkozó adatokból nyert előrejelzések is igen meglepő pontosságúak. A kétkomponensű modell: A degradációs modell A teljes degradációs modellhez, d(t), feltételeztünk egy exponenciálisan csökkenő mintát amely időben transzformálódik, 04

ahol beta0, beta1 & beta2 ismeretlen paraméterek, melyeket az adatokból becsülünk meg beat0 paraméter jelzi a napelemes rendszer hosszú távú, stabil kimenő teljesítményét beta1 jelzi a kimenő teljesítmény teljes csökkenését beta2 az alap degradáció mértékéhez járul hozzá A kétkomponensű modell: Évszakok hatása Egy kéttagú szinuszos sorozat modell: 05

A kétkomponensű modell: A teljes modell A teljes kimenő teljesítmény modell a degradációs és évszakokra vonatkozó komponenseknek összege,

08

A lambda megválasztása

09

Skálán megadott teljesítmény Ha lambda=1

91

Ha lambda=0.5 Mi történik, ha egy tagból álló szinuszos sorozat modellt alkalmazunk? Ez esetben alpha2=0. Megfigyelhetjük, hogy a modell nem igazán jó és nem illeszkedik megfelelően, lásd a „könyököt” 10

Becsült paraméterek: Az ismeretlen paramétereket az adatok felhasználásával non-lineáris regresszió számítással becsültük meg a JMP statisztikai szoftver Nonlineáris platformját alkalmazva.

11

Szemrevételezés 12 Korai előrejelzés A napelemes rendszerek teljesítmény degradációs modellje igen értékes lehet amennyiben alkalmas arra, hogy néhány korai leolvasott adat bevitelével pontos előrejelzéseket kapjunk. A két komponensűmodell teljesítményének kiértékeléséhez egy non-lineáris regressziós számítást használtunk, hogy az első 12 hónaphoz állítsuk be modellünket. Korai előrejelzések 13

Relatív teljesítmény és a Beállított modell szemben a Hónapok adatai Annak ellenére, hogy csak kevés adatot használtunk, a modell mégis jól illeszkedik a további öt év eredményeihez. Ez arra enged következtetni, hogy ez a két kompartmentes modell hasznos lehet arra, hogy a napelemes rendszerek kimenő teljesítményének korai adatai alapján arról előrejelzéseket adjon. Első következtetés:

  • A két komponensből álló modell meglepően közeli t értéket ad a mért adatokhoz képest, mikor a paraméterek mind a hat év adataival kerültek megbecsülésre.
  • Mikor a modellt csak az első éves adatokkal állítjuk be, azt láthatjuk, hogy így is pontos adatokat jelez előre a fennmaradó öt évre vonatkozóan is.

14

Második következtetés: Ne feledjük, hogy a fentiek csupán egyetlen adatbázis elemzéseit mutatják be. Mielőtt ezt a fajta modellt általánosabb használatra fognánk érdemes számos napelemes rendszer kimenő teljesítmény adatbázisát lefuttatni rajta.Szabadtéri vizsgálatok az NREL-nél Igen nehézkes bizonyos részletekre vonatkozó adatokhoz jutni a szabadtéri vizsgálatok szakirodalmából a különböző körülmények, napelem típusok, gyártók, telepítési idők, megfigyelési időtartamok és földrajzi elhelyezkedés okán. A NREL kísérleti telepe, a PERT (Performance and Energy Rating Testbed), ideális lehetőséget biztosít a napelem modulok részletes tesztelésére, hiszen sokféle modult vizsgál egy bizonyos területen. Több mint 10 gyártótól, 40-et is meghaladó számú modul került egymás mellé ugyanazon légköri viszonyok közé, egy kültéri hosszú távú megbízhatósági vizsgálatra. A modulok telepítése nagyban különbözött, mivel a legkorábbi egységek még 1993-ból valók. Ugyancsak változatosságot mutat a megfigyelés időtartama, mely pár hónaptól, 16 éves periódusig terjed. Ezen bizonytalansági tényezők okán a két éves időtartam alatti méréseket figyelmen kívül hagyták a szakértők. A megfigyelésben szereplő napelemes technológiák a következők voltak: amorf szilikon (a-Si), monokristályos szilikon (mc-Si), polykristályos szilikon (pc-Si), kadmium tellurid (CdTe) és réz indium gallium szelenid (CIGS). A modulok a 40-es szélességi körön déli tájolással kerültek elhelyezésre, a maximális teljesítményre 15 percenkénti IV kör/ciklus –ban. A PVUSA módszert alkalmazták a mért teljesítmény PTC referencia állapotra hozása során. A PVUSA vizsgálati feltételei a következők: besugárzás = 1,000 watt per négyzetméter; szobahőmérséklet = 20 C; szélsebesség = 1 m/sec. A későbbiekben a havi normalizált adatok idő szerinti elrendezésben került megjelenítésre és a degradációs arány egy lineáris legkisebb négyzet illesztés alapján került meghatározásra.A PERT-en tesztelt napelem modulok eredményeit a különböző technológiák és a telepítés dátuma szerint csoportosítva mutatták be. Az időrend szempontjából a modulokat 2000 előtt és után telepített csoportokra osztották. A 2000-es év mint választóvonal mellett azért döntöttek, hogy nagyjából hasonló számú modell szerepelhessen minden egyes kategóriában. Arra derül fény, hogy a CdTe, CIGS és pc-Si technológiák degradációs aránya csökkenést jelez a 2000 utáni kategóriában, miközben az a-Si kategória nagyjából ugyanazt az eloszlást mutatja. Sajnos új mc-Si modulok nem kerültek telepítésre 200 után, így egy közvetlen összehasonlításra nem nyílt alkalom. Továbbá három kategória csak egy adatpontot tartalmazott, ami az elemzést e tekintetben nem tette túl meggyőzővé.A szakértők azt találták, hogy nincs statisztikailag jelentős eltérés a 2000 előtt és után gyártott a-Si, mc-Si és pc-Si modulok vonatkozásában, viszont jelentős csökkenés tapasztalható a CdTe és CIGS modellek kapcsán, párhuzamot mutatva az NREL által már korábban kimutatott eredményekkel. Ha az összes 2000 előtti degradációs arányt a technológiák vonatkozásában a statisztikai variációelemzést szemügyre véve a vékony-film technológiák (a-Si, CdTe és CIGS) lényegesen magasabb degradációt mutatnak a kristály-szilikonos megfelelőikkel egybevetve. Nos, ezzel egy korábbi általános tapasztalatot igazol vissza a megfigyelés, ugyanakkor egy hasonló elemzés a 2000 év utáni kategóriában arra mutat rá, hogy nincs lényeges különbség a vékonyfilmes és kristály-szilikonos technológiák közt. Ez pedig arra enged következtetni, hogy a vékonyfilmes technológiák fel tudták venni az utóbbi időben a versenyt a kristály-szilikonos megoldásokkal. Sőt, a monokristályos és polikristályos szilikon technológiák degradációs középértéke egy kicsit megugrik a 2000 év utáni kategóriában, bár ezek az értékek statisztikailag elhanyagolhatóak. Összefoglalásképp tehát elmondható, hogy az NREL-nél elhelyezett 40 modul vizsgálata és a szakirodalom beszámolói egyaránt azt mutatják, hogy a napelemek hosszú távú megbízhatóság a nagyban javult az elmúlt évtizedekben és ez különösképpen áll a vékonyfilmes napelem technológiák esetében.