Τίτλος Άσκησης: Αξιολόγηση της Βέλτιστης ευθυγράμμισης φωτοβολταικών πανελ 1. Περιγραφή του πειράματος και διδακτικοί στόχοι  Για να προχωρήσει κανείς στη σωστή αξιολόγηση της δυνατότητας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ενός φωτοβολταϊκού συστήματος, είναι απαραίτητο να γνωρίζει σε βάθος τη σχέση που υπάρχει μεταξύ αυτής και ορισμένων φυσικών και γεωμετρικών παραμέτρων που επηρεάζουν τη λειτουργία των φωτοβολταϊκών πάνελ. Οι δύο πρώτες παράμετροι που χαρακτηρίζουν την ηλιακή ακτινοβολία και στις οποίες πρέπει να επικεντρωθούμε είναι η ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και η ηλιακή ακτινοβολία. Δύο άλλοι παράγοντες εξαιρετικού ενδιαφέροντος, οι οποίοι πρέπει να αξιολογούνται προσεκτικά, συνδέονται με την κλίση και τον προσανατολισμό των φωτοβολταϊκών πάνελ , καθώς ο συνδυασμός των δύο αυτών παραγόντων καθορίζει την έκθεση της μονάδας. 2. Λίστα στοιχείων Για τη διεξαγωγή του πειράματος που περιγράφεται παρακάτω, θα χρειαστείτε τα εξής: A. Λογισμικό: ‐ Υπολογιστής με λειτουργικό σύστημα Windows 10 ‐ SW SOLAR ‐ BD1 ‐ Λογισμικό για το εργαστήριο DL SOLAR ‐ BD1 B. Υλικό ‐ DL 9021 ‐ Μονάδα μέτρησης για φωτοβολταϊκά συστήματα ‐ PFS ‐ 85 ‐ Ηλιακό φωτοβολταϊκό πάνελ ‐ DL SIMSUN ‐ Πλαίσιο με 12 λαμπτήρες αλογόνου 3. Συνδέσεις Χρησιμοποιώντας το κατάλληλο παρεχόμενο καλώδιο, συνδέστε την υποδοχή πέντε πόλων της μονάδας PFS ‐ 85 (πλαίσιο [A] στην Εικόνα 1) με την αντίστοιχη υποδοχή IRR. / T του οργάνου μέτρησης SOLAR PANEL SENSOR DATA της μονάδας DL 9021 (πλαίσιο [C] στην Εικόνα 1). Χρησιμοποιώντας καλώδια 4 mm, συνδέστε τον κόκκινο και τον μαύρο ακροδέκτη του PFS ‐ 85 (πλαίσιο [A] στην Εικόνα 1) με τους ακροδέκτες + και ‐ αντίστοιχα του τμήματος IN του οργάνου μέτρησης SOLAR PANEL ELECTRICAL DATA της μονάδας DL 9021 (πλαίσιο [B] στην Εικόνα 1). 4. Πειραματικό Μέρος Κάντε όλες τις συνδέσεις γείωσης των μονάδων. Εικόνα 1 ‐ Οι συνδέσεις που πρέπει να γίνουν μεταξύ των διαφόρων μονάδων 4. Σημεία που πρέπει να υπογραμμιστούν Υπενθυμίζουμε ορισμένες θεωρητικές έννοιες σχετικά με δύο θεμελιώδεις παραμέτρους που χαρακτηρίζουν τη φωτοβολταϊκή μετατροπή ενέργειας: ένταση ηλιακής ακτινοβολίας και ηλιακή ακτινοβολία . Είναι εξαιρετικά σημαντικό να μην συγχέονται οι δύο αυτοί όροι: • Η ένταση ηλιακής ακτινοβολίας αντιστοιχεί στην ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας και εκφράζεται σε [W/m 2 ]. • Η ηλιακή ακτινοβολία είναι η ενέργεια που δέχεται σε δεδομένη χρονική περίοδο η ίδια μονάδα επιφάνειας και εκφράζεται σε [J/m 2 ]. Η ηλιακή ακτινοβολία, για πρακτικούς λόγους και για την απλούστευση των υπολογισμών, εκφράζεται επίσης ευκολότερα σε [Wh/m 2 ]. Για την εμπέδωση των εννοιών, αναλύουμε την ακόλουθη εικόνα που δείχνει τις μετρήσεις που έγιναν κατά τη διάρκεια μιας ημέρας στην πόλη του Μιλάνου, όπου αναφέρεται η μέση ένταση ηλιακής ακτινοβολίας, για μια ώρα παρατήρησης, εκφρασμένη σε [W/m 2 ] και η μέση ημερήσια ηλιακή ακτινοβολία, εκφρασμένη σε [Wh/m 2 ], η οποία προφανώς προκύπτει από το άθροισμα. Εικόνα 2 ‐ Τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας και ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκαν στο Μιλάνο στις 16 Ιουνίου 2023 Συνοπτικά, η ισχύς (εκφρασμένη σε kW) ενός φωτοβολταϊκού συστήματος καθορίζεται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας (εκφρασμένη σε kW/m 2 ) και την επιφάνεια των πάνελ, ενώ η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται σε μια δεδομένη χρονική περίοδο (εκφρασμένη σε kWh) εξαρτάται από την ηλιακή ακτινοβολία (εκφρασμένη σε kWh/m 2 ) που είναι διαθέσιμη στο ίδιο χρονικό διάστημα και στην επιφάνεια των πάνελ. Εικόνα 3 ‐ Χάρτης μέσων μηνιαίων τιμών (Ιούνιος για το ετήσιο διάστημα 2006÷2020) Ολικής Οριζόντιας Ηλιακής Ακτινοβολίας Υπάρχουν δημόσιες βάσεις δεδομένων όπου μπορεί να βρει κανείς δεδομένα για την ηλιακή ακτινοβολία. Στην Ιταλία, ο ENEA (εθνικός οργανισμός για τις νέες τεχνολογίες, την ενέργεια και τη βιώσιμη οικονομική ανάπτυξη), ένας δημόσιος φορέας που ελέγχεται από το Υπουργείο Οικολογικής Μετάβασης, συλλέγει δεδομένα σχετικά με την Ολική Οριζόντια Ηλιακή Ακτινοβολία στην ιταλική επικράτεια. Στην Εικόνα 3 παρουσιάζεται ο χάρτης των μέσων μηνιαίων τιμών (για το 15ετές διάστημα 2006÷2020) που αφορούν τον μήνα Ιούνιο. Στη συνέχεια, θα πρέπει να επιστήσουμε την προσοχή σε δύο ακόμη εξαιρετικά ενδιαφέροντες παράγοντες που πρέπει να αξιολογηθούν προσεκτικά: την κλίση και τον προσανατολισμό των φωτοβολταϊκών πάνελ. Ο συνδυασμός των δύο αυτών παραγόντων καθορίζει την έκθεση της μονάδας: • Με τον όρο κλίση της μονάδας νοείται η γωνία b που σχηματίζει το πάνελ με το οριζόντιο επίπεδο (Εικόνα 4). • Ο όρος προσανατολισμός υποδηλώνει τη γωνία g του προσανατολισμού σε σχέση με την ιδανική νότια κατεύθυνση (στο βόρειο ημισφαίριο, βόρεια στο νότιο ημισφαίριο). Η απόκλιση της επιφάνειας συλλογής από τον νότιο προσανατολισμό ονομάζεται επίσης αζιμουθιακή γωνία ή απλώς αζιμούθιο (Εικόνα 5). Εικόνα 4 ‐ Έκθεση μονάδας ‐ Κλίση (γωνία b σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο) Εικόνα 5 ‐ Έκθεση μονάδας ‐ Προσανατολισμός (γωνία g σε σχέση με τη νότια κατεύθυνση) Η βέλτιστη έκθεση των φωτοβολταϊκών μονάδων, για τη μεγιστοποίηση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας, αποτελεί το πρωταρχικό πρόβλημα που πρέπει να αντιμετωπιστεί πριν από κάθε εγκατάσταση φωτοβολταϊκού συστήματος. Συχνά, ωστόσο, οι τιμές κλίσης και προσανατολισμού που μπορούν να λάβουν οι μονάδες εξαρτώνται από αρχιτεκτονικούς και τοπογραφικούς περιορισμούς, όπως για παράδειγμα στην περίπτωση ενός συστήματος που πρόκειται να εγκατασταθεί στην οροφή ενός υπάρχοντος κτιρίου. Τέλος, με βάση την Εικόνα 6, να κάνετε τα ακόλουθα, παρέχοντάς μια εκτύπωση σε χαρτί (ή μια εικόνα που θα τροποποιηθεί μέσω λογισμικού επεξεργασίας γραφικών): • σχεδίαση του διαγράμματος συναρμολόγησης των μονάδων, • έλεγχο των συνδέσεων, χρησιμοποιώντας τη λίστα ελέγχου που αναφέρθηκε πιο πάνω στην ενότητα 3. Συνδέσεις . Εικόνα 6 ‐ Η εικόνα που θα χρησιμοποιήσουν οι σπουδαστές για την άσκηση που αφορά τη σύνδεση των μονάδων   5. Διαδικασία πειράματος Κατά τη διεξαγωγή του πειράματος, ο εκπαιδευτικός θα πρέπει να κάνει συνεχώς αναφορές όχι μόνο στο διάγραμμα σύνδεσης των μονάδων της Εικόνας 1 αλλά και στο ηλεκτρικό διάγραμμα της Εικόνας 7, που δείχνει τις τάσεις, τις εντάσεις και τις ροές ισχύος. Εικόνα 7 ‐ Ηλεκτρικό διάγραμμα αναπαράστασης τάσεων, εντάσεων και ροών ισχύος  Αλλαγή της κλίσης του ηλιακού πάνελ • Θέστε σε λειτουργία τη μονάδα DL 9021 πατώντας τον διακόπτη POWER ON. • Ρυθμίστε τον μηχανισμό κλίσης του φωτοβολταϊκού πάνελ PFS ‐ 85 σε γωνία 90°. Στρέψτε τους λαμπτήρες της μονάδας DL SIMSUN προς το πάνελ, σε απόσταση περίπου 50 cm από αυτό, έτσι ώστε το πάνελ να είναι κατακόρυφο και παράλληλο προς το επίπεδο των λαμπτήρων. Παραπέμποντας στην Εικόνα 8: Θέστε σε λειτουργία τη μονάδα DL SIMSUN γυρίζοντας τον αυτόματο διακόπτη στη θέση ON. Μετακινήστε τον επιλογέα στη θέση LOCAL. Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο φωτεινότητας έτσι ώστε να εμφανιστεί στο όργανο μέτρησης SOLAR PANEL SENSOR DATA της μονάδας DL 9021, η τιμή έντασης ηλιακής ακτινοβολίας 70 [W/m 2 ]. Εικόνα 8 ‐ Λεπτομέρεια του πίνακα ελέγχου DL SIMSUN Σε αυτές τις συνθήκες, θα μπορείτε να δείτε, για διαφορετικές τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας, τις τιμές που αναφέρονται στον Πίνακα 1. ‐ Όργανο μέτρησης SOLAR PANEL SENSOR DATA μονάδας DL 9021 • IRRPV – Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό πάνελ. • TPV – Η θερμοκρασία στο φωτοβολταϊκό πάνελ. ‐ Όργανο μέτρησης SOLAR PANEL ELECTRICAL DATA μονάδας DL 9021 • VPV – Η τάση του φωτοβολταϊκού πάνελ (τάση V1 στο κύκλωμα της Εικόνας 7). Ανατρέχοντας στην Εικόνα 9, τροποποιήστε την κλίση του πάνελ PFS ‐ 85, ώστε να προσομοιώσετε τη μεταβολή της γωνίας κλίσης b του πάνελ σε σχέση με το οριζόντιο επίπεδο, και συμπληρώστε τον Πίνακα 1. Κατά την εκτέλεση αυτής της άσκησης, λάβετε υπόψη ότι μεταξύ των τιμών της γωνίας a που αναγράφονται στον μηχανισμό ρύθμισης του πάνελ και της γωνίας κλίσης b ισχύει η σχέση b = 90° ‐ a Εικόνα 9 ‐ Κλίση του πάνελ PFS‐85 σε σχέση με το επίπεδο της μονάδας λαμπτήρων DL SIMSUN Πίνακας 1 ‐ Οι τιμές των παραμέτρων που μετρώνται στο πάνελ καθώς μεταβάλλεται η γωνία b Το γράφημα για τις τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκαν στην επιφάνεια του πάνελ κατά τη μεταβολή της γωνίας κλίσης b παρουσιάζεται στην Εικόνα 10. Εικόνα 10 ‐ Τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του πάνελ κατά τη μεταβολή της γωνίας κλίσης b Το πείραμα μπορεί να επαναληφθεί εύκολα στο εργαστήριο με τους σπουδαστές. Για να απλοποιήσετε τη διαδικασία, να εισαγάγετε γρήγορα τις τιμές μέτρησης και να δημιουργήσετε το διάγραμμα ισχύος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το υπολογιστικό φύλλο που περιλαμβάνεται στο αρχείο DL_SOL ‐ EXP ‐ 101 ‐ R_2.0.xlsx (Εικόνα 11) που επισυνάπτεται σε αυτό το εγχειρίδιο. Μπορείτε να ανοίξετε το αρχείο με το λογισμικό Excel. Εικόνα 11 ‐ Υπολογιστικό φύλλο αρχείου DL_SOL‐EXP‐101‐R_2.0.xlsx Αλλαγή του αζιμούθιου του ηλιακού πάνελ Θέστε σε λειτουργία τη μονάδα DL 9021 πατώντας τον διακόπτη POWER ON. Ρυθμίστε τον μηχανισμό κλίσης του φωτοβολταϊκού πάνελ PFS ‐ 85 σε γωνία 0°. Στρέψτε τους λαμπτήρες της μονάδας DL SIMSUN προς το πάνελ, σε απόσταση περίπου 74 cm από αυτό, έτσι ώστε το πάνελ να είναι κατακόρυφο και παράλληλο προς το επίπεδο των λαμπτήρων. Ανατρέχοντας στην Εικόνα 8: Θέστε σε λειτουργία τη μονάδα DL SIMSUN γυρίζοντας τον αυτόματο διακόπτη στη θέση ON. Μετακινήστε τον επιλογέα στη θέση LOCAL. Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο φωτεινότητας στο 100%. Σε αυτές τις συνθήκες, θα μπορείτε να δείτε, για διαφορετικές τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας, τις τιμές που αναφέρονται στον Πίνακα 2. Όργανο μέτρησης SOLAR PANEL SENSOR DATA μονάδας DL 9021 IRRPV – Η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας στο φωτοβολταϊκό πάνελ. TPV – Η θερμοκρασία στο φωτοβολταϊκό πάνελ. VPV – Η τάση του φωτοβολταϊκού πάνελ (τάση V1 στο κύκλωμα της Εικόνας 7). Ανατρέχοντας στην Εικόνα 12, αλλάξτε τη θέση της μονάδας DL SIMSUN σε σχέση με το πάνελ PFS ‐ 85, ώστε να προσομοιωθεί η μεταβολή της γωνίας προσανατολισμού g του πάνελ σε σχέση με τη νότια κατεύθυνση, και συμπληρώστε τον Πίνακα 2. Για τη σωστή εκτέλεση αυτής της άσκησης, η μονάδα DL SIMSUN θα πρέπει να μετακινηθεί σε ημικύκλιο σταθερής ακτίνας. Προφανώς, θεωρείται ότι η νότια κατεύθυνση που υποδεικνύεται στην Εικόνα 5 είναι πάντα στραμμένη προς το επίπεδο της μονάδας λαμπτήρων DL SIMSUN. Εικόνα 12 ‐ Προσανατολισμός του πάνελ σε σχέση με τη νότια κατεύθυνση (επίπεδο μονάδας λαμπτήρων DL SIMSUN) Πίνακας 2 ‐ Οι τιμές των παραμέτρων που μετρώνται στο πάνελ καθώς μεταβάλλεται η γωνία g Εικόνα 13 ‐ Τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια του πάνελ καθώς μεταβάλλεται η γωνία προσανατολισμού g Μπορούμε να πετύχουμε το ίδιο αποτέλεσμα (υπό την προϋπόθεση ότι η επιφάνεια της φωτοβολταϊκής μονάδας θα παραμείνει παράλληλη προς το επίπεδο της μονάδας λαμπτήρων) κρατώντας τη μονάδα DL SIMSUN ακίνητη και μετακινώντας το πάνελ PFS ‐ 85 σε ημικύκλιο σταθερής ακτίνας. Στην πραγματικότητα, και σε αυτή την περίπτωση, η σχετική γωνία μεταξύ των δύο συστημάτων θα παραμείνει η ίδια. Το γράφημα για τις τιμές έντασης ηλιακής ακτινοβολίας που μετρήθηκαν στην επιφάνεια του πάνελ κατά τη μεταβολή της γωνίας προσανατολισμού g παρουσιάζεται στην Εικόνα 13. Το πείραμα μπορεί να επαναληφθεί εύκολα στο εργαστήριο με τους σπουδαστές. Για να απλοποιήσετε τη διαδικασία, να εισαγάγετε γρήγορα τις τιμές μέτρησης και να δημιουργήσετε το διάγραμμα ισχύος, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το υπολογιστικό φύλλο που περιλαμβάνεται στο αρχείο DL_SOL ‐ EXP ‐ 102 ‐ R_2.0.xlsx (Εικόνα 14) που επισυνάπτεται σε αυτό το εγχειρίδιο. Μπορείτε να ανοίξετε το αρχείο με το λογισμικό Excel. Εικόνα 14 ‐ Υπολογιστικό φύλλο αρχείου DL_SOL ‐ EXP ‐ 102 ‐ R_2.0.xlsx 6. Διεξαγωγή του πειράματος με το λογισμικό DL SOLAR ‐ BD1 Χρησιμοποιώντας το λογισμικό DL SOLAR ‐ BD1 που παρέχεται με το εκπαιδευτικό σύστημα, μπορείτε να διεξάγετε πολλές ασκήσεις πρακτικής εξάσκησης για τα θέματα που καλύπτονται σε αυτή την παράγραφο. Παραπέμποντας στην Εικόνα 15: Ανοίξτε το λογισμικό DL SOLAR ‐ BD1. Επιλέξτε Περιβαλλοντικοί Παράγοντες από το πλαίσιο κατηγοριών πειραμάτων. Επιλέξτε μία από τις εφαρμογές που εμφανίζονται στο πλαίσιο Λίστα πειραμάτων. Επιλέξτε το κουμπί Εκτέλεση. Ακολουθήστε τις οδηγίες στην online βοήθεια (HELP). Εικόνα 15 ‐ Λογισμικό εργαστηρίου DL SOLAR‐BD1