Wytyczne dotyczące eksploatacji i konserwacji elektrowni fotowoltaicznych w siedmiu różnych strefach klimatycznych
Rosnące zainteresowanie rynkiem PV spowodowało, że niezawodność i wydajność systemów fotowoltaicznych to wiodące tematy inwestorów na całym świecie. Idąc tym tropem, w październiku Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) opublikowała Raport dotyczący eksploatacji i konserwacji paneli fotowoltaicznych w siedmiu różnych strefach klimatycznych. Kompleksowe wytyczne, oparte na szczegółowych analizach, pozwalają na zindywidualizowane podejście do czynności serwisowych i eksploatacyjnych w zróżnicowanych warunkach, również tych ekstremalnych. Raport oparty został na danych pomiarowych z systemów fotowoltaicznych na całym świecie. Wykorzystano je do porównania możliwych metod monitorowania, eksploatacji, oraz szacowania wydajności i żywotności paneli. Jako podstawę działalności eksploatacyjnej i konserwacyjnej przyjęto międzynarodowe standardy:
IEC TS 63049
IEC 62446 – 1
IEC 62446 – 2
IEC 62446 – 3
Odpowiednie wykorzystanie tej wiedzy pozwoli na kompleksowe wsparcie użytkowników przez standaryzację działań oraz wprowadzanie inteligentnych rozwiązań.
Dlaczego powstał raport?
Jak powszechnie wiadomo, fotowoltaika była dotychczas traktowana jako rozwiązanie o niewielkich wymaganiach konserwacyjnych. Przywiązywano wagę jedynie do spadku wydajności instalacji , spowodowanego długotrwałą eksploatacją. Pomijano jednak inny, bardzo istotny aspekt – warunki klimatyczne, które w znacznym stopniu wpływają na częstotliwość występowania awarii i proces degradacji. Dzieje się tak, ponieważ zarówno sposób montażu, jak i użyte do wykonania materiały w odmienny sposób reagują na czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura, wilgotność, światło UV, deszcz, wiatr itp. Brak odpowiedniej wiedzy i regulacji w tym obszarze nie tylko ograniczają postęp technologiczny, ale również narażają użytkowników na ogromne koszty. W obliczu stale rozrastającego się rynku niezwykle istotne jest ustalenie kluczowych wskaźników wydajności z uwzględnieniem odpowiednich charakterystyk środowiskowych. W tekście zaproponowano trzy podstawowe KPI: Guaranteed Performance Ratio, Guaranteed plant availability, Response Time. Wprowadzenie powyższych norm i nałożenie ich na operatorów spowoduje, że na rynku pozostaną jedynie zaufane podmioty, cechujące się holistycznym podejściem do realizowanych inwestycji.
Przewaga innowacyjności
Mimo normalizacji systemów, każdy z nich ma swoje niepowtarzalne cechy, które wymagają odmiennych procedur i standardów bezpieczeństwa. Stąd zwiększone zapotrzebowanie na działania konserwacyjne charakteryzujące się innowacyjnym i w pełni zindywidualizowanym podejściem. Z racji tego rynek dążący do ,,predykcyjnych” rozwiązań będzie szczególnie otwarty na partnerów o elastycznym nastawieniu.
Dotychczas, kiedy koncentrowano się jedynie na wstępnych usługach konserwacyjnych i serwisowych, wykonywane były podstawowe testy, przeglądy prewencyjne i doraźne działania naprawcze. Jednak proces starzenia się modułów i znaczny postęp w dziedzinie analityki i sztucznej inteligencji położyły większy nacisk na rozwój predykcyjnych metod monitorowania. Wykorzystywać one będą historyczne dane instalacji fotowoltaicznej uzyskane z systemu monitorowania oraz dane dotyczące warunków środowiskowych. Pozwoli nam to poznać pewien ogólny wzorzec wydajności i zachowań instalacji, a także zaplanować odpowiednie interwencje konserwacyjne. W raporcie przedstawiona została klasyfikacja systemów monitorowania w zależności od szerokości zakresu ich zastosowania oraz dokładności pomiaru. Zgodnie z normą IEC61724 klasa działań najwyższej jakości obejmuje: podstawową ocenę wydajności systemu, dokumentację gwarancji wykonania, analizę strat systemowych, ocenę interakcji z siecią elektryczną, lokalizację usterki, ocenę technologii PV oraz precyzyjny pomiar degradacji systemu. Na tej podstawie zarówno parametry, jak i strategia analizy, powinny być jasno określone już na etapie projektu, aby wziąć pod uwagę odpowiednie czynniki do integracji z instalacją fotowoltaiczną. Pozwala to wówczas na śledzenie obok parametrów fizycznych, również parametry syntetyczne określone w zależności od charakterystyki zakładu. Późniejsza analiza powinna uwzględniać statystyczną kontrolę danych i ocenę tendencji w zakresie parametrów, a nie konkretne wartości.
Prognozowanie mocy
Mimo rosnącej wartości działań na systemach fotowoltaicznych, nie możemy pominąć aspektu prognozowania mocy PV, które jest podstawą do optymalizacji zarządzania i handlu energią. Bazowe cechy prognoz mocy PV w zależności od dostępnych danych obejmują horyzont prognozy, rozdzielczość przestrzenną i czasową oraz częstotliwość aktualizacji. Pod względem metodyki wyróżniono dotychczas trzy segmenty metod prognozowania (fizyczne, statystyczne, oparte na sztucznej inteligencji), które często wykorzystywane są hybrydowo w zależności od specyfiki instalacji. Klasyczne przykłady metod statystycznych i sztucznej inteligencji obejmują wykorzystanie sztucznych sieci neuronowych, systemów neuronowo- rozmytych, maszyn wektorów nośnych, ukrytych modeli Markowa oraz analizy regresji i autoregresji. Obecnie technika uczenia maszynowego oparta przez wykorzystywanie danych do modelowania parametrów i tworzenia samouczących wzorców stanowi aż 25% metod prognozowania mocy PV.
Strefy klimatyczne
Aby wypracować odpowiednie podejście do poszczególnych warunków oparto się na Klasyfikacji Klimatów Köppena-Geigera, która opisuje pięć głównych stref klimatycznych. Jednak ze względu na wąski opis czynników, schemat był jedynie punktem wyjściowym do stworzenia finalnej klasyfikacji na potrzeby raportu.
KLIMAT UMIARKOWANY
Ta strefa klimatyczna wymaga oceny przede wszystkim pod kątem flory i fauny. Niewielkie zmiany sezonowe skutkują całorocznym rozwojem dzikiej przyrody, która bardzo często ingeruje w konstrukcję modułów, powodując uszkodzenia mechaniczne. Specyfika tych obszarów wiąże się również z szybkim rozwojem przemysłu i wynikającymi z tego faktu zanieczyszczeniami.KLIMAT GORĄCY I SUCHY
Regiony mają charakter głównie pustynny, przez co cechują się niską wilgotnością i sporadyczną roślinnością. Występujące niezwykle rzadko opady mogą powodować erozję gruntów, która negatywnie wpłynie na fundamenty i trwałość instalacji. Dodatkowe wyzwanie dla monitorowania systemów stanowi ich rozległe rozmieszczenie.KLIMAT PUSTYNNY NA DUŻYCH WYSOKOŚCIACH
Głównymi wyzwaniami tego obszaru są ekstremalne poziomy napromieniowania, wahania temperatury oraz korozja wywołana obecnością soli i kondensacją wody. Zmniejszenie wpływu tych czynników środowiskowych pozwoli na maksymalne wykorzystanie słonecznego potencjału regionu.KLIMAT GORĄCY I WILGOTNY
Systemy w tych rejonach narażone są przede wszystkim na wysokie temperatury i wilgoć. Częste i nagłe zmiany temperatury niosą poważniejsze skutki degradacyjne niż wahania dobowe na terenach pustynnych. Dodatkowe zagrożenia takie jak zanieczyszczenia czy pożary mają zbliżoną genezę do tych występujących w strefie umiarkowanej.REGIONY ZAGROŻONE POWODZIĄ
Systemy na obszarach zagrożonych powinny być projektowane w oparciu o historię powodzi na danym terenie. Jednak z powodu zmian klimatycznych narażonych będzie coraz więcej instalacji. Potencjalne szkody można podzielić na dwa rodzaje: spowodowane przez szybko płynącą wodę/uderzenia oraz spowodowane zanurzeniem.REGIONY CYKLONICZNE
Sile wiatry przypisane cyklonowi tropikalnemu mogą doprowadzić do wyrwania instalacji lub licznych pęknięć konstrukcji (spowodowanych silnym naciskiem wiatru). Podczas projektowania systemu należy wziąć pod uwagę statyczne i dynamiczne obciążenie wiatrem, a także przeprowadzić dodatkowe testy w tunelu aerodynamicznym.REGIONY ZAŚNIEŻONE
Duże obciążenie śniegiem powoduje zatrzymanie wytwarzania energii. Spowodowane jest to ograniczoną transmisją światła do ogniw oraz uszkodzeniami modułów pod dużym naciskiem warstw śnieżnych i oblodzeniem systemu. Jednak z drugiej strony śnieg może również pozytywnie wpływać na proces wytwarzania energii. Zwiększa on albedo gruntu, które dodatkowo rośnie wraz z kątem nachylenia modułu.
Wszystkie powyższe dane pokazują, że dobrze zaprojektowana instalacja to niezwykle istotny, jednak nie gwarantujący długiej żywotności aspekt. Aby systemy fotowoltaiczne mogły osiągać pełną żywotność, a nawet ją przekraczać, niezbędne jest połączenie praktyk najwyższej jakości monitorowania, konserwacji, ale przede wszystkim prognozowania z uwzględnieniem warunków klimatycznych panujących w obrębie modułu.