SolarTechnika_animacia

Problematika předpovědi výroby elektrické energie z fotovoltaických farem

Odhad vyrobené energie je zajímavý především pro potenciální investory, kteří požadují přibližný odhad vyrobené energie za určité období, obvykle za celý rok.


Roční výroba energie je pro investora zajímavá zejména z pohledu ekonomické návratnosti investice a kromě informací o konkrétním typu panelů a typu instalace jsou v těchto úvahách zásadním faktorem klimatické podmínky v místě instalace. Pro informaci o očekávané roční výrobě je ideální využít předchozí dlouhodobá měření, která ovšem nejsou zpravidla v dané lokalitě k dispozici. Jinou možností je využití dlouhodobých modelových simulací nebo i různých klimatologických odhadů odvozených např. ze satelitních měření, které jsou k dispozici ve formě tzv. 'slunečních map'.

 

Obrázek 1: Vývoj instalovaného výkonu fotovoltaických farem v České republice

 

Takto pojatý problém modelování a předpovědi výroby elektrické energie u fotovoltaických farem má vcelku jasnou formulaci i řešení a je starý stejně jako existence fotovoltaických panelů. S prudkým nárůstem celkového instalovaného výkonu ovšem dochází ke globálním změnám v energetickém prostředí, na které musí reagovat také obchodníci, distributoři a provozovatelé konvenčních elektráren. Solární "boom" v České republice z důvodů výhodných výkupních cen elektřiny vyrobené s fotovoltaických zdrojů doprovázený snížením investičních nákladů se projevil rychlým růstem objemu celkového instalovaného výkonu. Exponenciální nárůst instalovaného výkonu v letech 2008-2010 je ukázán na obrázku 1. Z důvodů očekávaného dodatečného zdanění výroby fotovoltaické elektřiny v České republice nebude nárůst v následujících letech tak strmý, přesto se očekávají další instalace fotovoltaických farem, byť v menším rozsahu. Vzhledem k tomu, že výkup energie z obnovitelných zdrojů je povinný, musí obchodník a potažmo i provozovatel konvenčních zdrojů naplánovat nákup a provoz ostatních elektráren tak, aby se obnovitelné (kromě fotovoltaiky i větrné elektrárny) a konvenční zdroje navzájem doplňovaly a celkové množství vyrobené energie odpovídalo (při započtení obvyklých ztrát) očekávané spotřebě. Úkolem distributora je pak uřídit distribuční soustavu, která najednou obsahuje mnohem proměnlivější zdroje než tomu bylo zvykem v minulosti. Požadavky na přesnost předpovědi výroby energie z obnovitelných zdrojů za této situace pochopitelně rostou.

 

Obrázek 2: Průběh měřeného globálního záření (na ose y jsou 2 uvedeny hodnoty ve W/m )


Predikce fotovoltaické výroby
Z fyzikálních charakteristik fotovoltaických panelů vyplývá, že vyrobená energie závisí na dopadajícím globálním slunečním záření (GSZ). Na obrázku 2 je uveden pro ilustraci průběh měřeného GSZ v jedné lokalitě na přelomu července a srpna 2010.

 

Obrázek 3: Závislost výkonu fotovoltaické farmy na měřeném GSZ


Z obrázku č. 2 je vidět, že maximální hodnoty se pohybovaly okolo 900 W/m2. Ve dnech, kde se vyskytovala oblačnost, však maximální hodnoty byly cca 4,5 x nižší (cca okolo 200 W/m2). Graf závislosti vyrobeného hodinového výkonu na dopadajícím GSZ z příslušné fotovoltaické farmy je uveden na obr. 3, ze kterého vyplývá, že závislost vyrobeného výkonu na GSZ má téměř lineární charakter.
Budeme-li tedy chtít predikovat vyrobený výkon, budeme muset umět predikovat hodnoty GSZ v dostatečném prostorovém i časovém rozlišení a kvalita předpovědi bude velmi záviset na kvalitě předpovědi GSZ. Problematika přesné "lokální" předpovědi GSZ a příslušné vyrobené energie není jednoduchá. To lze demonstrovat na obrázku č. 4, kde jsou (ilustrativně) zobrazeny dvě různé předpovědi oblačné fronty.

 

Obrázek 4: Ilustrativní předpověď oblačné fronty (dvě variany). Zdroj podkladového obrázku: ČHMÚ


Z meteorologického hlediska jsou obě předpovědi velmi kvalitní. Předpovězený výkon simulované fotovoltaické farmy však pro jednu předpověď (č. 1) bude výrazně lepší než pro druhou předpověď (č. 2), a to v řádu desítek procent instalovaného výkonu.
K přesným předpovědím počasí se používají sofistikované numerické modely počasí s vysokým prostorovým rozlišením. Dnešní modely se používají pro předpověď až na horizont 10 dní dopředu. Přesnost předpovědi závisí jak na typu předpovídané meteorologické veličiny, tak na předpovědním horizontu, a to tak, že čím delší časový horizont, tím nižší přesnost. Globální sluneční záření (spolu se srážkami a oblačností) bohužel patří mezi obtížněji predikovatelné veličiny, a tak jejich maximální predikční horizont ve většině případů omezen jen na jeden až tři dny dopředu.
V Ústavu informatiky AV ČR běží od r. 2004 rutinní předpověď numerického modelu počasí v rámci projektu MEDARD (viz též www.medard-online.cz). V současnosti je používán numerický model WRF s prostorovým rozlišením až 3 x 3 km, pro speciální aplikace lze využít prostorové rozlišení až 1 x 1 km. Tento model poskytuje předpovědi všech základních meteorologických veličin (teploty, tlaku, oblačnosti a rychlosti a směru větru v hodinovém kroku na predikční horizont 1-72 hodin dopředu, a to pro oblast celé Evropy. Pro potřeby předpovědi výroby elekrické energie z fotovoltaických farem byly výstupy rozšířeny i o veličinu globálního slunečního záření (GSZ). Všechny zmíněne veličiny jsou též pro komerční uživatele dostupné na adrese www.meteodata.cz. Příklad příklad předpovědi GSZ a oblačnosti pro oblast střední Evropy je uveden na obrázku 5.

 

Predikční systém FOREG
Pro potřeby operativní předpovědi výroby elektrické energie z fotovoltaických farem byl vyvinut softwarový systém FOREG. Tento systém je nainstalován ve společnosti ČEZ Distribuce a.s. a v ČEPS a.s. a slouží k předpovědi výroby z fotovoltaických a větrných farem na predikční horizont 1-3 dny dopředu.

 

Obrázek 5: Předpověď globálního slunečního záření (vlevo) a oblačnosti (vpravo) na předpovědní horizont 24 hodin dopředu numerickým predikčním modelem WRF (zdrojwww.meteodata.cz)

 

Systém FOREG využívá výstupy z numerického předpovědního modelu počasí WRF, v nejnovější verzi používá dva numerické modely počasí, a to WRF a model ALADIN. Z důvodů solárního "boomu" (a celkově intenzivního rozvoje obnovitelných zdrojů energie včetně větrné energie) byl zvolen přístupu "bottom-up", kdy jsou individuálně modelovány jednotlivé farmy v daných lokalitách a předpokládaná výroba v specifikovaných oblastech je pak dána součtem predikovaných hodnot pro jednotlivé farmy.

 

Obrázek 6: Příklad předpovědi výroby elektrické energie systémem FOREG

 

Tento přístup lépe umožňuje predikovat výrobu elektrické energie v období výrazné nestacionarity způsobené přibývajícími instalacemi slunečních farem. Výhodou je pak možnost systému předpovídat i výrobu jednotlivých konkrétních farem a využívat jako zpětnou vazbu měření z individuálních lokalit. V systému se kromě umístění a instalovaného výkonu farmy zohledňují další údaje, jako jsou sklon, natočení a typ panelů apod. Na obrázku 6 je uveden příklad předpovědi systémem FOREG a jeho porovnání s měřenými hodnotami pro konkrétní farmu pro třídenní období v červnu roku 2010.

 

Závěr a výhledy dalšího rozvoje
Predikční systém FOREG představuje solidní základ pro další rozvoj s využitím zkušeností, které byly anebo budou získány s používáním systému v reálném provozu. Ústav informatiky AV ČR ve spolupráci s dalšími subjekty se bude podílet na vývoji dalších predikčních modelů s využitím naměřených dat, satelitních snímků a dalších meteorologických veličin. Přínosem bude i testování vhodných parametrizací numerických modelů počasí s ohledem na přesnost předpovědí globálního slunečního záření, odhadů nejistot (pravděpodobnostních intervalů spolehlivosti) a vlivu čistoty ovzduší.
Ústav informatiky AV ČR řeší tuto problematiku v rámci projektů EU (program COST) a projektů AV ČR č. M100300904 a GA ČR č. 205/09/079.


Text a ilustrácie:
Doc. Ing. Emil Pelikán,CSc,
Mgr. Pavel Juruš,PhD.
Ústav informatiky AV ČR, v. v. i.
pelikan@cs.cas.cz

Späť

 

Pridať komentár

* :
* :
* :
4 + 1 =
Odoslanie formulára