Napoved porazdelitve oddane moči sončne elektrarne, temelječa na napovedi porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja Sebastijan Seme, Gorazd Štumberger, Jože Voršič Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Smetanova 17, 2000 Maribor, Slovenija E-pošta: sebastijan.seme@uni-mb.si Povzetek. Delo obravnava problematiko napovedovanja porazdelitve oddane moči fotonapetostne elektrarne v izbranem časovnem intervalu. V članku je najprej predstavljena nova metoda za napoved porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja. Metoda upošteva atmosferske in reliefne dejavnike, ne upošteva pa meteoroloških, ki vsi skupaj vplivajo na moč globalnega sončnega sevanja. Predlagana metoda je potrjena s primerjavo izmerjene in s predlagano metodo napovedane porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja. Primerjava je podana za mesto Maribor, za meritev moči globalnega sončnega sevanja pa je uporabljen piranometer. Podani rezultati kažejo dobro ujemanje med napovedano in izmerjeno porazdelitvijo moči le za jasne dneve, kjer je vpliv meteoroloških dejavnikov zanemarljiv. Predlagana metoda za napovedovanje porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja je bila za jasne dneve uporabljena tudi v matematičnem modelu fotonapetostne elektrarne za napoved porazdelitve oddane moči. Podani rezultati kažejo dobro ujemanje napovedane in izmerjene porazdelitve oddane moči. Ključne besede: globalno sončno sevanje, zunajzemeljsko sevanje, dolžina sončnih žarkov, fotonapetostna elektrarna, obnovljivi viri energije Forecasting of power distribution produced in a photovoltaic power plant based on forecasted distribution of global solar radiation Extended abstract. This work deals with the forecasting of power distribution produced in a photovoltaic (PV) power plant. Since the power produced in such a power plant depends on the global solar radiation, a new method for forecasting of global solar radiation distribution during the day is proposed. The expression for calculating extraterrestrial solar radiation G in the time interval te [t0, t0+Dt] is given by (4), where the orbital eccentricity factor e(t) and declination angle 8 are given by (5) and (7), respectively. The solar constant Gsc is defined by (3), M (1) is the Sun surface power density while Ts (2) is the temperature on the Sun surface. The global solar radiation that reaches the Earth surface Ggl depends on the extraterrestrial radiation G, the path of sunbeams through the atmosphere and the weather conditions in the atmosphere. In this work the impact of the weather conditions in the atmosphere is neglected. The spherical surfaces of the Earth and the Earth's atmosphere are approximated by two planes as shown in Fig. 1. In this way the length of the sunbeams path through the atmosphere l can be calculated by (8) where h=50 to 80 km is the atmosphere height, while the solar-altitude angle as is defined by (6). When the extraterrestrial radiation G and the global radiation Ggl are known, the relation between them k(l) (9) can be given as a function of the sunbeam path length in the atmosphere l if the impact of weather conditions is neglected (clear sky). In this work function k(l) is approximated by a sum of exponential functions (10) whose parameters are determined by applying a stochastic search algorithm called Differential Evolution [10]. The approximation function parameters A* and B» are given in Table 1 while the approximation function k(l) is shown in Fig. 2. The approximation function k(l) is applied to calculate global solar radiation Ggl-f that reaches the Earth's atmosphere (11). A comparison of the measured and by (11) forecasted global Prejet 27. marec, 2008 Odobren 25. avgust, 2008 radiation distribution during a day is shown in Figs. 3 and 4. The forecasted global solar radiation distribution from Figs. 3 and 4 is used together with the PV power-plant model based on the solar-cell model, Fig. 5, equations (12) and (13), for calculation of the forecasted PV power plant output power distribution. The PV power-plant data are given in Table 2 while the comparison of measured and forecasted output power distribution is shown in Figs. 6 and 7. Keywords: global solar irradiance, extraterrestrial irradiance, solar energy, irradiance, renewable energy, 1 Uvod Elektroenergetski sistem (EES) je zasnovan tako, da mora proizvodnja električne energije, natančneje povedano moč proizvodnih enot, vsak čas zadostiti potrebam po moči porabnikov. Sledenje proizvodnje električne energije porabi je doseženo s tehnologijami in algoritmi, ki omogočajo stabilno obratovanje. Tehnologije in algoritmi so odvisni predvsem od natančne napovedi porabe in proizvodnje električne energije oziroma porazdelitve moči tekom dneva. Napoved proizvodnje električne energije iz konvencionalnih virov je nekoliko lažja, saj ni neposredno odvisna od vremenskih vplivov. Pri napovedi proizvodnje električne energije iz obnovljivih virov (OVE) pa je nujno uporabiti natančno napoved vremenskih vplivov. Pri različnih napravah za proizvodnjo električne energije iz OVE so ti vremenski vplivi različni. Pri vetrnih elektrarnah je to hitrost vetra, pri fotonapetostnih elektrarnah (FE) pa vpliv atmosfere (oblačnosti) na moč sončnega sevanja, ki pade na sprejemnik. Moč sončnega sevanja, ki pade na Zemljo, imenujemo moč globalnega sončnega sevanja. Metode za napoved porazdelitve moči sončnega sevanja uporabljajo različne korake časovne diskretizacije. Številni avtorji tako uporabljajo predvsem dnevni korak diskretizacije in tudi različne pristope za napovedovanje [1] - [5]. Manjše število avtorjev, kot recimo [6] - [7], pa pri tem uporablja metode, ki omogočajo urni korak časovne diskretizacije. V delu je najprej predstavljena nova metoda za napoved porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja za časovni interval enega dneva s korakom časovne diskretizacije ene ure. Predlagana metoda upošteva atmosferske in reliefne dejavnike, ne upošteva pa meteoroloških dejavnikov. Glede na povedano je v dani obliki primerna za napoved porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja le za jasne dneve, ko so meteorološki dejavniki zanemarljivi. Za upoštevanje vplivov meteoroloških dejavnikov jo bo treba še dopolniti. Predlagana metoda je potrjena s primerjavo napovedane in s piranometrom izmerjene porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja. Primerjava je izvedena za jasne dneve za mesto Maribor z urnim korakom diskretizacije. Pri tem so uporabljeni rezultati meritev s piranometrom, ki jih izvaja Agencija Republike Slovenije za okolje (ARSO). Napoved porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja je uporabljena v matematičnem modelu FE moči 7,5 kW, ki obratuje na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko (FERI) v Mariboru. Model FE je sestavljen v programskem paketu Matlab v obliki matematičnih izrazov povzetih po [8] in [9]. Primerjava z modelom napovedane in izmerjene porazdelitve proizvodnje električne energije - oddane moči FE na FERI je izvedena za en dan v časovnih korakih dolžine ene ure. 2 Metoda in model V tem poglavju je najprej predstavljena nova metoda za napoved porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja prek dneva. Napovedana porazdelitev moči globalnega sončnega sevanja je ovrednotena s primerjavo z izmerjeno za primer mesta Maribor. V drugem delu poglavja je opisan matematični model FE. S pomočjo matematičnega modela FE in napovedi porazdelitve moči globalnega sončnega sevanja je mogoče napovedati časovno porazdelitev proizvodnje električne energije - oddane moči FE čez dan. Napovedana porazdelitev oddane moči je ovrednotena s primerjavo z izmerjeno za primer FE na FERI. 2.1 Metoda za napoved energije globalnega sončnega sevanja Pri napovedi moči globalnega sončnega sevanja in njene časovne porazdelitve na opazovani površini moramo poznati moč sončnega sevanja zunaj zemeljskega ozračja in dolžino sončnih žarkov v atmosferi. Če želimo natančno opisati parametre za napoved moči globalnega sončnega sevanja, moramo začeti pri samem izvoru sončne energije. Izvor sončne energije je Sonce, ki je centralno telo našega osončja in nam najbližja zvezda. Sonce v okoliški prostor nenehno pošilja svojo energijo v obliki elektromagnetnega valovanja, pretežno v spektru od vključno ultravijolične do vključno infrardeče svetlobe. Če obravnavamo Sonce kot črno telo, lahko z (1) definiramo moč sevanja Sonca na enoto površine, kot je to definirano v [9]. M = F A = sT4 = 3,845 • 102 6,087 101 ■= 63,11 MW m (1) Pri tem je F moč Sonca, pa površina Sonca,