Rozwiązanie krok po kroku: Przegląd instalacji OZE

Tabela 6 podaje dwa wzory, które stosuje się jeden po drugim:

1. ciśnienie cieczy roboczej: po = 1,5 bar + 0,1 bar/m · H, gdzie H to wysokość statyczna instalacji (tabela 1) - każdy metr słupa cieczy nad naczyniem to ok. 0,1 bar,
2. ciśnienie wstępne poduszki gazowej: pi = po - 0,3 bar - poduszka musi mieć trochę mniej niż ciecz, żeby przepona po napełnieniu instalacji wpuściła do naczynia niewielką rezerwę płynu.

Dla trzech instalacji (H = 12, 10 i 14 m):

• nr 1: po = 1,5 + 0,1 · 12 = 2,7 bar, pi = 2,7 - 0,3 = 2,4 bar,
• nr 2: po = 1,5 + 0,1 · 10 = 2,5 bar, pi = 2,2 bar,
• nr 3: po = 1,5 + 0,1 · 14 = 2,9 bar, pi = 2,6 bar.

Zapisuję obliczenia w rubrykach „Obliczenia:” - klucz sprawdza, że użyto obu wzorów.

Zmierzone ciśnienie wstępne przepisuję z tabeli 1: 2,0 bar. Wymagane z obliczeń: 2,4 bar.

Porównanie: 2,0 < 2,4, więc ciśnienie jest za niskie - poduszka gazowa ma o 0,4 bar mniej, niż powinna.

Skutek w pracy instalacji: przy za niskiej poduszce przepona jest wypchnięta płynem już po napełnieniu, więc przy nagrzaniu płyn nie ma gdzie się rozszerzyć. Ciśnienie rośnie i otwiera się zawór bezpieczeństwa - w tabeli 1 odnotowano właśnie sporadyczny wyciek z zaworu bezpieczeństwa.

Zmierzone ciśnienie wstępne przepisuję z tabeli 1: 2,5 bar. Wymagane z obliczeń: 2,2 bar.

Porównanie: 2,5 > 2,2, więc ciśnienie jest za wysokie - poduszka ma o 0,3 bar za dużo.

Za wysoka poduszka ściska przeponę tak, że po napełnieniu instalacji płyn prawie nie wchodzi do naczynia - zostaje mniejsza objętość robocza na rozszerzanie płynu i przy nagrzaniu ciśnienie także rośnie szybciej.

Zmierzone ciśnienie wstępne przepisuję z tabeli 1: 0,5 bar. Wymagane z obliczeń: 2,6 bar.

Porównanie: 0,5 < 2,6, więc ciśnienie jest za niskie - aż o 2,1 bar, naczynie praktycznie nie ma poduszki gazowej.

To ta sama sytuacja co w instalacji nr 1, tylko znacznie poważniejsza: przy 0,5 bar naczynie przeponowe niemal nie spełnia swojej funkcji.

Za niskie ciśnienie wstępne usuwa się uzupełniając poduszkę gazową - przez zawór gazowy naczynia (zwykle azotem, dopuszczalnie powietrzem) do wartości wymaganej: 2,4 bar w instalacji nr 1 i 2,6 bar w instalacji nr 3. Ciśnienie wstępne ustawia się i sprawdza przy naczyniu odciętym od instalacji po stronie płynu (bez ciśnienia cieczy), bo tylko wtedy manometr pokazuje ciśnienie samej poduszki.

Klucz dopuszcza też zapis „regulacja ciśnienia”, „podniesienie ciśnienia” albo „wymiana naczynia”.

W instalacji nr 2 trzeba upuścić część gazu z poduszki przez zawór gazowy naczynia, aż manometr pokaże 2,2 bar.

Ostatni wiersz jest teraz kompletny i każdy wpis prowadzi do usunięcia swojej nieprawidłowości: dwa „podnieść ciśnienie”, jeden „obniżyć ciśnienie”, każdy z wartością docelową z obliczeń. Nie wpisuję jednego ogólnego „wyregulować” dla wszystkich - przy instalacji nr 2 kierunek regulacji jest odwrotny.

We wszystkich instalacjach płyn jest „na bazie glikolu C”, więc wzorcem są parametry glikolu C z tabeli 4: barwa różowa, pH 7,5 ÷ 8,5.

Instalacja nr 1: barwa różowa → prawidłowa, pH 7,9 mieści się w 7,5 ÷ 8,5 → prawidłowe.

Barwa różowa → prawidłowa. pH 7,5 to dokładnie dolna granica przedziału 7,5 ÷ 8,5 - granica należy do przedziału, więc prawidłowe.

Barwa brunatna zamiast różowej → nieprawidłowa. Brązowienie glikolu zwykle świadczy o jego degradacji termicznej (przegrzewaniu), a w tabeli 1 odnotowano też osady. pH 7,8 mieści się w normie → prawidłowe.

Wymaganą temperaturę zamarzania wyznacza strefa klimatyczna: na rysunku 3 Płock leży w strefie III, której obliczeniowa temperatura zewnętrzna wynosi -20 °C. Płyn musi zamarzać w tej temperaturze albo niższej, więc wymagana jest nie więcej niż -20 °C (ten zapis powtarzam we wszystkich trzech kolumnach).

Instalacja nr 1: zmierzone -28 °C ≤ -20 °C → właściwa (to dokładnie minimalna temperatura krystalizacji świeżego glikolu C z tabeli 4).

Zmierzono -18 °C: to temperatura wyższa niż -20 °C, czyli płyn zamarzłby, zanim na zewnątrz zrobi się tak zimno, jak zakłada strefa III → niewłaściwa. Płyn ma za małe stężenie glikolu (np. po rozcieńczeniu wodą przy uzupełnianiu ubytków).

Zmierzono -18 °C, wymagane nie więcej niż -20 °C → niewłaściwa, z tego samego powodu co w instalacji nr 2.

Płyn jest zdatny do dalszej eksploatacji tylko wtedy, gdy wszystkie oceniane parametry są dobre. W instalacji nr 1: barwa prawidłowa, pH prawidłowe, temperatura zamarzania właściwa, bez osadów → zdatny.

Barwa i pH są dobre, ale temperatura zamarzania niewłaściwa - płyn nie chroni instalacji przed mrozem w strefie III. Do tego tabela 1 notuje osady → do wymiany (klucz dopuszcza też „niezdatny”).

Barwa nieprawidłowa i temperatura zamarzania niewłaściwa (pH jeszcze w normie), osady → do wymiany. Dopiero co najmniej jedna zła ocena w kolumnie przesądza o wymianie - wniosek musi wynikać z ocen wpisanych wyżej.

Czujnik T1 mierzy temperaturę płynu solarnego w kolektorze (schemat w tabeli 1). Dwie pierwsze temperatury przepisuję z tabeli 1, trzecią odczytuję z charakterystyki PT1000 (tabela 5) - szukam zmierzonej rezystancji czujnika i biorę temperaturę z sąsiedniej kolumny:

• instalacja nr 1: 1070,0 Ω → 18 °C (wyświetlana 18 °C, rzeczywista 18 °C),
• instalacja nr 2: 1062,2 Ω → 16 °C (wyświetlana 13 °C, rzeczywista 16 °C),
• instalacja nr 3: 1077,9 Ω → 20 °C (wyświetlana 20 °C, rzeczywista 20 °C).

PT1000 ma rezystancję 1000 Ω w 0 °C i rośnie o niecałe 4 Ω na każdy stopień - dlatego w tabeli 5 sąsiednie stopnie różnią się o ok. 3,9 Ω.

Czujnik mierzy dobrze, jeśli jego rezystancja odpowiada temperaturze rzeczywistej. Porównuję więc temperaturę rzeczywistą z odczytaną z karty katalogowej - sterownik nie bierze w tym udziału:

• nr 1: 18 °C i 18 °C → prawidłowe,
• nr 2: 16 °C i 16 °C → prawidłowe,
• nr 3: 20 °C i 20 °C → prawidłowe.

Sterownik przelicza rezystancję czujnika na temperaturę. Jeśli robi to dobrze, wyświetla dokładnie temperaturę z karty katalogowej dla zmierzonej rezystancji - nawet wtedy, gdy sam czujnik przekłamuje. Porównuję więc wyświetloną z odczytaną z karty:

• nr 1: 18 °C i 18 °C → zgodne,
• nr 2: 13 °C i 16 °C → niezgodne,
• nr 3: 20 °C i 20 °C → zgodne.

W instalacji nr 2 czujnik jest dobry (16 °C), a sterownik pokazuje 13 °C - błąd leży po stronie sterownika.

Czujnik T2 mierzy temperaturę wody w dolnej części zasobnika (schemat w tabeli 1). Dwie pierwsze temperatury przepisuję z tabeli 1, trzecią odczytuję z charakterystyki PT1000 (tabela 5) - szukam zmierzonej rezystancji czujnika i biorę temperaturę z sąsiedniej kolumny:

• instalacja nr 1: 1058,4 Ω → 15 °C (wyświetlana 15 °C, rzeczywista 15 °C),
• instalacja nr 2: 1070,0 Ω → 18 °C (wyświetlana 18 °C, rzeczywista 18 °C),
• instalacja nr 3: 1077,9 Ω → 20 °C (wyświetlana 20 °C, rzeczywista 20 °C).

Czujnik mierzy dobrze, jeśli jego rezystancja odpowiada temperaturze rzeczywistej. Porównuję więc temperaturę rzeczywistą z odczytaną z karty katalogowej - sterownik nie bierze w tym udziału:

• nr 1: 15 °C i 15 °C → prawidłowe,
• nr 2: 18 °C i 18 °C → prawidłowe,
• nr 3: 20 °C i 20 °C → prawidłowe.

Sterownik przelicza rezystancję czujnika na temperaturę. Jeśli robi to dobrze, wyświetla dokładnie temperaturę z karty katalogowej dla zmierzonej rezystancji - nawet wtedy, gdy sam czujnik przekłamuje. Porównuję więc wyświetloną z odczytaną z karty:

• nr 1: 15 °C i 15 °C → zgodne,
• nr 2: 18 °C i 18 °C → zgodne,
• nr 3: 20 °C i 20 °C → zgodne.

Czujnik T3 mierzy temperaturę wody w górnej części zasobnika (schemat w tabeli 1). Dwie pierwsze temperatury przepisuję z tabeli 1, trzecią odczytuję z charakterystyki PT1000 (tabela 5) - szukam zmierzonej rezystancji czujnika i biorę temperaturę z sąsiedniej kolumny:

• instalacja nr 1: 1077,9 Ω → 20 °C (wyświetlana 20 °C, rzeczywista 18 °C),
• instalacja nr 2: 1077,9 Ω → 20 °C (wyświetlana 20 °C, rzeczywista 20 °C),
• instalacja nr 3: 1085,6 Ω → 22 °C (wyświetlana 22 °C, rzeczywista 22 °C).

Czujnik mierzy dobrze, jeśli jego rezystancja odpowiada temperaturze rzeczywistej. Porównuję więc temperaturę rzeczywistą z odczytaną z karty katalogowej - sterownik nie bierze w tym udziału:

• nr 1: 18 °C i 20 °C → nieprawidłowe,
• nr 2: 20 °C i 20 °C → prawidłowe,
• nr 3: 22 °C i 22 °C → prawidłowe.

W instalacji nr 1 czujnik T3 ma rezystancję odpowiadającą 20 °C, a woda ma 18 °C - czujnik przekłamuje i do wymiany jest czujnik, nie sterownik.

Sterownik przelicza rezystancję czujnika na temperaturę. Jeśli robi to dobrze, wyświetla dokładnie temperaturę z karty katalogowej dla zmierzonej rezystancji - nawet wtedy, gdy sam czujnik przekłamuje. Porównuję więc wyświetloną z odczytaną z karty:

• nr 1: 20 °C i 20 °C → zgodne,
• nr 2: 20 °C i 20 °C → zgodne,
• nr 3: 22 °C i 22 °C → zgodne.

Instalacja nr 1: sterownik pokazuje 20 °C, czyli to, co „mówi” rezystancja czujnika - sterownik działa poprawnie, choć temperatura jest błędna. Winny jest czujnik.

Sterownik jest sprawny, jeśli dla wszystkich trzech czujników jego wskazania są zgodne z kartą katalogową:

• instalacja nr 1: T1, T2, T3 zgodne → sprawny (nieprawidłowy jest czujnik T3, nie sterownik),
• instalacja nr 2: T1 niezgodne → niesprawny,
• instalacja nr 3: wszystkie zgodne → sprawny.

Najpierw sprawdzam, czy krzywa katalogowa pasuje do tabeli 3: łańcuch ma 16 modułów, więc UOC = 16 · 37,72 V = 603,52 V, a ISC łańcucha = ISC modułu = 14,18 A (moduły połączone szeregowo mają wspólny prąd). Zielona krzywa przecina osie właśnie w tych punktach.

Krzywa rzeczywista łańcucha 1 zaczyna się przy tym samym prądzie zwarcia, ale napięcie obwodu otwartego spadło do ok. 550 V (odczyt z wykresu), czyli o ok. 9 %. Prąd w porządku, napięcie za małe - przyczyną jest coś, co obniża napięcie łańcucha:

• wysoka temperatura modułów - napięcie ogniw krzemowych maleje ze wzrostem temperatury, a prąd prawie się nie zmienia,
• zwarcie na diodzie obejściowej - zwarta dioda wyłącza z pracy część ogniw modułu, łańcuch traci ich napięcie,
• zwarcie doziemne - upływ do ziemi w części łańcucha także obniża napięcie łańcucha.

Wszystkie trzy są w tabeli 8 i w kluczu (klucz uznaje też m.in. zacienienie, jednolite zabrudzenie i degradację PID). Wpisuję trzy, choć arkusz wymaga dwóch - każda musi być poprawna.

Krzywa rzeczywista łańcucha 2 kończy się przy tym samym napięciu obwodu otwartego (ok. 604 V), ale cała leży niżej - prąd zwarcia spadł do ok. 12 A zamiast 14,18 A. Prąd ogniwa jest proporcjonalny do natężenia promieniowania, które do niego dociera, więc przyczyną jest coś, co zmniejsza ilość światła na całym łańcuchu:

• jednolite zabrudzenie modułów (kurz, pyłki, osad),
• zacienienie instalacji.

Klucz uznaje dla tego łańcucha także przyczyny rezystancyjne (skorodowane styki, zbyt wysoka rezystancja okablowania DC, wzrost rezystancji szeregowej, wiek modułów, wadliwe lutowanie ogniw). Wybrałem przyczyny, które najprościej tłumaczą równomierne obniżenie prądu przy niezmienionym napięciu.

Ekran „Napięcie sieciowe L1 / L2 / L3” na rysunku 2 to napięcia fazowe (każda faza względem przewodu neutralnego). Jednostka: V, trzy wartości: 239,0; 238,2; 234,9 - wpisuję je w trzy komórki kolumny 4.

Tabela 7 (rozporządzenie o funkcjonowaniu systemu elektroenergetycznego): napięcie znamionowe sieci nN to 230/400 V, a dopuszczalne odchylenie wartości skutecznej to ±10 %. Instalacja przyłączona do sieci nN należy do grupy przyłączeniowej IV albo V, a wymóg ±10 % obowiązuje grupy III ÷ V.

230 V · 0,9 = 207 V, 230 V · 1,1 = 253 V → przedział 207 - 253 (klucz uznaje też zapis „230 ±10 %”).

Drugi ekran „Napięcie sieciowe” pokazuje pary L1-L2, L2-L3, L3-L1 - to napięcia międzyfazowe. Jednostka V, wartości 410,2; 408,0; 407,2.

Ta sama tolerancja ±10 %, ale od napięcia znamionowego 400 V (= 230 V · √3): 400 · 0,9 = 360 V, 400 · 1,1 = 440 V → 360 - 440.

Ekran „INFO - Wartości pomiarowe”: PV Iso. 183,67 MΩ - to rezystancja izolacji obwodów DC względem ziemi, którą falownik mierzy przed każdym załączeniem. Jednostka MΩ, wartość 183,67.

Wymaganie z normy PN-HD 60364-6 (strona 9 arkusza) zależy od napięcia pracy obwodu. Łańcuch ma UOC = 16 · 37,72 V ≈ 603,5 V, a falownik pokazuje U PV1 = 522,6 V - to obwód powyżej 500 V, mierzony napięciem probierczym 1000 V, minimum 1 MΩ (dla obwodów do 500 V również 1 MΩ). Wpisuję min. 1.

• napięcia fazowe 234,9 ÷ 239,0 V mieszczą się w 207 ÷ 253 V → poprawny,
• napięcia międzyfazowe 407,2 ÷ 410,2 V mieszczą się w 360 ÷ 440 V → poprawny,
• izolacja 183,67 MΩ ≥ 1 MΩ → poprawny.

Wniosek ważny dla tabeli F: w chwili odczytu falownik pracował przy poprawnych parametrach sieci i bez uszkodzenia izolacji po stronie DC.

Energia 11 kwietnia to 16 kWh, a 28 lutego 48 kWh - tylko 16 / 48 = 33 %, choć w kwietniu instalacja pracuje dłużej (na wykresie moc pojawia się już ok. 6:00 i trwa do ok. 19:00, w lutym od ok. 6:30 do ok. 17:00).

Kształt wykresu 11 kwietnia jest „poszarpany”: moc skacze od kilkuset watów do ponad 15 kW, a w kilku miejscach w środku dnia spada do zera (np. ok. 12:30 i ok. 13:45). Arkusz wyklucza przerwy w sieci i uszkodzenie łańcuchów, a tabela E potwierdza poprawne parametry pracy. Zostają przyczyny chwilowe, zewnętrzne lub związane z pracą falownika.

Szybkie wahania mocy w ciągu dnia to typowy obraz zmiennego zachmurzenia: gdy chmura przesłania słońce, moc łańcuchów spada w ciągu sekund, a po przejściu chmury wraca, czasem nawet powyżej poziomu z bezchmurnego nieba (odbicie od krawędzi chmur). Klucz uznaje też zacienienie i przejściowe opady.

Spadki mocy dokładnie do zera w środku dnia (sieć była dostępna) wskazują na chwilowe wyłączanie się falownika - błąd pracy albo reakcja zabezpieczeń na chwilowe parametry sieci AC (klucz uznaje „wyłączanie się inwertera”, „błędy w pracy inwertera” albo „niewłaściwe parametry sieci zasilającej AC”).

Obie przyczyny są chwilowe i nie świadczą o uszkodzeniu strony DC - zgodnie z treścią zadania łańcuchy pracują prawidłowo, a izolacja ma 183,67 MΩ. Nie wpisuję więc np. „zwarcia doziemnego” ani „uszkodzonych modułów”.

Klucz tego nie ocenia, ale rysunek 2 pozwala sprawdzić, ile instalacja oddawała w chwili zdjęcia:

• moc AC: P = (239,0 + 238,2 + 234,9) V · 3,36 A = 2393 W ≈ 2,39 kW,
• to ok. 12 % mocy nominalnej falownika 20 kW,
• strona DC: U PV1 · prąd solarny = 522,6 V · 4,74 A = 2477 W - jeśli „prąd solarny” to cały prąd DC falownika, sprawność w tej chwili wynosiłaby ok. 96,6 %.

Niska moc chwilowa przy poprawnych napięciach i izolacji pasuje do wniosków z tabel E i F: falownik pracuje, brakuje słońca.

Na koniec czytam tabele jako całość:

• tabela A: ocena wynika z porównania zmierzonego z wymaganym, a sposób postępowania pasuje do kierunku błędu (dwa razy „podnieść”, raz „obniżyć”),
• tabela B: „do wymiany” stoi tylko tam, gdzie co najmniej jedna ocena jest zła; wymagana temperatura zamarzania jest ta sama we wszystkich kolumnach (strefa III),
• tabela C: sterownik niesprawny tylko w instalacji nr 2 (jedyne „niezgodne”), czujnik nieprawidłowy tylko T3 w instalacji nr 1,
• tabela D: co najmniej dwie przyczyny dla każdego łańcucha, wszystkie z obszaru DC,
• tabele E i F: wszystkie parametry poprawne, więc przyczyny spadku produkcji są chwilowe.

Wszystkie liczby mają jednostki tam, gdzie wymaga ich druk (temperatury w °C, jednostki w kolumnie 3 tabeli E).