Czy fotowoltaika przeciąży systemy energetyczne?

W niedawno opublikowanym artykule stwierdzono, że jeśli fotowoltaika stanie się tak tania, jak się spodziewano, to w południe będzie generować tak dużo energii, że trzeba będzie ograniczyć wynikające z tego napięcie w systemach energetycznych, aby nie powodować problemów. I rzeczywiście, niektóre istniejące instalacje fotowoltaiczne przeciążyły lokalne transformatory i doznały uszkodzeń. Autorzy twierdzą, że problem ten ograniczy możliwości penetracji rynku przez fotowoltaikę, ale jest prawdopodobne, że zostaną znalezione inne rozwiązania.

Pytanie o to, czy fotowoltaika może powodować problemy generując zbyt dużo energii elektrycznej, pojawia się od dawna – co najmniej od lat 70-tych XX wieku. W takiej czy innej formie pytanie to pojawia się często w dyskusjach o tym, ile energii słonecznej należy zainstalować teraz, zanim dalszy postęp technologiczny jeszcze bardziej obniży jej cenę (np, patrz artykuł O’Connora w tym numerze).

Jak dotąd nie odnotowano długotrwałych problemów związanych z przeciążeniem systemów energetycznych przez fotowoltaikę. Jednak autorzy artykułu w Journal of Applied Meteorology and Climatology (Agerholm et al.) stwierdzają, że „ważną cechą” jest to, że „wysoki poziom penetracji fotowoltaicznej może powodować wysokie napięcie… migotanie” To stwierdzenie może podpowiadać dlaczego ten temat czasami się pojawia: niektórzy ludzie martwią się o migotanie napięcia na liniach energetycznych, mimo że wiedzą, że zazwyczaj nie występuje.

Autorzy twierdzą, że fotowoltaika spowoduje przeciążenie systemów energetycznych, ponieważ w ciągu dnia generuje ponad 30% całkowitego zużycia energii elektrycznej w niektórych częściach Europy, a zatem wytwarza zbyt wiele energii w godzinach, w których zużycie energii elektrycznej jest wysokie. Autorzy obliczają, że moc produkowana przez kilometr kwadratowy paneli słonecznych w słonecznym miejscu w południowej Europie może wynosić nawet 300 megawatów, więc duże instalacje fotowoltaiczne mogą mieć ogromny wpływ na lokalne systemy energetyczne. Twierdzą oni, że „będzie to wymagało znacznego wzmocnienia i wzmocnienia sieci … aby pomieścić [wzrost] w przyszłych penetracjach PV.”

Ogólnie rzecz biorąc, moduły fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną prądu stałego (DC). W większości przypadków prąd stały musi być następnie przekształcony w prąd zmienny (AC), który może zasilać urządzenia lub oświetlać domy i biura. Podstawowe konwertery AC/DC są powszechne w systemach autonomicznych, ale powodują one dodatkowe straty – energia jest tracona podczas każdej konwersji z prądu stałego na zmienny i z powrotem. Z tego powodu pożądane jest generowanie prądu zmiennego bezpośrednio z wyjścia prądu stałego modułu. Można to zrobić za pomocą dużych inwerterów, które zazwyczaj przekształcają prąd stały modułu w trójfazowy prąd zmienny (tzn. prąd płynie w trzech przewodach lub fazach, a nie w jednej, jak w przypadku standardowego zasilania).

W artykule omówiono „maksymalne poziomy napięcia” i stwierdzono, że są one różne w różnych krajach i mogą zostać przekroczone w pewnych warunkach pracy, np. gdy w sieci znajduje się dużo ogniw fotowoltaicznych, co ma miejsce głównie w południe (patrz rys. 1). Te maksymalne poziomy napięcia zostały zdefiniowane dziesiątki lat temu na podstawie tego, jak wiele tak zwanych „zniekształceń harmonicznych” jest wytwarzanych przez różne obciążenia podłączone do systemu. Takie zniekształcenia harmoniczne zwykle nie stanowi problemu, ale w dokumencie stwierdzono, że instalacje fotowoltaiczne powodują więcej zniekształceń harmonicznych niż wynikało to z wcześniejszych badań. Z tego powodu, stwierdza się, że „istniejąca infrastruktura dystrybucyjna niskiego napięcia będzie miała problemy z dostosowaniem się do wysokiego poziomu penetracji fotowoltaiki.”

Autorzy twierdzą, że „zwiększone migotanie napięcia” może wystąpić, gdy maksymalny poziom napięcia na linii AC zostanie przekroczony. Stwierdzają oni, że chociaż niektóre urządzenia mogą zostać uszkodzone w wyniku migotania napięcia, główne ryzyko polega na tym, że pracownicy mogą być narażeni na zwiększone ryzyko porażenia prądem w momentach, gdy napięcie spada poniżej pewnych progów bezpieczeństwa – zwłaszcza w przypadku linii napowietrznych. W dokumencie stwierdza się, że „technologie fotowoltaiczne mogą powodować istotne zmiany jakościowe w jakości energii elektrycznej przy niskich napięciach z powodu spadki napięcia, migotanie i przerwy w dostawach prądu.