Optimizing production time of electrolyzers powered by off-grid PV-arrays

Abstract

This thesis takes a look at how to maximize the production time and power of an electrolyzer powered by a PV-array in a off-grid system without any batteries. Since an alkaline electrolyzer can not be ramped down instantaneously and there are no backup batteries, the electrolyzer needs to be ramped down in advance of a cloud shadow hitting the PV-array. To detect and predict when a cloud will hit the PV-array, three sensors configured in an equilateral triangle are used to triangulate the cloud shadow direction and speed. The triangulation point, consisting of the three sensors, will be placed a distance from the PV-array to be able to estimate when a cloud shadow will hit the PV-array. To test the system, the triangulation point was built on a roof in ˚As, Norway in an equilateral triangle with sides of 15m, with a fourth sensor placed down range of the cloud with a distance of about 1km for reference during measurements. In order to triangulate, a time difference between each sensor in the triangulation point is needed. The time difference was found by inspecting the power gradient. Yet, to avoid noise, the power gradient was calculated from a third order polynomial regression of the power curve with a high R2 -score. Three time difference methods were tested, but only one was used. The time difference method that proved most reliable, consists of inspecting a relative change in the power gradient on an interval. The intervals were chosen based on a rapid change in power over 20 seconds or less. In total, measurements were done over three days, with slightly varying conditions. The triangulation gave promising results on average, but struggles under some circumstances. With some adjustments to the triangulation points and the algorithms used, it is believed that the accuracy of the model can increase. Using multiple triangulation points around the PV-array seems necessary in order to detect cloud shadows from all directions. Multiple triangulation points also have the possibility of communicating with each other, which can increase the accuracy of the predictions. There is also a possibility of increasing the efficiency of the system by bypassing the DC/DC converter between the PVarray and the electrolyzer. This requires the electrolyzers current characteristics to match the PV-array’s MPP during the optimal irradiation interval. The optimal irradiated power interval for bypassing the DC/DC converter, at 200W intervals, is 800W-1000W. When the DC/DC converter is bypassed at this irradiation interval, there is an increase in delivered energy of 0.849kWh per year per square meter of installed PV.

Denne gradsoppgaven ser på hvordan man kan maksimere produksjonstiden til en elektrolysør drevet av en PV-array i et off-grid-system uten batterier. Ettersom elektrolysøren ikke kan skrus av øyeblikkelig og det ikke er noen backup-batterier, trenger elektrolysøren å skrus av i forkant av en sky som vil skyggelegge PV-arrayen. For å detektere og forutsi når en sky vil skyggelegge PV-arrayen, benyttes tre sensorer i en likesidet trekant til å triangulere skyskyggens fart og retning. Trianguleringspunktet, bestående av tre sensorer, plasseres et stykke unna PV-arrayen for å estimere når skyskyggen vil treffe PV-arrayen. For å teste systemet ble trianguleringspunktet plassert på et tak i ås som en likesidet trekant med sider på 15m, med en fjerde sensor som ble plassert i ca. 1km i skyretningen som referanse under målingene. For å triangulere, trenger man å vite tidsdifferansen mellom hver sensor. Tidsdifferansen ble funnet ved å inspisere den deriverte av effekten til hver sensor. For å unngå støyen i dataene, ble tredjegrads polynomregresjon benyttet på effektkurvene, med høy R2 -verdi. Tre tidsdifferansemetoder ble prøvd, men bare ´en ble benyttet. Den tidsdifferansemetoden som var mest pålitelig baserer seg på en relativ endring i den deriverte effekten fra sensorene på et intervall. Intervallene ble valgt basert på en rask endring i effekt på 20 sekunder eller mindre. Det ble totalt gjort målinger for tre dager, med litt varierende forhold. Trianguleringen gav lovende resultater gjennomsnittlig, men sliter under noen omstendigheter. Med noen justeringer i trianguleringspunktene og algoritmene, kan sannsynligvis presisjonen til modellen øke. Det virker nødvendig å ha flere trianguleringspunkter rundt PV-arrayen for å kunne detektere skyskygger fra alle retninger. Dersom man har flere trianguleringspunkter, har de muligheten til å kommunisere med hverandre og samarbeide for å øke presisjonen på predikasjonene. I tillegg er det en mulighet til å øke effektiviteten til systemet ved å forbigå DC/DC omformeren mellom PV-arrayen og elektrolysøren. Dette krever at strømkarakteristikken til elektrolysøren passer med PV-arrayens MPP på intervallet med optimal innstråling. Det optimale innstrålingsintervallet for å forbigå DC/DC omformeren, på 200W intervaller, er 800W-1000W. Når DC/DC omformeren forbigås på dette intervallet, øker man den leverte energien med 0,849kWh per år per kvadratmeter installert PV.