Analiza Tehnologiilor de Stocare a Energiei Electrice Generată de Panourile Fotovoltaice

Introducere

Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăți umane, din ultimul secol, este creșterea tot mai pronunțată a consumurilor de energie, dar și dependența tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale și cărbuni.

Pe măsura ce anii trec, utilizarea energiei regenerabile, pentru producerea curentului electric devine o temă importantă. Sursele folosite până acuma și în momentul respectiv sunt în continuă epuizare, din cauza asta oamenii de știință inventează tehnologii noi de captare și de stocare a energiilor regenerabile (solare, eoliene etc.). Aceste soluții sunt cu atăt mai necesare cu cât consumurile de energie ale economiei mondiale sunt în continuă creștere și nu se estimează o reducere a acestor consumuri în viitorul apropiat.

Energia verde are o popularitate extrem de ridicată, reducând treptat nivelul noxelor emise în atmosferă, și tendința în acest sens este una promițătoare. Costurile sistemelor pentru producerea energiei electrice se află în scădere și tehnologia lor de fabricație în continuă dezvoltare.

Această lucrare are scopul de a prezenta tehnologii de stocare a energiei electrice produse de panourile fotovoltaice, modul lor de funcționare, cele mai noi aplicații, deasemenea un scurt istoric despre energia solară și pârțile componente ale sistemelor pentru producerea curentului electric din energia solară.

Lucrarea este structurată pe trei capitole, ele fiind următoarele:

Capitolul I – prezintă un scurt istoric despre energia solară, despre formele de energie și formele de conversie ai acestora, o scurtă descriere a panourilor solare pentru producerea curentului electric și apei calde, deasemenea perpectivele în privința energiei regenerabile în România și în Uniunea Europeană.

Capitolul II – cuprinde o descriere a panourilor fotovoltaice și prezentarea principalelor părții componente ale unei instalații pentru producerea energiei electrice.

Capitolul III – în acest capitol am analizat câteva aspecte și tehnologii pentru stocarea energiei electrice produse de panourile fotovoltaice

Capitolul I

Energia solară

I.1. Generalități despre energia solară

Sursele de energie solară sunt considerate, ca fiind cele mai bune, imediat profitabile opțiuni pentru majoritatea oamenilor de pe Pâmănt, prin asigurarea energiei pentru diferite instalații.

Soarele este, de departe cea mai importantă sursă de energie pentru noi. El încâlzește atmosfera pâmăntului, vaporizează apa din oceane, direcționează norii rezultați prin curenți de aer, denumite vânturi spre continente, acolo unde își dovedesc utilitatea determinănd ploile și menținănd debitele râurilor. Aceasta este o modalitate directă de a folosi energia și face parte din procesele fiziologice ce au loc pe Pâmănt de milioane de ani. Însă Soarele poate face mai mult: ar putea să asigure întreaga cantitate de energie de care are nevoie o societate industrială modernă, la scara mondială pentru un viitor indefinit. Acestea s-ar putea întămpla cu ușurință fâră poluare sau bâtăi de cap în privința resurselor naturale epuizabile. Mulți oameni însă nu sunt convinși de acest lucru ei având părerea că o astfel de investiție ar aduce pierderi și nu un profit negândit de mare.

Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăți umane, din ultimul secol, este creșterea tot mai pronunțată a consumurilor de energie, dar și dependența tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, ( produse petroliere, gaze naturale, cărbuni), dar captarea, stocarea și utilizarea energiilor rengenerabile este o soluție viabilă pentru înlocuirea acestor surse finite.

I.2. Formele de energie și formele de conversie a acestora

În functie de etapele de conversie si utilizare, energia are formele urmãtoare:

energia primară: energia este provenită din natură poate fi finită (combustibili clasici) și regenerabilă.

energia secundară: formă de energie obținută prin conversia energiei primare și care poate fi folosită într-o gamă largă de aplicații: energia electrica, mangalul, carbunele sortat de calitate superioara etc.

energia finală, adică energia obținută prin conversia energiei secundare într-un motor, bec, calculator,cazan etc.

I.3. Captarea, stocarea și utilizarea energiei solare

Încă din cele mai străvechi timpuri oamenii au utilizat tehnologii primitive pentru captarea și stocarea energiei solare pe care au utilizat-o mai ales pentru încălzirea apei și a locuințelor însă în secolul al III-lea î.H., matematicianul grec Arhimede (287 – 212 î.H.) a apărat cetatea Siracuza (Sicilia) de atacuri, cu ajutorul unor oglinzi uriașe care orientau fasciculele de lumină focalizată spre navele inamice, incendiindu-le.

Evident că tehnologia de captare și de stocare a energiei solare s-a dezvoltat în ultimele 10 ani și se află in continuă dezvoltare dinamică. Costurile acestor sisteme scad, permitănd astfel o utilizare în scară largă începănd de la utilizatori casnici până la parcuri fotovoltaice de mari dimensiuni.

Putem să diferim două aplicații, unde principala și de fapt singura sursă de energie este energia solară:

aplicații cu panouri solare: energia solară este transformată in enegie termică, folosită pentru încălzirea lociunțelor, apei menajere, piscine etc.

Figura I.1. Panouri solare [1]

aplicații cu panouri fotovoltaice: energia captată este transformată in energie electrică, folosită în case aflate la distanțe mari de rețea electrică națională sau pentru independența de rețea electrică, în acest caz surplulsul de energie produsă este injectată in rețea.

Figura I.2. Panouri fotovoltaice [2]

I.3.1. Energia solară termică

În cazul respectiv vorbim depsre conversia energiei solare in energie termică. Colectoarele solare (panourile solare) folosite la aceste instalații sunt de obicei cele cu tuburi vidate așa numitul tehnologie heat-pipe. Funcționarea la temperaturi ridicate și pierderile foarte mici fac din aceste panouri cu tuburi vidate să fie ideale pentru încălzirea locuinței și a apei calde menajere.

Acestea se compun din tuburi paralele în spatele lor aflându-se reflectoare pentru concentrarea radiației solare. Tuburile la rândul lor sunt compuse din doua tuburi puse unul in altul și între care se creează vacuum sau vid. Vidul dintre tuburi împiedică pierderile prin conversie și oferă o performanță mai mare panourilor. Tehnologia heat-pipe adică în interiorul tuburilor de sticlă există o conductă de căldură, dispozitiv de evaporare și condensare pentru transferul de căldură rapid. Căldura latentă de vaporizare este transferată prin intermediul unui lichid pe bază de apă în regiunea de admisie a căldurii solare evaporate și condensate în regiunea de descărcare. Sursa de căldură este placa absorbantă, care este în mod continuu legat la conducta de căldură. Condensatorul (zona de descărcare de căldură a conductei de căldură) este în contact direct cu un colector, care servește ca schimbător de căldură. În plus conducta de căldură are o funcție de diodă, transferul de căldură este întotdeauna într-o singură direcție – de la absorbant la colector.

O supapă termodinamică reglează fluxul de căldură al conductei încălzite atunci când temperatura de funcționare se apropie de un punct maxim prestabilit. Ajustarea valvei se face prin utilizarea unui metal de „memorie” adică metalul își schimba modul său de elasticitate la temperatura programată și împinge mufa spre pasajul conductelor de căldură întrerupând condensarea și de alfel schimbul de căldură dintre tuburi și conducta de căldură. Conducta de căldură are un ciclu de evaporare și condensare, acceptând căldură de la o sursă externă. Această sursă de căldură externă ridică lichidul din conducta de căldură spre regiunea de fierbere. Lichidul din conducta de căldură se evaporă apoi se eliberează căldura latentă de transformare inversă la secțiunea radiator. Acest proces se repetă continuu, lichidul condensat se întoarce înapoi în zona de căldură prin intermediul gravitației știind că apa rece e mai grea decât apa caldă. Datorită proprietăților fizice și termice ale cuprului conducta de căldură este realizate din acest material iar placa absorbantă din aluminiu (poate fi și din cupru). La capătul fiecărei conducte de căldură este inserat un mic condensator din cupru. Acest condensator este introdus într-o cameră bine izolată, camera schimbătorului de căldură a sistemului colector solar.

Odată cu strălucirea soarelui radiațiile termice „bombardează” placa absorbantă, lichidul din conducta de căldură fierbe și aburii se ridică spre condensator. Fluidul ce curge prin colectorul de căldură răcește condensatorul dar prin absorbție de căldură pe care o transferă la rândul lui rezervorului de apă caldă.

Tuburile fiind realizate din sticlă trebuie să aibă proprietăți bune de sigilare, vidare ,de amortizare de șocuri și cea mai importantă fiind absorbția. Ca să avem o absorbție bună trebuie să avem cât mai multe raze termice pe placa absorbantă. Din această cauză sticla se acoperă cu un strat de titan – nitrat – oxid (tinox). Acest strat făcând ca pe placa absorbantă să ajungă 98% din totalul radiațiilor termice care sunt orientate spre panoul solar. Dar mai există un factor care poate împiedica radiațiile să ajungă pe placa absorbantă acela fiind reflexia. Acest impediment este realizat prin aplicarea unui strat anti-reflector care are un index de reflexie foarte mic lăsând să treacă 98-99% din razele incidente ce cad pe tubul solar.

I.3.2. Energia solară fotovoltaică

Energia solară fotovoltaică provine din conversia directă a razele solare în electricitate. Această conversie se face prin intermediul celulelor fotovoltaice constituite în semiconductori care transformă fotonii din fluxul luminos în electroni. Există trei categorii principale de celule fotovoltaice fabricate pe bază de siliciu. Ele por fi clasificate în ordinea descrescătoare a performanței astfel: monocristaline, policristaline și amorfe. Cristalele de siliciu sunt utilizate azi în 90% din panourile produse în lume, dar mai există și alte tehnologii deja industriale sau în fază de cercetare, cum sunt celulele subțiri.

Într-un sistem fotovoltaic, fotonii care compun lumina penetrează celula fotovoltaică și extrag electronii din atomii de siliciu din materialul care le compune. Astfel eliberați, acești electroni sunt orientați de un cămp electric intern, și mișcarea lor generează un curent electric. Cu cât sunt mai mulți fotoni care trec prin celulă, cu atât cantitatea de electroni produsă este mai mare.

I.4. Perspectivele resurselor regenerabile în UE

Perspectivele Uniunii Europene par la început îndrâznețe fiindcă este propus ca, până în anul 2020, 20% din consumul final de energie primară să fie asigurată din surse regenerabile. În prezent energia regenerabilă reprezintă 8,5% din totalul energiei utilizate la nivelul Uiunii Europene, deci ca să atingem cota propusă, fiecare stat membru trebuie să depună eforturi mari.

Un studiu realizat de Comisia Europeană ne arată că în ultiemele anii sursele de energie regenerabile s-au dezvoltat într-un ritm mai rapid decăt era preconizat. Domeniile intensive în capital și tehnologie de vârf precum fotovoltaicele, energia termică solară, pompele de căldură, turbinele eoliene terestre și marine predomină în valoare absolută în cadrul unei politici solide de promovare a surselor.

Scâderea sensibilă a costurilor și avansarea tehnologiei de fabricație vor impulsa dezvoltarea energiilor verzi. În raport cu anul 1990 costurile actuale privind sistemele cu panouri fotovoltaice au scâzut cu 60%, numai în intervalul 2006-2010 costurile sistemelor fotovoltaice au scâzut cu 48% și tendința ne arată că scăderea drastică a prețurilor va continua, datorită politicii actuale: ajutoare guvernamentale, reforme și îndepărtarea barierelor la intrare pe piață.

I.4.1. Energia regenerabilă în România

Datorită așezarii geografice țara noastră are un potențial ridicat în privința exploatării energiilor regenerabile. Existența unui potențial teoretic important de surse regenerabile de energie: hidroenergetic, tehnic amenajabil, de circa 32.000 GWh/an (35% din producția de electricitate); eolian de 14.000 MWh/an (17% din total); fotovoltaic 12% din producția totală; biomasă de origine agricolă și forestieră reprezentând 7% din cererea de energie primară și 50% din potențial de resurse.

România s-a situat pe locul 10 în topul celor mai atractive state din lume pentru investițiile în energie eoliană ți pe locul 13 în totalul surselor regenerabile de energie într-un clasament realizat de firma „Ernst & Young”, care cuprinde 40 de țări, printre care și Statele Unite, Germania, China sau Marea Britanie. Poziția excelentă a României este determinată de mediul favorabil de reglementare, care a stimulat considerabil investițiile, de îmbunătățirea cadrului legislativ și crearea unui mecanism funcțional de sprijin al dezvoltării energiei regenerabile asociat unei piețe funcționale de certificate verzi, mai ales în proiecte de energie eoliană.

Deși s-a confirmat faptul că energia eoliană este principala alegere a investitorilor, energia solară tindă să devină actorul principal pe piața românească. Proiectele fotovoltaice tind să le devanseze pe cele eoliene, datorită câtorva avantaje comparative:

– perioade mai reduse de amortizare a investițiilor, de circa 5 ani, față de 8 ani în cazul energiei eoliene

– schema de sprijin pusă la dispoziție de stat, conform căreia pentru 1MWh obținut din energia solară se acordă 6 certificate verzi, în timp ce pentru fiecare MWh produs de energie eoliană se acordă două certificate până în 2017, iar după 2018 dar un singur certificat

– costuri considerabili mai mici ale investiției specifice față de eolian, inclusic lipsa componentelor mobile

– fiabilitate ridicată pe o perioadă care poate să depășească 25 de ani

– asigură energia electrică atât în zone izolate, cât și în orașe, sunt ușor de montat pe orice structură, ocupând suprafețe care nu sunt folosite.

În exploatare, radiația solară nu trebuie să aibă un nivel foarte ridicat, întrucât sistemele solare pasive pot funcționa eficient și în zone cu intensitate solară mai redusă (nordul Transilvaniei sau al Moldovei). În România se află în derulare 6 proiecte de capacități solare cuprinse între 5 și 50 MW, dar preponderent între 5 și 10 MW, datorită randamentului mai favorabil în raport cu costurile de autorizare și dezvoltare.

Trebuie să menționăm un lucru foarte important, piața energiei din surse regenerabile este susținută în România prin intervenționism direct pe latura ofertei, adică statul nu finanțeaza această piață. Toate costurile sunt transferate la consumator, având în vedere că furnizorii sunt obligați să cumpere o cotă din energie produsă. Acești furnizori vor transfera evident costul către consumatori.

Capitolul II

Prezentarea principalelor părții componente ale unei instalații pentru producerea energiei electrice

II.1. Panouri fotovoltaice

Un panou fotovoltaic spre deosebire de un panou solar termic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului fotovoltaic sunt celulele fotovoltaice legate în serie sau în paralel.

Tabelul cu principalele caracteristici ale diferitelor tehnologii fotovoltaice [3]

Celulele au o dimensiune variând de la 10 la 20 cm pe latură; ele furnizează o tensiune între 0,5 și 0,6 V pentru o putere de aproximativ 1,5 W depinzând de performanța materialului și de condiție de temperatură.

Celula poate fi utilizată singură în aparatele care au nevoie de o putere mică, cum sunt calculatoarele, ceasurile, lămpile de grădină, etc. Pentru o utilizare clasică a energiei fotovoltaice în clădire, celulele sunt grupate și montate paralel în module sau panouri pentru a avea o putere mai mare. Există mai multe familii de celule fotovoltaice. Cele mai răspândite pe piață sunt celulele fabricate din cristale de siliciu și celulele subțiri. Altele sunt stadiu de cercetare și dezvoltare (celulele organice, cu concentrație mare, etc.).

Celulă fotovoltaică [4]

Primele celule aveau 4% eficiență produse la inceputul aniilor 1950, astăzi vorbim despre celelule fotovoltaice din generația a treia care au o eficiență de 20% și indicile ne arată că tendința este crescătoare privind eficiența celulelor.

celule din siliciu cristalin: ele sunt fabricate pornind de la lingouri de siliciu. Siliciul, el însuși este obținut pornind de la un singur cristal sau de la mai multe cristale: vorbim atunci de celule monocristaline sau de celule policirstaline. Celulele sunt decupate în felii extrem de subțiri de la 0,15 la 0,2 mm, apoi tratate și conectate în serie unele de altele pentru a forma un panou. Celulele din cristale de silicu au o performanță în conversie care variază de la 12 la 15% pentru celulele policristaline și de la 15 la 20% pentru cele monocristale. Tehnologia cu siliciu acoperă astăzi mai mult de 90% din piață. Celulele din cristale sunt foarte sensibile la variațiile de însorire (puterea furnizată de o celulă este direct proporțională cu radiația solară) și la variațiile de temperatură (tensiunea unei celule scade destul de mult o dată cu creșterea temperaturii acesteia).

celule subțiri: sunt fabricate prin aplicarea sub vid pe o bază (sticlă, metal, plastic, etc) a unui start fin uniform compus din unul sau mai multe materiale semicondunctoare și fotosensibile. Performanța acestei tehnologii este inferioară celei care folosește celule din cristale de siliciu, variind de la 5 la 13%. Tehnologia celulelor subțiri se confruntă în prezent cu o dezvoltare puternică, reprezentând azi cam 10% din piață. Tehnologia cea mai cunoscută pentru celulele subțiri este siliciul amorf, a cărei perfomanță este de 7%. Această tehnologie este în general folosită în principal pentru puteri mici, ca de exemplu alimentarea aparatelor portabile (ceasuri, calculatoare, etc). De la apariția sistemelor racordate la rețea, noi module mai mult sau mai puțin flexibile sunt fabricate pe bază de silicu amorf, pe care le vedem în special etalate ca materiale care acoperă acoperișurile tersă cu suprafată mare.

Celule fotvoltaice ansamblate în panouri [5]

Cantitatea de energie solară convertită în electricitate de un sistem de panouri poate fi crescută în două moduri: adăugăm mai multe celule ori creștem eficiența celulelor. Oamenii de știință sunt preocupați de cea de a doua metodă, adică creșterea eficienței, și au ajuns la un incredibil și în aceeși timp record de 40,8%.

Panourile fotovoltaice generează curent continuu cu parametrii variabili, inadecvați încărcării unor acumulatori. Din acest motiv este nevoie de un convertor care să transforme energia electrică produsă de panourile fotovoltaice în energie electrică cu parametrii bine determinați. Acest convertor are și diverse funcții de protecție a acumulatorilor și a panoului fotovoltaic.

Un panou fotovoltaic de 1 kW poate produce 800 kW de curent electric într-un an, contribuind astfel la protejarea mediului înconjurător de 500 kg de dioxid de carbon și alte elemente dăunătoare. Cantitatea energiei solare accesibile se schimbă în decursul zilei din cauza mișcării relative a Soarelui și depinde de gradul înnorării cerului. La miezul zilei, pe un timp frumos, iluminarea energetică, formată de soare, poate ajunge la 1000 Wt/mp sau poate fi mai mică de 100 Wt/mp în condiții cu nivel înalt de acoperire a cerului cu nori.

Panou fotovoltaic [6]

II.2. Regulator de încărcare al bateriilor

Controlerul de încărcare este conectat între panoul solar și baterie și controlează procesul de încărcare. Supraîncărcarea bateriei este împiedicata, deoarece controlerul de încărcare se va opri atunci când se atinge capacitatea deplină.

Încârcătorul solar are un rol relativ simplu: energia solară captată de panourile fotovoltaice este controlată de acest dispozitiv, și transmisă in baterii de acumulatoare.

Panourile fotovoltaice produc curent continuu, valoare acestui curent este direct proporțională cu nivelul iradianței solare și variază în timp atât în tensiune cât și în curent. Pentru alimentarea consumatoriilor finali este necesară ca această energie să fie stabilizată și transformată în energie electrică de curent alternativ.

Incărcatorul solar poate fi utilizat pentru alimentarea directă a consumatorilor de curent continuu, sau cu un invertor, pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ, formând împreună cu acesta sisteme fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu. 

Sunt utilizate numai în sistemele neconectate la rețea națională și sunt potrivite pentru puteri mici de ordinul zecilor de wați până la câteva kilowați. Alegerea corectă a încârcătorului solar se face în funcție de tensiunea, curentul de încârcare și tipul bateriei de acumulatori (cu acid lichid, AGM sau Gel), tensiunea și curentul maxim al panourilor fotovoltaice, tensiunea și curentul maxim al consumatorilor, etc.

Regulatorul de încarcare este un dispozitiv, care stabilizează tensiunea de încărcare a bateriei de la panoul fotovoltaic protejând-o astfel de la supraîncărcare. Dacă conectăm un consumator la baterie prin intermediul regulatorului de încarcare, atunci regulatorul va proteja bateria de la descărcarea profundă prelungind durata de viața a bateriei.

Principalele caracteristici:

protejează bateria de la supraîncărcarea

protejează bateria de la supra-descărcare de către consumator

protecție la inversarea polaritâții pentru panou solar și baterie

oprire automată atunci când curentul de sarcină depășește capacitatea de reglementare

oprire automată în caz de scurt-circuit

compensare automată a temperaturii

PWM modulare

starea de încărcare a bateriei este semnalizată

Regulator de încărcare solară folosit în realizarea instalației de laborator [7]

II.2.1.Regulatoare MPPT

Maximum power point tracking – urmăririi punctului de putere maxima, – algoritmul de încărcare, ceea ce înseamnă că regulatorul prin microprocesrorul lui incorporat preia cea mai mare energie disponibilă de la panourile fotovoltaice și o transmite spre baterie cu pierderi minime. Cele mai moderne MPPT -uri lucrează cu o eficiență de 92-97%. Energia care se poate obține în plus prin aceasta tehnologie, de la panourile fotovoltaice, este: iarna între 20 -45%, iar vara între 10-15%. În cazul bateriilor cu lichid încărcătorul protejează plăcile de la depunerea sulfaților printr-o încărcare cu impulsuri. Astfel depunerile de pe plăcile din interiorul bateriilor se dizolvă și reintră în electrolit – sulfatul nu se mai depune.

Controlerul face o analiză a tensiunii de ieșire a panoului solar și îl compară cu cel al acumultorului. În urma acestei analize dispozitivul decide care este puterea optimă care trebuie transferată spre acumulatori în așa fel încăt să fie transferat curentul maxim, dinspre panoul solar spre bateria de acumulatori.

II.3. Acumulatori solari

Cele mai la îndemănă dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de acumulatori, care au rolul de a înmagazina energia electrică produsă atunci când sursa de energie a generatorului (radiația solară) este disponibilă și de a o reda pentru a fi utilizată pe timpul nopții sau atunci când cerul este noros. Bateriile de acumulatori pentru sisteme fotovoltaice sunt de construcție specială, fâră întreținere și suportă un număr mare de cicluri de încărcare – descărcare.

Cele mai utilizate tipuri de baterii de acumulatori în sistemele fotovoltaice independente sunt bateriile plumb-acid, având avantajul prețului și al disponibilității pe lângă faptul că pot elibera o cantitate foarte mare de energie într-un interval foarte scurt de timp putând suporta curenți foarte mari. Bateriile plumb-acid utilizate in sistemele fotovoltaice sunt încapsulate și nu necesită completare cu apă și întreținere. Capacitatea acumulatoarelor se exprimă in Ah (amperi-ore).

Acumulator folosit în relaizarea instalației de laborator [8]

II.4. Invertorul

Invertoarele de tensiune cu sinusoidală pură sunt dispozitive electronice care transformă curentul continuu în curent alternativ, necesar multor aparate electrice folosite de oameni. Curentul alternativ obținut are undă sinusoidală pură, calitatea curentului fiind aceeași sau mai bună cu a curentului de la rețea (curent obișnuit de la priză). Pentru sistemele de energie alternativă, invertoarele de tensiune sunt o verigă importantă între energia în curent continuu a bateriei și energia în curent alternativ pe care o necesită aparatura electrică obișnuită. Un invertor alimentat de la un grup de baterii poate fi o sursă neîntreruptă de energie în cazul unei căderi a tensiunii sau a întreruperii acestuia.

Un invertor de tensiune, folosit ca rezervă de energie în cazuri de urgență într-o locuință conectată la rețea, va folosi energia de la rețea pentru a menține bateriile încârcate și atunci când curentul de la rețea cade, el va comuta automat pentru a absorbi curent de la baterii și a alimenta sistemul electric al locuinței. Într-un sistem autonom de energie regenerabilă, indiferent că este pentru o locuință, sau în scopuri industriale, invertorul permite aparatelor electrice pe curent alternativ să funcționeze cu energie absorbită din grupul de baterii de acumulatoare.

Curentul electric alternativ furnizat de rețeaua națională sau de generatoarele cu motor are formă de undă sinusoidală pură. Aceasta este forma cea mai sigură în funcționare pentru aparatura de uz casnic. Curentul alternativ pur sinusoidal trece de la valoarea maximă a tensiunii la valoarea minimă și invers printr-o formă de undă curbată lin spre deosebire de saltul în treapta al curentului alternativ cu undă sinusoidală modificată, asigurând că chiar și cel mai sensibil echipament electronic va funcționa corect.Invertoarele cu undă sinusoidală pură sunt mai scumpe decăt invertoarele cu undă modificată, dar calitatea formei lor de undă la ieșire poate fi un avantaj clar.

Invertor C.C-C.A. [9]

II.5. Inovații pentru panourile solare fotovoltaice

Evoluția tehnologiilor de captare și transformare a energiei solare în energie electrică și termică nu ar fi fost posibilă fără câțiva pași importanți în domeniul panourilor fotovoltaice. Pași pentru care a fost nevoie de foarte puțini ani și care, în anii următori, vor duce la îmbunătățiri și mai mari ale eficienței captării energiei solare.

folia solară: în mod uzual, panourile solare sunt dispozitive rigide, pe care sunt prevăzute celule cristaline siliconice cu proprietăți fotovoltaice. Însă noul pas în domeniul captării fotonilor îl reprezintă foliile solare, adică transformarea panourilor mari și grele în folii subțiri și elastice. Pe lângă faptul că pot fi folosite mai ușor și în mult mai multe aplicații, foliile solare sunt și mai ieftin de produs și de comercializat. Iar, mai nou, eficiența lor a ajuns aproape de nivelul panourilor polisiliconice, preconizându-se că în doar câțiva ani panourile solare clasice vor ajunge depășite de folia solară.

Folia solară [10]

geamurile solare: o tehnologie care promite o expansiune foarte rapidă – este vorba despre sticlă acoperită sau care include în componență un nou tip de strat cu proprietăți fotovoltaice. Acesta transformă în energie electrică nu doar lumina soarelui, ci și lumina provenită de la alte surse, cum ar fi becurile fluorescente sau cu LED. Pentru moment, o celulă fotovoltaică din componența unui astfel de strat măsoară mai puțin de un sfert din dimensiunea unui bob de orez, dar e de așteptat ca în anii următori să se ajungă la dimeniuni și mai reduse, deci la aplicații suplimentare. Acum, acestă tehnolologie își găsește rapid aplicația în cadrul clădirilor moderne de birouri sau al supermarketurilor, oferind o eficiență rezonabilă raportat la costuri.

Geamul solar [11]

panourile solare în infraroșu: în mod normal, actualele tehnologii pentru captarea energiei solare sunt gândite pentru spectrul solar al luminii – însă cum ar fi dacă am putea capta și energia în infraroșu sau ultravioletele, adică lumina invizibilă ochiului uman și care reprezintă mai mult de jumătate din energia solară? Pași promițători în această direcție sunt făcuți prin utilizarea unor semiconductori pe bază de titaniu și vanadiu, care ar putea crește eficiența panourilor solare datorită absorbției mai mari cu 20%.

Capitolul III

Analiza tehnologiilor de stocare a energiei electrice generată de panourile fotovoltaice

III.1. Generalități despre stocarea energiei electrice

Sistemele fotovoltaice, independente necesită dispositive speciale pentru stocarea energiei pentru a fi utilizată atunci când generatorul nu produce sau produce sub nivelul consumului. Cele mai populare dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de acumulatori, care au rolul de a înmagazina energia electrică produsă atunci când sursa de energie a generatorului (iradianța solară) este disponibilă și de a o reda pentru a fi utilizată pe timpul noptii. Bateriile de acumulatori pentru sisteme fotovoltaice, sunt de construcție specială, fâră întreținere și suportă un număr mare de cicluri de încârcare-descârcare.

Bateriile pot exploda dacă apare una din cauzele următoare: scurtcircuitarea bateriei. (plăcile din baterie sunt scurtcircuitate, energia va fi eliberată rapid, șocul termic pe plăcile unei baterii vechi le sparge și fac scurtcircuit reciproc atunci electrolitul va fierbe și bateria va exploda) sau supraîncărcarea bateriei (tensiunea de încărcare crește peste tensiunea de gazare și va apare exces de hidrogen, tensiunea de gazare a unei baterii plumb-acid este de 14,3V, hidrogenul produs din această cauză se va recombina și poate scăpa din baterii ducând la incendiu și explozie dacă apare o scânteie.

Cele mai utilizate tipuri de baterii de acumulatori în sistemele fotovoltaice, independente sunt bateriile plumb-acid. Mai nou au fost dezvoltate baterii cu Li-Ion si nichel – cadmiu (Ni-Cd) pentru capacități mari, dar prețurile lor sunt deocamdată destul de mari și algoritmii controlerelor de încârcare ai invertoarelor de baterii nu sunt verificați suficient.

III.2. Tipuri de baterii plumb-acid

Bateriile plumb-acid au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apă în stare lichidă în bateriile clasice (electrolit lichid), reținut prin efectul capilar în separatoare din fibră de sticlă sau silicat de bor (baterii AGM) sau reținut in Gel (baterii cu Gel). Bateriile AGM au separatoarele montate rigid, rezistă foarte bine la șocuri și vibrații, iar electrolitul nu se varsă nici dacă bateriile sunt râsturnate. Pentru că nu conțin elemente care îngheață pot fi utilizate la temperaturi extrem de scâzute. Deși din punct de vedere al electrolitului sunt similare cu bateriile cu gel, bateriile AGM aparținând clasei lichid, iar tensiunea și algoritmul de încârcare sunt aceleași ca și pentru bateriile clasice.

Temperatura optimă de funcționare a unei baterii de acumulatori acid-plumb este 20°C – 5°C și influențează direct durata de viață a bateriei. În cazul în care bateriile de acumulatori funcționează la temperaturi superioare, durata de serviciu se reduce drastic, iar la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. În afara intervalului optim de temperatura este necesară, compensarea tensiunii de încârcare cu temperatura. Curentul de încârcare al unei baterii de acumulatori trebuie să se încadreze în domeniul 10% până la 20% din capacitatea ei nominală.

Dimensionarea corectă a capacității pentru o baterie de acumulatori se face în funcție de puterea nominală a consumatorilor și de diagrama de consum pe intervale orare. Durata de viață a unei bateri de acumulatori este dependentă de adâncimea de descărcare și de temperatura de lucru. În funcție de capacitatea și tipul bateriei de acumulatori se aleg controlerele de încârcare și invertoarele de baterii. Trebuie reținut că utilizarea unui controler de încârcare sau invertor de baterii impropriu, poate duce la reducerea capacității bateriei de acumulatori și a duratei de viață acesteia sau chiar la distrugerea ei.

Acumulator plumb-acid [12]

În funcție de aplicații s-au dezvoltat mai multe tipuri de baterii Plumb-Acid reîncărcabile, care să răspundă cerințelor de a da putere mare într-un timp scurt sau energie mult timp.

III.2.1. Bateriile de Pornire

Dau putere mare necesară învingerii inerției unui motor la pornire, fiind proiectate să debiteze un curent mare (sute de Amperi) pentru un timp scurt (câteva secunde) până la demararea unui motor cu ardere internă.

Descărcarea se face cu aprox.10% în timp scurt, apoi trebuie încărcate, deoarece menținerea stării de încărcare aproape de 100% le mărește durata de utilizare. Au electrozi mulți cu grosime mică pentru a genera curenți mari.

III.2.2. Bateriile folosite în UPS (Standby battery)

Sunt solicitate ocazional și au densitate mare de energie pe care o pot debita într-un timp lung, specificat chiar pe baterie. Bateriile de standby au electrozi cu grosime mare, fiind proiectate pentru un număr specificat de cicluri de descărcare profundă. În cazul sistemelor cu baterii și invertoare DC/AC trebuie aleasă o baterie de capacitate suficient de mare care să dea curentul impus de puterea sarcinii. De ex. O baterie de 45Ah cuplată la un invertor cu eficiență 0,85 poate alimenta un PC de 100W, descărcându-se până la 20%, doar un timp de max. 3,67 ore.

III.2.3. Ultrabateriile

Fac stocarea energiei în mod hibrid cu durată lungă de viață pentru stocarea energiei. Este o clasă complet nouă de baterii cu tehnologie Pb-Acid, care conțin atât un ultracapacitor cât și o baterie Pb-Acid într-un electrolit comun. Se combină avantajele cele mai verificate în timp și tehnologia avansată de reîncărcare pentru baterii Pb-Acid, cu avantajele unui ultracapacitor. permite un echilibru optim de stocare a energiei a unei baterii Pb-Acid cu acceptarea de încărcare rapidă, de descărcare de putere și longevitate a unui condensator.  Acest tip de baterie poate fi utilizat pentru a gestiona continuu fluctuații de tipuri de surse și de nivel de energie, asigurând o putere fluentă, folosind o bandă de încărcare în care bateria nu este nici complet plină, nici complet goală.

III.2.4. Alte tipuri de baterii reîncărcabile

Bateriile Pb-Acid sunt robuste, dau putere sau energie mari, la un cost rezonabil, dar au greutate mare. Cerințe precum: volum mic, greutate redusă și eficiență energetică mare (densitate mare de energie) sunt asigurate de alte tipuri de baterii. Bateriile Li-Ion sunt o fracțiune din totalul bateriilor utilizate în aplicații, dar față de tradiționalele baterii de tip Pb-Acid, au o cantitate dublă de energie și ating în medie o durată de viață de 6 ori mai mare. Bateriile cu litiu pot suporta până 3000 cicluri de descărcare profundă (până la 80%) și încărcare rapidă fără a se distruge. Fiind compacte, ușoare, cu timpii de încărcare foarte scurți și o tehnologie de realizare care le asigură fiabilitatea extrem de ridicată, bateriile cu litiu sunt soluția perfectă pentru echipamente mobile.

III.3. Progresul tehnologiilor de stocare a electricității

Progresul acestor tehnologii ar putea amenința modelul vechi de 100 de ani, al monopolurilor din sectorul utilităților, cu vânzări totale anuale de energie electrciă de circa 360 de miliarde de dolari. Tot mai mulți consumatori își reduc dependența de rețelele centralizate de curent electric, apelând la panouri solare și baterii de stocare pentru a-și reduce facturile la eletricitate. Cercetătorii gigantului american Exxon Mobil au ajuns la concluzia că progresul sistemelor de stocare a energiei, cum ar fi bateriile, se numără printre cele mai mari pericole potențiale pentru industria de petrol și gaze.

Proprietarii de locuințe pot utiliza baterii de stocare, alături de panouri solare, pentru a-și reduce mai mult dependența de sistemul național și pentru a revinde în rețelele centralizate surplusul de electricitate neconsumată din producția proprie. Producătorii se implică tot mai mult în ce înseamnă stocarea curentului electric. Se așteptă ca costurile bateriilor de stocare să scadă. pe măsură ce fabricanții cum ar fi Tesla Motors din industria auto electrică majorează producția.

AES Corp din SUA, care este cel mai mare operator de sisteme de stocare a electricității, își propune să vândă baterii suficient de mari încât să poată substitui centrale electrice întregi. Aceste baterii vor costa între 10 și 500 de milioane de dolari bucata, evident în funcție de dimensiuni, și vor fi vândute companiilor de utilități și producătorilor de energie din surse regenerabile. Capacitatea de stocare a acestora poate ajunge până la 500 de MW. Aceasta cantitate de energie poate alimenta aproximativ 400.000 de locuințe de dimensiuni medii.

Donald Sadoway, profesor la Institutul de Tehnologie din Massachusetts, a dezvoltat o baterie din metal lichid care ar putea revoluționa domeniul energiei din surse regenerabile.

III.3.1. Bateria din metal lichid

Energia regenerabilă (precum cea obținută cu ajutorul centralelor solare) are un potențial uriaș în economisirea resurselor naturale, doar că productivitatea acestor instalații depinde de starea vremii. Pentru a depăși această problemă, Sadoway a creat bateria care poate stoca energia generată de centralele solare. Bateria este alcătuită din trei straturi. Metale lichide cu densități diferite (și menținute la temperaturi de aproximativ 500 de grade Celsius) sunt așezate peste și sub un strat de sare topită. Materialele acționează ca electrozi pozitivi și negativi, iar sarea ca un electrolit. Bateria creează curent în mod similar cu o baterie tradițională, iar prin inversarea sensului curentului are capacitatea de a se reîncărca. Echipa condusă de Sadoway a mărit treptat dimensiunile bateriei până a ajuns la o versiune de un metru. Scopul este acela de a combina mai multe baterii pentru crearea uneia gigantice, capabilă de a fi utilizată în rețeaua de energie electrică. Profesorul susține că bateria este la doar doi ani distanță de comercializare, fiind mult mai ieftină decât una litium-ion.

III.3.2. Baterii electrice organice

Un nou tip de baterie organică a fost proiectată de câtre oamenii de știință și ingineri de la Universitatea Harvard. Bateria ar putea debloca potențialul surselor de energie regenerabile. Într-o lucrare publicată în revista Nature, chimistul Roy Gordon și colegii săi de la Harvard au descris proiectul lor pentru un tip special de baterie fără metal, mai exact o baterie-flux, care folosește lichide pentru a stoca energia. Lichidele sunt ținute în cutii separate iar atunci când sunt combinate, produc energie electrică. Partea bună la aceste tipuri de baterii este că nu există limite de stocare, bateria putând fi cât de mare se dorește. Modelul actual al echipei este doar un experiment de laborator fiind testat doar prin 100 de încârcări succesive care au arătat rezultate excepționale, bateria menținând 99% din capacitatea de încârcare.

III.4. Viitorul stocării a energiei electrice

Supercapacitorii sunt considerați candidații cei mai promițători pentru generația viitoare de dispozitive de stocare a energiei electrice, comparativ cu dispozitivele clasice (celule de combustie, baterii, acumulatori). Ei au densitate de putere mare, un răspuns rapid, un timp de încărcare-descărcare mai rapid în comparație cu bateriile, o simplitate constructivă, costuri reduse și nu în ultimul rând probleme de mediu reduse. Aceste dispozitive revoluționare sunt în plin studiu și au fost realizate în mică parte la Institutul Național de Cercetare Dezvoltare în Inginerie Electrică ICPE-CA din București. Supercapacitorii sunt compuși din doi electrozi, un electrolit, membrana separatoare și, în funcție de caracteristicile materialelor folosite, performanțele lor diferă. Datorită avantajelor pe care le oferă, în ultimul deceniu cercetările în domeniul supercapacitorilor s-au concentrat asupra modalităților de creștere a densității de energie, în așa fel încât capacitorii să poată concura cu acumulatorii. Potrivit specialiștilor în domeniu, pentru creșterea performanțelor supercapacitorilor un rol major îl au materialele de electrod, ca o consecință imediată a dezvoltării nanotuburilor de carbon, a grafenelor și a materialelor nanocompozite preparate pe baza lor de tip rețele electroactive polimer / carbon.