Convertor (c.c. C.a.) Sinusoidal de Putere Pentru Sisteme Fotovoltaice de Alimentare cu Energie Electrica (blocul Generator Sinusoidal)

CUPRINS

MEMORIU JUSTIFICATIV

Capitolul I: Energia solară

I.1. Radiație solară

I.2. Efectul fotovoltaic. Celula fotovoltaică

I.3. Module și panouri fotovoltaice

I.4. Cacarteristicile celulelor fotovoltaice

I.5.Tipuri de celule fotovoltaice

I.5.1. Celule din siliciu monocristalin

I.5.2. Celule din siliciu policristalin

I.5.3. Celule din siliciu în stare amorfă

I.5.4. Celule cu film subtire (CdTe, CIS, CIGS)

Capitolul II: Sisteme fotovoltaice

II.1. Avantaje ale sistemelor fotovoltaice

II.2. Sistemele fotovoltaice conectate la rețea

II.3. Sistemele fotovoltaice offgrid

II.3.1. Funcționarea sistemului fotovoltaic offgrid

Capitolul III: Stocarea energiei

III.1. Baterii (Acumulatori)

III.1.1. Baterii cu plumb-acid

III.1.2. Bateriile cu gel

III.1.3. Bateriile NiCd

III.1.4. [NUME_REDACTAT]-Hidrură metalică(NiMH)

III.1.5. Bateriile alcaline cu mangan reîncărcabil (RAM)

III.1.6. [NUME_REDACTAT]-ion și Li-polimer

III.1.7. Condensatoare dublu-strat

III.1.8.Baterii REDOX

III.1.9. Sisteme de stocaj Hidrogen-Oxigen

III.2. Condiții tipice pentru exploatarea bateriilor în cadrul aplicațiilor fotovoltaice

III.3. Încărcarea bateriilor)

III.4. Determinarea încărcării pe baza măsurării tensiunii celulei

III.5. Încărcătorul solar

III.6. Caracteristici ale încărcătorului solar

III.7. Moduri de utilizare ale încărcătorului solar

III.8.Tipuri de încărcătoare solare

Capitolul IV: Invertoare de tensiune

IV.1. Puntea H

Capitolul V: Considerații practice și rezultate experimentale

V.1. Descrierea circuitului PWM TL 494

V.2. Comentariu la circuitul IR 2110

V.3. Circuitul de protecție

Bibliografie

LUCRARE DE LICENȚĂ

Convertor (c.c-c.a) sinusoidal de putere pentru sisteme fotovoltaice de alimentare cu energie electrică (blocul generator sinusoidal)

CUPRINS

MEMORIU JUSTIFICATIV

Capitolul I: Energia solară

I.1. Radiație solară

I.2. Efectul fotovoltaic. Celula fotovoltaică

I.3. Module și panouri fotovoltaice

I.4. Cacarteristicile celulelor fotovoltaice

I.5.Tipuri de celule fotovoltaice

I.5.1. Celule din siliciu monocristalin

I.5.2. Celule din siliciu policristalin

I.5.3. Celule din siliciu în stare amorfă

I.5.4. Celule cu film subtire (CdTe, CIS, CIGS)

Capitolul II: Sisteme fotovoltaice

II.1. Avantaje ale sistemelor fotovoltaice

II.2. Sistemele fotovoltaice conectate la rețea

II.3. Sistemele fotovoltaice offgrid

II.3.1. Funcționarea sistemului fotovoltaic offgrid

Capitolul III: Stocarea energiei

III.1. Baterii (Acumulatori)

III.1.1. Baterii cu plumb-acid

III.1.2. Bateriile cu gel

III.1.3. Bateriile NiCd

III.1.4. [NUME_REDACTAT]-Hidrură metalică(NiMH)

III.1.5. Bateriile alcaline cu mangan reîncărcabil (RAM)

III.1.6. [NUME_REDACTAT]-ion și Li-polimer

III.1.7. Condensatoare dublu-strat

III.1.8.Baterii REDOX

III.1.9. Sisteme de stocaj Hidrogen-Oxigen

III.2. Condiții tipice pentru exploatarea bateriilor în cadrul aplicațiilor fotovoltaice

III.3. Încărcarea bateriilor)

III.4. Determinarea încărcării pe baza măsurării tensiunii celulei

III.5. Încărcătorul solar

III.6. Caracteristici ale încărcătorului solar

III.7. Moduri de utilizare ale încărcătorului solar

III.8.Tipuri de încărcătoare solare

Capitolul IV: Invertoare de tensiune

IV.1. Puntea H

Capitolul V: Considerații practice și rezultate experimentale

V.1. Descrierea circuitului PWM TL 494

V.2. Comentariu la circuitul IR 2110

V.3. Circuitul de protecție

Bibliografie

MEMORIU JUSTIFICATIV

Energia solară este o formă practică inepuizabilă de energie care până de curând a fost foarte puțin utilizată. Au fost tendințe de utilizare dar prin varianta nonelectronică precum recipientele încalzite direct la soare.

O variantă tehnologică îmbunătățită sunt panourile solare cu tuburi vidate prin care circulă un lichid sub presiune pe post de agent termic. Conversia directă a energiei solare în energia electrică a fost posibilă odată cu progresele făcute de tehnologia de fabricație a elementelor fotovoltaice.

O dată cu apariția panourilor solare a făcut posibilă reducerea poluării, dorința independeței energetice datorită creșterii prețului energiei electrice. Cu ajutorul panourilor solare s-a făcut posibil ca în zonele izolate, unde companiile de electricitate nu puteau furniza energie electrică pentru alimentarea acestora.

Acest domeniu al panourilor solare este tot mai apreciat și dezvoltat. Dezvoltarea are loc cantitativ dar și calitativ prin creșterea performanțelor sistemelor cu energii regenerabile. Creșterea performanțelor are loc atât prin perfecționarea componentelor cât și prin mangementul energiei.

Capitolul I:Energia solară

Energia solară este energia emisă de Soare, fiind o sursă de energie regenerabilă.

Energia solară poate fi folosită:

– să genereze electricitate prin celule solare (fotovoltaice);

– să genereze electricitate prin centrale termice solare (heliocentrale);

– să încălzească clădiri direct;

– să încălzească clădiri, prin pompe de căldură;

– să încălzească clădiri și să producă apa caldă de consum prin panouri solare termice.

I.1. Radiația solară

Datorită trecerii sale prin atmosferă, radiația solară este supusă fenomenelor de absorbție, difuziune și transmisie, fiind redusă cu aproximativ 30%. La nivelul Pământului, radiația solară se poate clasifica în:

– radiația directă – componenta paralelă, provenită de la discul solar și măsurată după direcția normalei la suprafață.

– radiația difuză – este radiația primită de o suprafață plană provenită din toată emisfera văzută de pe acea suprafață, cu excepția discului solar.

– radiație reflectată – rezultatul reflexiei razelor de către suprafețe reflectante; acest component depinde de albedoul suprafeței respective.

– radiația globală – radiație directă și radiație difuză.

Pentru funcționarea panourilor PV, radiația directă este cea mai importantă. În cazul unui cer senin, aceasta are cea mai mare intensitate atunci când soarele se găsește la punctul său de maxim spre Sud în emisfera nordică și spre Nord în emisfera sudică. Acest lucru se datorează celei mai scurte distanțe pe care undele electromagnetice trebuie să le parcurgă de-a lungul atmosferei terestre.

I.2. Efectul fotovoltaic. Celula fotovoltaică

Conversia energiei solare în energie electrică este realizată într-un dispozitiv numit celula fotovoltaică. Aceasta constă în principiul dintr-o diode semiconductoare cu joncțiune p-n special proiectată. În zona joncțiunii, datorită difuziei purtătorilor majoritari, apare o zonă de sarcină spațială pozitivă în statul n, respectiv de sarcină negativă în stratul p.

Această distribuție de sarcină creează, în zona joncțiunii, un câmp electric orientat de la stratul n către stratul p, ca la orice joncțiune p-n. Dacă dioda este expusă radiației solare, în diodă sunt generate perechi de purtători mobili – electroni și goluri.

Sub acțiunea câmpului din zona joncțiunii, electronii se deplasează către contactul metalic plasat pe stratul n, iar golurile către cel plasat pe stratul p. Această acumulare de sarcini la cele două contacte determină apariția unei tensiuni U, respectiv a unui curent. Acesta este efectul fotovoltaic.

Celulele solare transformă lumina în energie electrică. Acesta este un proces în 3 pași:

Absorția luminii, furnizarea de electroni într-o stare de excitație: în majoritatea cazurilor, dispozitivul care “absoarbe” lumina este un semiconductor și tranzițiile utilizate sunt tranziții între benzile energetice. Starea de excitație înseamnă un electron în banda de conducție și un gol în banda de valență;

Separara locală a sarcinilor pozitive și negative: electronii și golurile din semiconductori sunt separați prin difuzie sau prin driftul purtătorilor de sarcină, determinat de câmpul din regiunea de sarcină spațială a joncțiunii p-n sau a heterojoncțiunii a două materiale;

Dirijarea sarcinilor către un circuit exterior: separarea sarcinilor conduce la generarea unei tensiuni între cele două părți ale celulei solare. Contactele sunt realizate pentru colectarea sarcinilor în circuitul exterior. Acesta nu este întotdeauna ușor, deoarece contactele trebuie să aibă rezistență mică de contact pentru a evita pierderile electrice în dispozitiv. Pentru semiconductori, alegerea potrivită a materialelor de contact, combinată cu tehnologia potrivită, pot conduce la contacte “ohmice” cu o foarte bună conductanță;

I.3. Module și panouri fotovoltaice.

Tensiunea și puterea generate de o celulă fotovoltaică (3 W/0,5V, ca ordin de mărime) sunt insuficiente pentru majoritatea aplicațiilor. Pentru a obține puteri si

tensiuni mai mari, se conectează în serie mai multe celule fotovoltaice, de

regulă 36, obținându-se astfel un modul fotovoltaic. La rândul lor, mai multe

module pot fi interconectate în serie, paralel, sau mixt, formând astfel un panou

(tablou, generator) fotovoltaic.

În urmatoarea imagine sunt ilustrate: un simbol pentru modul fotovoltaic, forma unui modul fotovoltaic, celula fotovoltaică și forma panoului fotovoltaic.

a. b. c. d.

Figura 1 : a. simbol pentru un modul fotovoltaic. b. forma unui modul fotovoltaic. c.celula fotovoltaică. d. reprezentarea unui panou fotovoltaic.

Figura 2: Schema unui modul fotovoltaic tipic format din 36 de celule conectate în serie

Celula fotoelectrică permite conversia direcției a energiei luminoase în energie electrică.

O celulă fotovoltaică este formată din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul.

Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni  „p” și „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină  se va produce o „agitație” a electronilor din material și va fi generat un curent electric.

Celulele fotovoltaice au o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic dar în combinații serie, paralel ale acestor celule pot produce curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și la intemperii.

I.4. CARACTERISTICI ALE CELULELOR FOTOVOLTAICE

Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca și în cazul bateriilor:

Intensitatea curentului electric;

Putrea electric;

Tensiune.

Caracteristica curent-tensiune la diferite intensitați ale radiației solare:

Figura 3: Caracteristica intensitații curentului electric – tensiune a unei celule fotovoltaice la diferite intensitați ale radiației solare.

Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaice realizate din acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurată, depinde foarte puțin de intensitatea radiației solare, dar valoarea intensității curentului electric, depinde sensibil de acest parametru, prezentând o variație între 0,4A în cazul unei radiații solare de 200W/m2 și 2,2A în cazul unei radiații solare de 1000W/m2.

Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U și intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent continuu P=U·I.

Pornind de la curbele de variație a intensității curentului electric, cu intensitatea radiației solare, reprezentate în figura 3, și calculând valoarea puterii ca produs dintre tensiune și intensitate, se pot trasa curbe de variație a puterii furnizate de celulele fotovoltaice astfel:

Figura 4: Curba de variație a puterii electrice a celulelor fotovoltaice.

Analizând în figura. 4 la această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obține în punctul în care intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începe să scadă. Acel punct de pe curba de variație a intensității curentului electric, este numit punct de putere maximă PPM, iar puterea maximă corespunzătoare, poartă denumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM.

I.5. Tipuri de celule fotovoltaice.

I.5.1. Celule din siliciu monocristalin

În urma răcirii sale, siliciul cristalizează, dând naștere unui singur cristal. Acesta se decupează în fâșii subțiri pe care sunt aplicate apoi celelalte straturi componente ale unei celule PV. Culoarea lor este în general albastru uniform. Avantajul principal al acestui tip de celule este randamentul lor foarte bun (aprox %17). Dezavantajele constau în costul ridicat de producție și randament scăzut în cazul unei slabe iluminări.

I.5.2. Celule din siliciu policristalin

În timpul cristalizării se formează mai multe cristale. Decuparea în fâșii conduce la realizarea de celule compuse din mai multe cristale. Acestea sunt de asemenea albastre, dar se pot distinge diversele motive formate în urma cristalizării.

Avantajele acestei tehnologii sunt: randament bun al celulelor (aprox 13%), preț de producție mai scăzut.

Dezavantaje: randament scăzut în cazul unei slabe iluminări.

Sunt cele mai utilizate celule la nivel industrial, pentru producerea de panouri PV, având cel mai bun raport calitate-preț. Au eficiența bună în cazul radiației difuze mari spre deosebire de celulele din siliciu monocristalin care au eficiența bună în cazul radiației directe mari.

I.5.3. Celule din siliciu în stare amorfă

În acest caz siliciul nu este cristalizat, ci se depune pe o foaie de sticlă. Culoarea are o tentă gri.

Avantajele constau într-un randament bun în cazul unei slabe iluminări și în costul scăzut de producție.

Dezavantajele sunt un randament scăzut în cazul intensităților mari ale radiației solare și degradarea materialului într-un timp relativ scurt de funcționare. Au un randament de conversie de aproximativ 8%.

I.5.4. Celule cu film subțire (CdTe, CIS, CIGS)

Tehnologiile CdTe, CIS și CIGS sunt în curs de dezvoltare sau de industrializare.

Această tehnologie presupune reducerea cantității de material folosită la producerea de celule PV, dar poate conduce și la o scădere a randamentului de conversie. Acest tip de celule a devenit des utilizat datorită costurilor scăzute de fabricație, greutății reduse a panoului și flexibilității lor.

Celulele cu CdTe se bazează pe telura de cadmiu, material interesant datorită proprietății de absorbție foarte mare. Totuși, dezvoltarea lor riscă să fie frânată datorită toxicității cadmiului.

Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazează pe cupru, indiu și seleniu. Acest material se caracterizează printr-o bună stabilitate sub acțiunea iluminării. Ele au proprietăți de absorbție excelente.

Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleași materiale ca și cele cu CIS, având ca particularitate alierea indiului cu galiu. Aceasta permite obținerea unor caracteristici mai bune.

Capitolul II: Sisteme fotovoltaice

Principalele componente ale sistemelor fotovoltaice sunt:

– modulul, panoul, câmpul de module sau, altfel spus, generatorul fotovoltaic;

– bateria de acumulatoare;

– subsistemul pentru condiționarea energie electrice, care includ și elemente de măsurare, monitorizare, protecție, etc.; sursa auxiliară de energie, de exemplu, un grup electrogen (back-up generator), care funcționează pe benzină sau motorină. În acest caz sistemul fotovoltaic se mai numește și sistemul fotovoltaic hibrid.

Figura 5: Structura unui sistem fotovoltaic.

Sistemele fotovoltaice sunt destinate producerii energiei electrice casnice și industriale prin conversia luminii (energiei solare) în energie electrică.

Există două mari sisteme fotovoltaice:

sisteme ongrid care sunt sisteme cuplate la rețea și livrează energia electrică produsă în SEN ([NUME_REDACTAT] Național);

sisteme offgrid care sunt sisteme independente (sisteme insularizate).

II.1. Avantaje ale sistemelor fotovoltaice sunt:

a. produce energie electrică fără a afecta mediul înconjurător (+reciclare completă);

b. nu au componente în mișcare:

– durata de viață lungă;

– exploatare ușoară, ieftină;

– tehnologie fără poluare fonică.

c. producere și consum în același loc, pentru puteri instalate mai mici, consumabile local:

– pierderi de transport reduse;

– spații pentru producere și transport reduse;

– nu produce modificări în mediu.

d. [NUME_REDACTAT] sistem fotovoltaic poate fi proiectat pentru o ușoară expandare. Dacă cererea de putere ar crește, singurul obstacol care poate interveni în expandarea sistemului fotovoltaic este lipsa spațiului necesar amplasării modulelor suplimentare; ne referim desigur la lipsa unui spațiu iluminat de soare.

e. [NUME_REDACTAT] necesită un consum suplimentar și cheltuieli de întreținere. Alimentarea cu combustibil

convențional și depozitarea lui poate costa mai mult decât combustibilul însuși. Energia solară este oferită gratis. Deoarece tendința actuală este orientată spre optimizarea din punct de vedere energetic, pentru asigurarea funcționalității în condiții de maximă eficiență, s-au dezvoltat aplicații în care sistemele fotovoltaice sunt dotate cu sisteme inteligente pentru controlul funcționării, dotări care asigură personalizarea acestor aplicații.

Un mare avantaj pe care-l prezintă sistemele fotovoltaice este acela că se pot integra în

clădiri, pot înlocui subansamble, materiale de construcție sau chiar întregi părți componente ale clădirii cum ar fi acoperișul.

II.2. Sistemele fotovoltaice conectate la rețea:

Pot fi divizate în sisteme pentru care rețeaua electrică publică , joacă rolul de sursă auxiliară de energie (grid back-up), cele în care excesul de energie produsă pe cale fotovoltaică este furnizată în rețea (grid interactive PV system) și centrale electrice solaro-electrice(mulți MW PV system) furnizată în rețea (grid interactive PV system) și centrale electrice solaro-electrice (multi MW PV system) care furnizează toată energia produsă în rețea.

Conectarea sistemului fotovoltaic la sistemul electric poate determina apariția de perturbații electromagnetice la rețeaua electrică, în cazul în care nu se iau măsuri adecvate de limitare a acestora. În mod obișnuit pot să apară perturbații sub formă de armonice, interarmonice, flucțuații de tensiune, nesimetrice și supratensiuni.

Se recomandă, ca înainte de conectarea la rețea a surselor distribuite, să se analizeze nivelul perturbațiilor din rețeaua electrică pentru a cunoaște atât contribuția sistemului fotovoltaic la creșterea nivelului de perturbații, cât și influența pe care perturbațiile din retea o pot avea asupra parametrilor de performanță ai sistemului fotovoltaic.

Conectarea directă a sistemului fotovoltaic la rețeaua electrică conduce, de cele mai multe ori, la un nivel ridicat de perturbații. În cazul obișnuit al conectării prin intermediul unui transformator, are loc diminuarea perturbațiilor, în special a armonicelor de rang multiplu de trei dacă transformatorul are una dintre înfășurări conectată în triunghi.

Conectarea sistemului fotovoltaic prin intermediul unui circuit electronic cu un convertor performant de frecvență determină cele mai reduse perturbații.

II.3. Sistemele fotovoltaice offgrid:

Pot fi utilizate ca sisteme autonome pentru alimentarea cu energie electrică a unor consumatori aflați la distanță mare de sistemul național de alimentare cu energie electrică.

La sistemele offgrid energia produsă de panourile solare alimentează consumatorii conectați dar și acumulează energie pentru alimentarea consumatorilor atunci când energia solară este insuficientă sau nu există (noaptea). Din această cauză pe lângă panouri, sistemele off-grid au un încărcător care convertește energia de curent continuu a panourilor solare în energie de curent continuu cu alți parametri (tensiune, curent) pentru alimentarea consumatorilor de curent continuu și încărcarea bateriilor de acumulatori și un invertor offgrid pentru producerea de energie de curent alternativ.

Un sistem fotovoltaic off-grid este alcătuit din urmatoarele componente:

– panou solar fotovoltaic – este componenta de captare a energiei solare cu o eficiență ridicată, sunt proiectate pentru a oferi mai multă energie electrică la un cost mai mic.

– controller încărcare/regulator încărcare – este o componentă esențială oricărui sistem solar off-grid, necesar pentru a monitoriza nivelul de încărcare al bateriilor solare/acumulatorilor solari pentru a evita deteriorarea prematură.

– baterii solare/acumulatori solari – sunt elementele ce stochează energia electrică și o furnizează în mod constant.

– invertor solar off-grid – deoarece aproape toate aparatele electrocasnice și electronice folosesc AC (curent alternativ), invertorul solar off-grid are rolul de a transforma curentul continuu de la sistemul de energie solară în energie de curent alternativ.

Schema unui sistem fotovoltaic off-grid. Acest sistem fotovoltaic off-grid este dezvoltat pentru a compensa lipsa energiei în situații critice, neprevăzute și reîncărcarea bateriei solare/acumulatorului solar în condiții de supraconsum.

Figura 6: Structura unui sistem off-grid

II.3.1. Funcționarea sistemului fotovoltaic off-grid.

Panourile fotovoltaice  transformă radiația solară în energie electrică. Un număr de panouri solare fotovoltaice conectate în serie sau în paralel produc energie electrică în curent continuu.

Controllerul solar sau regulatorul de încărcare, cum i se mai spune, are rolul de a proteja acumulatorii solari (baterii solare) în ciclul de încărcare-descărcare. Controllerul comandă acumulatorii, îi încarcă și descarcă în siguranță.

Bateriile solare (acumulatorii solari) înmagazinează energia produsă de panourile fotovoltaice pentru a fi consumată. Se poate utiliza o singură baterie solară sau mai multe interconectate. O decizie foarte importantă este alegerea capacității acumulatorilor solari (bateriilor solare) deoarece aceștia trebuie să asigure furnizarea constantă de electricitate.

Invertorul solar off-grid transformă curentul continuu (CC) produs de panourile fotovoltaice primit de la bateriile solare (acumulatori solari) în curent alternativ, deoarece consumatorii finali sunt alimentați cu energie electrică de curent alternativ (AC).

Pe scurt sistemele solare fotovoltaice off-grid fac conversia curentului continuu din bateriile solare în curent alternativ.

Capitolul III: Stocarea energiei

Stocarea energiei se face cu ajutorul unei baterii.

O baterie este alcătuită din două sau mai multe celule electrochimice conectate în serie. Se pot clasifica în celule electrochimice primare și secundare. Bateriile secundare – numite și acumulatori- au reacții reversibile și sunt reîncărcabile. O celulă electrochimică conține doi electrozi și un electrolit. În mod uzual electrozii se numesc unul electrod “pozitiv” iar celălalt electrod “negativ”. Electrodul pozitiv are un potențial electric mai pozitiv față de electrodul negativ raportat la electrodul standard de hidrogen.Fiecare combinație de masă activă încărcată și descărcată are un potențial electrochimic specific. Diferența de potențial dintre electrodul pozitiv și cel negativ se numește potențialul celulei sau tensiunea celulei. Tensiunea de echilibru a celulei este dependentă de concentrația electrolitului și temperatură. Tensiunea de funcționare în gol se poate măsura dacă curentul prin baterie este nul. Aceasta este aceiași cu tensiunea de echilibru dacă toate căderile interne de tensiune, datorate în principal proceselor de difuzie, nu sunt considerate. Timpul în care se atinge această stare depinde de tehnologia bateriei și de condițiile de funcționare. El poate varia de la valori de ordinul secundelor până la valori de ordinul orelor.

Capacitatea unei celule se măsoară de regulă în amper-oră (Ah). Capacitatea se determină prin descărcare la curent constant până când tensiunea scade sub o valoare definită ca tensiune de prag de descărcare. Capacitatea depinde de curentul de descărcare și temperatură. Producătorii de baterii pot utiliza alte definiții pentru curentul de descărcare și tensiunea de prag de descărcare. Totuși este foarte important să verificăm condițiile de referință definite de producător când comparăm capacitatea diferitelor produse.

Tensiunea nominală a unei celule este cuprinsă în mod normal în domeniul 1,2 până la 3,6 V (funcție de tipul bateriei). De regulă diferitele celule sunt conectate în serie formând un șir (baterie) cu tensiune nominală mai mare. Tensiunea nominală a bateriei este definită ca fiind tensiunea nominală a unei celule multiplicată cu numărul de celule conectate în serie. Bateriile sunt deseori vândute în așa numitele blocuri sau module. În aceste structuri, diferitele celule sunt integrate și conectate în serie având un singur set de terminale (două borne de acces). Un exemplu bine cunoscut este bateria auto formată din 6 celule înseriate dar care este vândută ca un bloc de 12V.

Pentru a mări capacitatea unei celule, deseori grupe de electrozi pozitivi și negativi sunt conectați în paralel în interiorul unei singure celule. Pentru a mări și mai mult capacitatea se pot conecta în paralel două sau mai multe bateri a unei bateri (exprimată în Wh sau kWh) reprezintă produsul dintre tensiunea nominală și capacitatea nominală în Ah a bateriei.

Starea de încărcare (SOC – state of charge) reprezintă (procentual față de capacitatea nominală) capacitatea ce poate fi descărcată din baterie la un anumit moment. Starea de

încărcare de 100% reprezintă bateria complect încărcată iar 0% SOC reprezintă descărcarea cu sarcina echivalentă capacității nominale. Deseori literatura de specialitate în loc de SOC utilizează termenul de profunzimea descărcării (DOD – depth of discharge). DOD este 0% când bateria este total încărcată și 100% după descărcarea cu sarcină echivalentă capacității nominale (DOD = 100% – SOC). În literatura referitoare la sistemele energetice autonome, de regulă, curentul pozitiv al bateriei conduce la creșterea SOC (regim de încărcare) iar valoarea negativă a curentului conduce la scăderea SOC (regim de descărcare).

Un “ciclu” reprezintă o descărcare urmată de reîncărcare. Ciclurile prezentate în diferite diagrame pornesc întotdeauna de la bateria complect încărcată și se opresc la o anumită valoare DOD. Un ciclu complet (nominal) reprezintă descărcarea până la 100% DOD.

Ciclu de viață a unei baterii este dat de numărul de cicluri funcție de DOD. Totuși ciclurile definite anterior nu apar în cadrul sistemelor energetice autonome, după cum se prezintă în Figura 3. În aceste cazuri apare un număr mare de cicluri parțiale în cadrul unui macro ciclu (timpul dintre două procese de încărcare complete), unde ciclul parțial este definit ca transferul de sarcină pe perioada în care curentul bateriei nu își modifică sensul. Transferul total de sarcină în cadrul sistemelor energetice autonome este definit de capacitatea transferată. Ea este dată de sarcina totală acumulată (exprimată în Ah) ce poate fi extrasă din baterie, raportată la capacitatea nominală. Valoarea rezultată este echivalentă, formal, ciclurilor cu 100% DOD. Această valoare normalizată va fi asociată, în lucrare, capacității transferate.

Randamentul amper-oră Ah este definit ca raportul dintre sarcina (în Ah) extrasă din baterie (la descărcare) și sarcina (în Ah) cu care a fost încărcată bateria pe durata unui anumit interval de timp (de regulă o lună, un an sau perioada dintre două procese de încărcare complectă). Frecvent în loc de randament amper-oră se utilizează factorul de încărcare definit ca 1/Ah.

Funcționarea durabilă a bateriei presupune factori de încărcare supraunitari.

Randamentul energetic Wh reprezintă raportul dintre energia preluată din baterie și energia cu care a fost încărcată într-un anumit interval de timp (definit ca mai sus).

Dimensiunea bateriei este dată de energia nominală pe care o poate stoca în condiții de încărcare totală. Pentru a exprima dimensiunea bateriei asociată cu sarcină, în cadrul sistemelor energetice autonome se utilizează frecvent termenul “zile de autonomie”. Termenul “zile de autonomie” este definit ca raportul dintre energia nominală a bateriei [kWh] și consumul mediu pe zi [kWh/zi]. Astfel această mărime se măsoară în “zile” și reprezintă perioada de timp în care sarcina poate fi alimentată numai de bateria total încărcată.

Curenții bateriei sunt, în mod uzual, raportați la dimensiunea bateriei. Acest lucru se datorează faptului că procesele specifice (de conversie și stocare) sunt dependente de curent prin densitatea curentului, prin electrozi și substanța activă. Deoarece capacitățile mai mari se obțin fie prin cuplarea în paralel a electrozilor sau a celulelor, fie prin folosirea unor electrozi mai mari, utilizarea curenților raportați la capacitatea bateriei conferă un grad ridicat de generalizare. Astfel curenții bateriei se exprimă ca multipli ai capacității în Ah sau ca multipli ai curentului de descărcare a unei capacități definite. Pentru o baterie cu capacitatea C=100 Ah, un curent de 10 A este definit ca 0.1 x C. De asemenea I10 reprezintă curentul necesar pentru descărcarea (până la tensiunea pragului de descărcare) unei baterii total încărcate într-o perioadă de timp de 10 ore. Notația uzuală pentru capacitate este Cx unde x este timpul (în ore) în care bateria este descărcată. De exemplu: C10 = 10 ore x I10, sau C10 = 100 Ah, I10 = 10 A = 0.1 x C10. De observat că 1 x I10 nu este echivalent cu 10 x I100 după cum capacitatea C100 este de regulă mai mare decât capacitatea C10.

Tensiunea pragului de încărcare definește o valoare superioară limită a tensiunii la bornele bateriei în procesul de încărcare. Încărcarea bateriei nu se oprește, de regulă, atunci când se atinge această tensiune ci doar se limitează curentul de încărcare la o valoare (ce acoperă autodescărcarea) pentru a menține această valoare a tensiunii.

Tensiunea de prag de descărcare reprezintă o valoare limită inferioară, sub care bateria nu mai poate fi descărcată fără a se afecta funcționarea ulterioară a acesteia.

Timpul de viață a unei bateri depinde foarte mult de condițiile de funcționare și strategia de control. Astfel producătorii definesc timp de viață în regim flotant pentru baterii aflate în regim constant de încărcare fără cicluri încărcare/descărcare (cazul surselor de energie de siguranță: UPS – uninterruptible power supplies) sau timp de viață în condiții de cicluri continue pentru bateriile utilizate în tracțiune.

Similar se definește timpul de viață de păstrare (shelf life) ca intervalul maxim de timp în care bateria poate fi stocată înainte de utilizare.

Autodescărcarea definește pierderea (reversibilă) de capacitate în condiții de funcționare în gol (fără sarcină). Aceasta depinde foarte mult de temperatură.

Starea de sănătate se definește prin raportul dintre capacitatea măsurată la un anumit moment de timp (în exploatare) și capacitatea nominală. Acest parametru evidențiază modul în care bateria îndeplinește totalitatea cerințelor de funcționare. Conform standardelor oficiale bateriile plumb-acid sunt scoase din uz dacă starea de sănătate este mai mică de 80%. Totuși bateriile mai pot funcționa încă mult timp dar în condiții de autonomie redusă și implicit cu posibil deficit de energie în sistem.

III.1. Baterii ( Acumulatori)

O baterie reîncărcabilă sau acumulator este un tip de baterie electrică.

Acumulatoarele electrochimice convertesc energia electrică în energie chimică. Energia este stocată în compuși chimici. Acest proces este reversibil la bateriile electrochimice secundare. Pe durata descărcării energia chimică este convertită din nou în energie electrică. Elementele de conversie determină puterea la încărcare respectiv la descărcare iar unitatea de stocare determină capacitatea energetică a sistemului.

Există o gamă largă de acumulatoare electrochimice diferențiate prin materialele pentru electrozi și electrolit. Rezultă implicit o diferențiere atât din punct de vedere al proprietăților electrice, precum densitate de energie și putere, randament, durată de viață, temperatură de funcționare, rezistență internă, autodescărcare, cât și din punct de vedere al caracteristicilor economice precum costul sau întreținerea. O baterie este alcătuită din două sau mai multe celule electrochimice conectate în serie. Se pot clasifica în celule electrochimice primare și secundare. Bateriile secundare – numite și acumulatori- au reacții reversibile și sunt reîncărcabile.

III.1.1.Bateriile cu plumb-acid: continuu să reprezinte principala opțiune pentru stocarea energiei, 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 în sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride sunt încapsulate și nu necesită completare cu apă și întreținere, supapa regulatoare (VLRA) realizând recombinarea oxigenului și a hidrogenului rezultați în urma reacțiilor chimice de la nivelul anodului și catodului.

Temperatura optimă de funcționare a unei baterii de acumulatori acid-plumb este 20°C – 25°C și influentează direct durata de viață a bateriei. În cazul în care bateriile de acumulatori funcționează la temperaturi superioare acestui domeniu, durata de serviciu se reduce drastic, iar la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. În afara intervalului optim de temperatură este necesară de asemenea, compensarea tensiunii de încărcare cu temperatură.

Curentul de încărcare al unei baterii de acumulatori trebuie să se încadreze în domeniul 10% pâna la 20% din capacitatea ei nominală.

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 sticla sau silicat de bor (baterii AGM) sau reținut în 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 răsturnate. Pentru că nu conțin elemente care îngheață pot fi utilizate la temperaturi extrem de scăzute. Deși din punct de vedere al electrolitului sunt similare cu bateriile cu gel, bateriile AGM aparțin clasei lichid, iar tensiunea și algoritmul de încărcare sunt aceleași ca și pentru bateriile clasice.

III.1.2. Bateriile cu Gel: au electrolitul sub forma unei mase vâscoase și imobile, având acidul sulfuric reținut în Gel. Pot fi instalate în orice poziție, au rezistentă mare la temperaturi scăzute, șocuri și vibrații, dar necesită tensiuni de încărcare mai mici decât în cazul bateriilor din clasa lichid și de asemenea nu necesită încărcare de egalizare.

Dimensionarea corectă a capacitații pentru o baterie de acumulatori se face

în funcție de puterea nominală a consumatorilor și de diagrama de consum pe intervale orare. Durata de viața a unei baterii de acumulatori este dependenta de adâncimea de descărcare și de temperatura de lucru. În funcție de capacitatea și tipul bateriei de acumulatori se aleg controllerele de încărcare și/sau invertoarele de baterii. Trebuie reținut că utilizarea unui controller de încărcare sau invertor de baterii impropriu poate duce la reducerea capacitații bateriei de acumulatori și a duratei de viața a acesteia sau chiar la distrugerea ei.

Avantajele bateriei cu Gel:

– Durata de viață mai lungă, cam de 2 ori mai mare față de VLRA;

– Descărcare rapidă;

– Încărcare rapidă, aproximativ 80% încărcare în 30 de minute;

– Rentabilă;

– Gama largă de operare în funcție de temperatură, de la -40 C până la 60 C;

– Autodescărcare extrem de scăzută;

– Rezistență internă mică (în comparație cu VLRA).

III.1.3. Baterii NiCd – se remarcă în principal prin timpul de viață ridicat și număr mare de cicluri de încărcare/descărcare. Sunt larg utilizate în aplicații în condiții grele de funcționare și climă foarte rece. Bateriile NiCd obișnuite pot lucra la temperaturi de -20°C, iar cele proiectate pentru condiții speciale pot funcționa chiar sub -50°C. Tensiunea nominală a unei celule NiCd este 1.2 V. În condiții normale de funcționare, o baterie NiCd poate atinge până la 2000 de cicluri de descărcare completă chiar în condiții severe de exploatare. În funcție de domeniul de utilizare și de condițiile de funcționare, durata de viață poate fi între 8 și 25 de ani. Fiabilitatea ridicată și durata de viață mare a bateriilor NiCd se datorează unor factori multipli ce țin de construcția celulelor precum și de sistemul electrochimic specific. Astfel structura mecanică este foarte robustă, celulele nu pot fi ușor distruse prin manipulare tehnică incorectă cum ar fi încărcarea la polaritate inversă, supraîncărcarea și perioadele lungi la valori medii sau scăzute ale stării de încărcare. Un aspect negativ este reprezentat de așa numitul “efect de memorie”, ce apare în anumite condiții de funcționare. Acest termen este utilizat pentru a descrie tendința bateriei de a-și adapta proprietățile electrice la condițiile de ciclizare în care a funcționat o perioadă lungă de timp.

III.1.4.Baterii nichel-hidrură metalică (NiMH) – au înlocuit bateriile NiCd pe piață cu echipamente portabile (de exemplu telefoane mobile, jucării electronice, aparate de fotografiat și camere video, etc.) datorită impactului mai redus asupra mediului precum și datorită faptului că au raport energie/masă mare. Totuși, bateriile NiMH nu sunt disponibile comercial la capacitățile mari necesare sistemelor autonome de furnizare a energiei. Motivul principal îl reprezintă costul. Aceste baterii nu prezintă efect de memorie.

III.1.5. Baterii alcaline cu mangan reîncarcabile (RAM) – tensiunea nominală este 1.5 V/celulă și deci cu 25% mai mare decât a bateriilor NiCd sau NiMH. Ele sunt semnificativ mai ieftine în comparație cu bateriile NiCd și sunt mult mai puțin poluante deoarece ele nu conțin metale grele. Dezavantajul major al celulelor RAM îl reprezintă timpul de viață scăzut în condițiile unor cicluri profunde.

Până în prezent, tehnologiile existente asigură doar aproximativ 20 până la 50 de cicluri complete. Celulele RAM sunt interesante pentru aplicații mici cu durată de viață limitată sau cicluri foarte ușoare cum ar fi cazul unor jucării. Sistemele de iluminat de avarie pot reprezenta un alt domeniu de utilizare deoarece în mod normal numai partea electronică necesită o mică cantitate de energie (reîncărcarea fiind asigurată de o mică sursă PV) iar capacitatea totală este folosită în situația de urgență.

III.1.6. [NUME_REDACTAT]-ion și Li-polimer – Când bateria se încarcă, ionii de litiu din materialul catodului (compus de litiu) migrează printr-un separator în stratul structurii de material din carbon ce formează anodul și curentul de încărcare circulă. În timpul descărcării, ionii de litiu din materialul de carbon migrează înapoi la materialul catodului. Aceasta este cunoscută ca principiul „răsturnării scaunului” (“rocking chair”). Chiar printr-un număr mare de diferite combinații de materiale, sunt cunoscute sub numele de baterii litiu- ion, cele mai importante dintre produsele comerciale sunt tipurile LiCo și LiMn. Bateriile reîncărcabile Li-ion au o structură din 3 straturi conținând un separator poros intercalat între straturile de material ale catodului și anodului, care, în cazul celulelor prismatice sunt înfășurate într-o formă eliptică. Aceste materiale sunt impregnate cu un electrolit și etanșate în carcasa metalică.

Această carcasă metalică conține o fantă de siguranță pentru a proteja bateria prin evacuarea gazului în exterior dacă presiunea din interiorul celulei atinge valori extreme. Bateriile cu litiu au un potențial de risc datorită densității foarte mari de energie și reactivității litiului metalic. Manevrarea incorectă a unei baterii reîncărcabile cu litiu poate genera căldură, explozie sau foc. În consecință este chiar mai important la acest tip de baterie asigurarea protecției la supraîncărcare, supradescărcare, supracurent, scurtcircuit și prevenirea operării la temperaturi prea mari. Astăzi, bateriile cu litiu sunt furnizate numai cu electronica de control pentru protecție, integrată. Ea lucrează independent de încărcătoarele externe și dispozitivele de monitorizare și bateria este deci complet controlată de producătorul ei.

III.1.7. Condensatoare dublu-strat – au un electrolit conductor de ioni între electrozi. Așadar, este posibilă o aglomerare de purtători de sarcină pe interfața dintre materialul conductor de electroni și materialul conductor de ioni. Interfața este numită strat dublu electrochimic. Nu are loc nici o reacție chimică și nici transfer de sarcină de la electrod la electrolit. Așadar, structura materialului nu se schimbă, rezultând cicluri de viață de câteva sute de mii. Stocarea energiei depinde numai de efectul electrostatic. Condensatoarele dublu-strat sunt adesea cunoscute prin numele lor de marcă ca SuperCaps sau GoldCaps.

III.1.8. [NUME_REDACTAT] – materialul activ este făcut din săruri dizolvate într-un electrolit lichid. Electrolitul este stocat în buterii. Cum solubilitatea sărurilor este de obicei nu foarte mare, densitatea energiei este similară cu cea a bateriilor plumb-acid. Reacțiile electrochimice de încărcare/descărcare au loc în convertorul care determină puterea sistemului. Bateriile redox lucrează cu electrolit în două bucle de circulație. Fiecare buclă de circulație conține sisteme redox, la care valența este schimbată în timpul încărcării și descărcării. Schimbarea valenței pentru cele două sisteme redox va trebui să aibă loc de preferat la diferență de potențial mare, ca aceasta să determine echilibrul tensiunii bateriei.

III.1.9. Sisteme de stocaj hidrogen-oxigen – electroliza apei începe la 1.23 V/celulă. Sistemul de stocare a hidrogenului constă din 3 componente majore: un electrolizor pentru producerea gazului din apă, stocajul de gaz pentru hidrogen și pentru oxigen, o pilă de combustie reconvertește gazul în apă și rezultă energie electrică.

În general, o baterie este considerată uzată atunci când mai are 80 % din capacitatea specificată de producător. Oricum, aceasta nu înseamnă că bateria este complet nefuncțională. Din experiență se cunoaște faptul că o baterie poate fi utilizată ușor până când mai are 50% din capacitatea nominală.

III.2. Condiții tipice pentru exploatarea bateriilor în cadrul aplicațiilor fotovoltaice

Condițiile de funcționare variază puternic în raport cu amplasamentul și tipul aplicației, cu profilul consumatorului, cu puterea instalată a generatorului și strategia de funcționare.

Cei mai importanți parametrii pentru clasificarea condițiilor de funcționare sunt curenții de încărcare și de descărcare, profilul stării-de-încărcare și temperatură.

III.3. Încărcarea bateriilor

Încărcarea ca și descărcarea corectă a unui acumulator condiționează performanțele și durata lui de viață. Dacă descărcarea în timpul funcționării depinde esențial de utilizator, de sarcina electrică pe care o alimentează, de alegerea corectă a tipului și capacității și nu poate fi controlată riguros procesul de încărcare poate fi determinat prin alegerea corectă a încărcătorului .

Obținerea randamentului maxim al bateriilor reîncărcabile se bazează, în principal, pe modul în care decurge încărcarea lor. Cei mai mari dușmani ai acumulatoarelor sunt supraîncărcarea și supraîncălzirea.

Ca regulă generală, pe durata procesului de încărcare, bateriile nu trebuie să prezinte fenomenul de supraîncălzire deoarece temperaturile crescute scurtează dramatic viața acestora. Cu toate acestea, încălzirea bateriilor pe bază de nichel este inevitabilă în cursul încărcării. Ori de câte ori acest fenomen apare, trebuie limitat în timp.

Creșterea de temperatură apare întotdeauna în a doua parte a ciclului de încărcare.

Aceasta precauție trebuie luată, în mod special, în cazul bateriilor NiMH datorită imposibilității acestora de a converti chimic căldura.

III.4. Determinarea încărcării pe baza măsurării tensiunii celulei

Măsurarea tensiunii pe celula neconectată poate fi utilizată pentru determinarea stării de încărcare a bateriei pe bază de plumb la fel ca și la bateriile alcaline sau pe bază de Li.

Încărcarea bateriilor pe bază de Pb este similară cu cea a bateriilor pe bază de Li-Ion și diferă de cea a bateriilor pe bază de Ni prin faptul că se utilizează limitarea de tensiune și nu de curent.

Fig.7. Graficul timpului de încărcare al unei baterii.

Timpul de încărcare al unei baterii cu Pb este de 12-16 ore ajungând la 36 ore pentru bateriile de capacitate mare. Prin încărcarea la curenți mari în etape diferite, timpul de încărcare poate fi redus la 10 ore sau mai puțin. Un acumulator Pb se încarcă într-un timp de 5 ori mai mare decât cel în care se descarcă. Un încărcător în etape pentru baterii Pb va începe încărcarea la un curent constant până când celula atinge o tensiune prestabilită. Această prima etapă durează cam 5 ore și încarcă bateria la 70% din capacitate. A doua etapă prezintă o reducere treptată a curentului de încărcare până la atingerea unei capacitați de 100%. Neparcurgerea acestei etape are, de cele mai multe ori, drept consecință, reducerea dramatică a duratei de exploatare a bateriei precum și imposibilitatea de a o mai încărca la capacitatea nominală.

Această etapă durează cam 5 ore. Încărcarea maximă se atinge când curentul de încărcare scade sub 3% din curentul nominal.

Se impune o corectă urmărire a tensiunii celulei, ce poate varia între 2,30V și 2,45V. Alegerea tensiunii este critică: acest tip de baterie trebuie încărcată 100% pentru a evita sulfatarea electrodului negativ dar este dificil de decelat momentul în care începe procesul chimic iar supraîncărcarea duce la corodarea electrodului pozitiv și la generarea de gaze.

Avantajele și dezavantajele tensiunii de încărcare la bateriile cu Pb sunt date în tabelul de mai jos:

Tensiunea maximă variază, de asemenea, cu temperatura. O temperatură ridicată necesită tensiuni coborâte de încărcare. Încărcătoarele care funcționează în game largi de temperaturi trebuie să fie în mod obligatoriu dotate cu un sistem de măsurare și integrare a temperaturii.

Etapa finală este încărcarea de mentenanță ce urmărește compensarea autodescărcării.

Un alt aspect demn de sesizat este faptul că o baterie Pb nu se recomandă a fi menținută în încărcare la tensiunea maximă pentru un timp îndelungat. Perioada maximă este de aproximativ 48 de ore. După atingerea stării de încărcare, pentru mentenanță (trickle charge) se recomandă o tensiune în jur de 2,25-2,27 V/celulă la 25oC.

[NUME_REDACTAT] se vor păstra între utilizări în stare de încărcare completă. La fiecare 6 luni se recomandă o încărcare de topping (etapa a doua) pentru a evita descărcarea sub 2,10V/celulă. Stocarea sub această tensiune duce la sulfatarea ireversibilă a bateriei.

III. 5. Încărcătorul solar

Încărcătorul solar se montează în circuitul sistemului solar, între panoul solar fotovoltaic și baterie. Încărcătorul solar asigură o încărcare eficientă a bateriei, pe care o și protejează împotriva descărcării profunde și scurt-circuitelor, protejând în același timp și panoul solar împotriva unui eventual scurt-circuit.

Modul de functionare al unui încărcător solar este exemplificat prin figura de mai jos:

Fig.8. Modul de funcționare al unui încărcător solar

Încărcătorul solar este folosit pentru a regla fluxul de curent de la panoul fotovoltaic (sau sistemul de panouri) în baterii, și de la baterii la diverse sarcini electrice. Acesta are rolul de a preveni supraîncărcarea atunci când sursa de electricitate solară depăseste cererea, precum și supradescărcarea, atunci când cererea depasește posibilitățile sursei.

Cele două sarcini principale ale încărcătorului solar sunt evitarea supraîncărcării și a supradescărcării, în funcție de tensiunea bateriilor.

Supraîncărcarea se evită prin deconectarea panoului odată ce tensiunea în baterii atinge punctul maxim setat, pentru o baterie de 12V valorile fiind în general de 14V pentru încărcare float, 14.4V pentru încărcare boost și 14.7V pentru încărcarea de egalizare necesară în cazul bateriilor nesigilate. Descărcarea excesivă este prevenită prin deconectare a sarcinii și/sau atenționarea odată ce se atinge o valoare minimă, care este de obicei la 11V. Între aceste extreme, încărcarea și descărcarea continuă în acord cu cantitatea de soare care ajunge pe panoul fotovoltaic și puterea consumată de sarcină.

O problemă importantă este cea a histerezisului. Atunci când se atinge valoarea maximă setată și se deconectează panoul pentru evitarea supraîncărcarii, tensiunea bateriei începe imediat să scadă, chiar dacă nu este conectată nicio sarcină. Histerezisul dintre tensiunile de deconectare și reconectare este un compromis care trebuie ales cu grijă. La fel se întâmplă și la valoarea minimă setată, deoarece tensiunea trebuie lăsată o perioadă să își revină înainte de reconectarea automată.

În cazul sistemelor de uz casnic bazate pe un singur panou fotovoltaic și o baterie de 12V care ține în funcțiune câteva lămpi cu consum mic și un mic televizor, o unitate simplă care să controleze câțiva amperi de curent la 12V este potrivită. Siguranța montată în apropierea bornei + a bateriei este folosită pentru protecție în caz de scurt-circuit.

III.6. Caracteristici ale încărcătorului solar

Pincipalele caracteristici ale încărcătorului solar sunt de:

– protecție împotriva conectării inverse a polarităților modulului fotovoltaic sau bateriilor;

– selectarea automată a regimului de încărcare în funcție de SOC-ul bateriilor (boost, float, egalizare);

– protecție împotriva supraîncărcării bateriilor și a descărcării profunde, curenților de sarcină excesivi și scurt-circuitelor accidentale;

– prevenirea curentului invers pe timpul nopții;

– afișarea unor parametri cum sunt tensiunea bateriei și/sau SOC-ul estimat, curenții la nivelul panoului și a sarcinii și anunțarea înaintea deconectării sarcinii.

Costul unitații va depinde cu siguranță de mai multe dintre aceste opțiuni care sunt incluse, iar cu creșterea complexității sistemului, și evident a puterii, funcțiile de protecție și monitorizare devin mai importante și sofisticate.

Se cunosc trei tipuri de charge controlere: controlere serie, controlere șunt și controlere MPPT (maximum power point tracking) care urmăresc punctul de putere maximă. Cele din urmă reprezintă obiectul de studiu în această lucrare.

III. 7. Moduri de utilizare ale încărcătorului solar

Încărcătorul solar poate fi utilizat pentru alimentarea directă a consumatorilor de curent continuu, sau în tandem cu un invertor de baterii pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ, formând împreună cu acesta sisteme fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu. Sunt utilizate numai în sistemele fotovoltaice neconectate la sistemul energetic național și sunt potrivite pentru puteri mici de ordinul zecilor de wati pâna la câțiva kilowati.

Alegerea corectă a încărcătorului solar se face în funcție de tensiunea, curentul de încărcare 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.

III.8. Tipuri de încărcătoare solare

Există două tipuri de încărcătoare solare, care folosesc una din cele două tehnologii descrise mai jos:

PWM = Controler cu modulație în durată a impulsurilor;

MPPT = Controler cu urmărirea punctului de putere maxima;

În comparație cu încărcătoarele de tip PWM, tehnologia MPPT mărește eficiența de încărcare cu 30% și reduce prin aceasta necesarul de putere la panouri. Abilitatea tehnologiei MPPT de a avea această eficiență față de tehnologia tip PWM mărește flexibilitatea sistemului. Încărcătoarele solare care folosesc tehnologia MPPT pot reduce secțiunea conductorilor datorită curentului mai scăzut.

Regulatoare (sau controlere) de încărcare: sunt necesare în sistemele fotovoltaice care stochează energia generată fotovoltaic folosind acumulatoare electrice pentru a prelungi durata de viața a acestora (prin evitarea descărcării excesive sau a supraîncărcării).

MPPT: Mărimea tensiunii continue generată de generatorul fotovoltaic nu corespunde, în general, aceleia necesare funcționării optime a consumatorului. Pentru a "transforma" tensiunea continuă la un nivel corespunzător se folosesc convertoare c.c. Acestea se întâlnesc și ca blocuri distincte, dar de cele mai multe ori apar în componența invertoarelor sau a controllerelor de încărcare sub forma unor blocuri de adaptare a sarcinii la generator, numite " urmăritoare a punctului de putere maximă (MPPT- [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT]).

Capitolul IV: Invertoare de tensiune

Schema convertorului în contratimp sau push pull este dat în figura 9.

Funcționarea circuituilui este urmatorul:

Cele două tranzistoare se comandă să conducă la saturație alternativ, câte unul în fiecare semiperioadă, pe un interval de timp egal cu dT. Așadar, funcționarea convertorului va trebui urmărită pe 4 intervale de timp distincte.

Pe intervalul t[0, dT] se comandă să conducă la saturație Q1, ca urmare în înfășurările transformatorului apar tensiuni cu polaritatea fără paranteze va conduce D1 D2 este polarizată invers și va fi blocată: .

Pe bobina L se aplică acum tensiunea

Circuitul echivalent ce se formează este:

Din figura de mai sus se deduce , dar im este unde , iar , înlocuind se poate deduce iQ1 pe acest interval.

Pe intervalul t[dT,T], în momentul dT, când se blochează tranzistorul Q1, primarul este întrerupt, dar inductanța L menține circulația de curent, curentul iL fiind furnizat de D1 și D2. În figura alăturată se dă schema electrică ce se formează pe al doilea interval.

Pentru conservarea fluxului prin miez scriu egalitatea

, deoarece secundarul e pus în scurt-circiut iar curentul de magnetizare se va păstra constant. [=reluctanță magnetică]

În figura alăturată sunt date formele de undă pentru convertorul push-pull.

3) Pe intervalul t[T/2,dT] și anume în primul moment (T/2), se comandă să conducă la saturație Q2 și în înfășurările transformatorului vor apărea tensiuni cu polaritățile din paranteze. Va conduce D2, va fi polarizată invers D1 și se va bloca: .

Circuitul echivalent ce se formează se dă în figura de mai jos:

iD2 = iL , , , unde se măsoară din momentul T/2.

În fine, la blocarea lui Q2 se va obține un circuit echivalent ca în figura.11, doar că sensul curenților de magnetizare va fi inversat.

Se observă că atunci, când Q2 conduce la saturație, VCEQ1 = 2V1 , iar solicitările în tensiune sunt

IV.1. Puntea H

O punte H este un circuit electronic ce permite aplicarea unei tensiuni pe o sarcină în orice sens. Aceste circuite sunt adesea folosite în robotică și alte aplicații pentru a permite motoarelor de curent continuu să ruleze înainte și înapoi. Punțile H sunt disponibile ca circuite integrate sau pot fi construite din componente discrete, tranzistoare bipolare sau MOS.

Puntea H are numele derivat de la modul obișnuit de desenare a circuitului. Aceasta este singura cale de tip solid state de a comanda motorul în ambele direcții.

Mod de funționare:

Atunci când întrerupătoarele S1 și S4 (în conformitate cu figura) sunt închise și S2 și S3 sunt deschise o tensiune pozitivă va fi aplicate la nivelul motorului. Prin deschiderea întrerupătoarelor S1 și S4 și închiderea întrerupătoarelor S2 și S3, această tensiune este inversat, astfel să permită funcționarea inversă a motorului.

Întrerupătoarele S1 și S2 nu trebuie să fie închise în același timp, deoarece acest lucru ar provoca un scurt-circuit la sursa de tensiune (Vin). Același lucru se aplică și întrerupătoarelor S3 și S4.

În practică întrerupatoarele S1,S2,S3,S4 sunt tranzistoare bipolare sau MOS-FET.

Capitolul V : Consideratii practice si rezultate experimentale

Există mai multe variante de invertaore care produc tensiune alternativă la ieșire dar nu toate au formă sinusoidală. Cel mai simplu este invertorul cu formă de undă dreptunghiulară apoi cel cu formă sin modificată, apoi cel mai simplu este cel cu formă de undă sinusoidală , toate lucrând în comutație .

Sectiunea I Sectiunea II

––––––––––––––––- || –––––––––––––––

Figura 14: Schema de principiu al unui circuit ce lucrează în comutație

Figura 15: Circuit de comutație

Forma de undă la ieșirea înfasurării L3 este dreptunghiulară.

Circuitul pare la prima vedere mai simplu, dar în realitate apar câteva probleme care complică realizarea practică.

Frecvența fiind joasă (50Hz) inductantele L1 și L2 rezultând de valoare mare. Aceasta se realizează pe … de tola silicoasă (tole) și cu un gabarit mare .

Forma de undă dreptunghiulară nu este acceptată de unele aparate casnice (de regulă cele care utilizează motoare de curent alternativ cum ar fi frigiderele, bormașinele etc).

Se poate folosi forma de undă "sin modificat" ca în figura 2b unde timpul de conducție pentru cei doi tranzistori, Tc este mai mic decât T/2. Se obține astfel o fundamentală sinusoidală (de 50 Hz) de amplitudine mai mare decât în cazul figurii 2a.

Evitarea acestor incoveniente se face prin adăugarea la schema de principiu din fig.14 secțiunea 1 astfel înca, unei parți utilizând o schemă de "punte H" cu modulație PWM. Se obține schema din figura 14 compusă din două secțiuni care asigură la ieșire o tensiune sinusoidală pastrând randamentul ridicat al lucrului în comutație. Se folosește ca tensiune de lucru 400 de V produs de secțiunea I.

Schema detaliată a secțiunii II este dată mai jos:

Figura16: Schema secțiunea II blocul generator de semnal sinusoidal-puntea redresoare

Figura 17: Partea 1 a secțiunii II

Figura 17: Partea 2 a secțiunii II

Figura 17: Partea 3 a secțiunii II

Figura 17: Partea 4 a secțiunii II

Conversia în tensiune sinusoidală se face cu o punte H. Principiul de funcionare este urmatorul :

Alimentarea montajului se face din două înfășurări secundare aflate pe unul din transformatoarele ridicătorului de tensiune;

Punțile redresoare PR1 și PR2 sunt construite cu diodele rapide BA157. Este nevoie de diode rapide pentru ca frecvența de oscilație este de 35 kh. Dupa redresare și filtrare sunt folosite 2 stabilizatoare de 12V pentru a obține cele 2 tensiuni de +-12V, necesare funcționării circuitului operațional;

Oscilatorul de 50 Hz este construit cu integratele IC1A și IC1B. Frecvența de oscilație se ajustează prin reglajul fin al rezistenței R8. Diodele zenner (D1 și D2) DZ4V7 limitează amplitudinea oscilației.

Ieșirea oscilatorului este preluată prin repetorul IC1C (ieșirea la intrarea inversoare).

Are impedantă mare la intrare pentru a nu perturba oscilatorul și impedantă mică la ieșire.

Forma de unda la pinul 8 al lui IC1C este:

Semnalul 50 Hz se aplica grupului de AO (IC2A,IC2C,IC2D,IC1D). Circuitele IC2C și IC2D lucrează fără reacție cu rol de comparator și formator astfel pentru alternanța pozitivă a tensiunii de 50Hz IC2D basculează în starea + obținând la borna B o tensiune dreptunghiulară limitată între 0 și +VCC. Pentru alternanta negativă circuitul IC2C basculează în +VCC obținându-se la borna A un semnal dreptunghiular limitat între 0 și +VCC. Cele două semnale A și B sunt în antifază (un semnal de pe borna + și un semnal de pe borna -) și vor fi folosite la comanda punții H.

Diodele D7 și D8 limitează pulsurile de la ieșirea celor două integrate în alternanță negativă la nivelul masei. Rezistenele R18 și R17 formează un divizor care compensează căderea de tensiune pe diode (în caz contrar dacă anozii celor două diode ar fi legați la masa direct-tensiunea A și B ar fi limitată în partea negativă la -0.7V nepermis de circuitul IR2110.

În continuarea semnalului de la ieșirea lui IC1C se aplică celor două amplificatoare IC1D și IC2A. IC1D este simplifivstor neinversor pentru care amplificarea Au este egală cu Au=1+RA/RB unde RA=R12=10k, iar RB=R11 II R1. Amplificatorul IC2A este inversor, amplificarea este dată de Au= – R16/R15. Cu ajutorul lui R1 se reglează precis amplitudinile de la ieșirea celor două amplificatoare .

În continuare cele două semnale în antifază sunt aplicate circuitului R13, R23, R17, R2 și diodelor D6 și D3. Schema detaliată este urmatoarea:

Se obține forma de undă din figura amplificată de relatia: 1+ Rx/Ry.

Tensiunea se reglează pentru a avea o amplitudine vârf la vârf de aproximativ 3V. Această valoare este impusă de limitele cerute la intrarea modulatorului PWM, TL494. Întrucât la intarea 3 a modulatorului conform datelor de catalog, tensiunea trebuie sa varieze între circa 0.1V și 3.2V se introduce un circuit de fixare a nivelului (circuit de axare) compus din C9, D8, și R25. Astfel circuitul va axa forma de undă prezentată anterior cu valoarea maximă la pozitia stabilită de cursorul lui R25. După circuitul repetor IC4A forma de undă arată astfel:

Modulatorul va produce un semnal modulat în durată cu valoarea minimă a factorului de umplere când tensiunea de comandă este de 3.2V și cu valoarea maximă a factorului de umplere când tensiunea de comandă este minim, conform figurii:

Comanda punții H se face pentru tranzistoarele de jos (L) cu aceeași forma de undă generată de circuitul PWM TL494 dar distribuită în diagonală cu ajutorul celor două porți SI: IC5A și IC5B.

Semnalele A și B generate anterior de circuitele IC2C și IC2D sunt semnale de comandă atât pentru circuitul SI( AND ) cât și pentru tranzistoarele superioare din puntea H.

V.1. Descrierea circuitului PWM TL494

În ultimii ani, au apărut o serie de circuite integrate monolitice pentru controlul surselor

de putere cum ar fi TL494, MC3842, 43, 44. Unul dintre acestea este și TL494 (vom vorbi

în această lucrare despre modelul manufacturat de Texas lnstruments), care combină

funcțiile necesare controlului unei surse în comutație complete. TL494 a simplificat

multe din problemele de design utilizând o arhitectură unică, reducând considerabil

numărul componentelor necesare pentru a realiza a sursă în comutație completă. În

figura de mai jos este prezentată structura internă a integratului TL494.

Figura: Structura interna a circuitului TL494

TL494 este un circuit de control modulație în impulsuri (PWM) cu frecvență fixă. Modulația ieșirilor în impulsuri este în concordanță cu formele de undă de "dinte fierăstrău”(sawtooth), generat intern de către un oscilator, a cărui frecvență este dictată de către condensatorul CT și rezistența RT. Nivelul ieșirilor este high doar în momentele de timp când amplitudinea semnalului triunghiular este mai mare decât nivelul semnalului de control. Dacă cresc nivelul semnalului de control, evident, va scădea timpul de blocare pentru tranzistoarele driverse, ceea ce va avea ca efect creșterea tensiunii de ieșire.

În figura de mai jos este reprezentat grafic semnalul în dinte de fierăstrău, semnalul de

control și rezultatul comparării acestora (semnalele Q1 și Q2).

Comanda lui Q1 se face comparând semnalul de control cu primul dinte al semnalului în dinte de fierăstrău, apoi cu al trei-lea, al cinci-lea, etc, ( pe dinții impari), respectiv

comanda lui Q2 are loc prin comparare pe dinții pari. Acest par/impar, apare datorită

existenței unui bistabil de ieșire de tip D (flip+flop).

Circuitul integrat TL 494 prezintă următoarele blocuri interne:

– Sursa de referință de 5 Vcc;

– Oscilatorul;

– Controlul “dead-time” / comparatorul PWM;

– Amplificatorul de eroare;

– Circuitul logic de ieșire;

– Bistabilul flip-flop, tip D;

– Tranzistoarele de ieșire.

Comanda efectiva a celor patru tranzistoare din punte se face deasemeni cu 2 circuite specializate IR2110 a cărui PDF este anexat.

Cele 4 tranzistoare sunt conectate la circuitele IR2110 la pinul 1 respectiv la pinul 7 al integratelor. La pinul 9 al integratului este conectată alimentarea VDD iar pinul 13 al integratului se conectează masa. Acest integrat IR2110 poate fi folosit la încarcarea bateriilor, schimbarea amplificării, balanta lampii electronice, controlul unui motor DC-AC, inducția de temperatură.

V.2. Comentariu la circuitul IR2110:

Circuitul are o secțiune logică la intrare alimentată între VDD și VSS, tot în partea logică există intrările Hin și Lin care reprezintă comanda pentru tranzistorul de sus a punții și pentru tranzistorul de jos al punții.

Circuitul mai are secțiunea a II-a cu blocul de comandă H pentru tranzistorul montat la tensiunea cea mai mare din punte (cazul nostru 400V) și o secțiune de comandă identică dar pentru tranzistorul de la borna negativă respectiv masa a tensiunii de alimentare a punții.

Tensiunea de alimentare a blocului de comandă joasă (L) este VCC (limitele sunt date în PDF ) iar tensiunile de alimentare a blocului de comandă înalta (H) este VB cu referință la VS.

Această tensiune se obține automat prin ajutorul condensatorului C15 respectiv C17 și dioda D4 și D5 se numește condensator Boostrap. Acesta se încarcă pe timpul comutării tranzistorului în partea de jos a punții prin intermediul diodei D4 care e și dioda rapidă și rămane încarcat la valoarea tensiunii VCC. După ce tranzistorul de jos se blochează asigură astfel alimentarea circuitului în partea de sus a punții.

În varianta practică, tensiunea VCC s-a ales aceeași cu VDD și anume 12 V și VSS este unit cu pinul Com a parții de ieșire.

Semnalul din puntea H este transmis la ieșire prin intermediul unui FTJ, acesta se realizează prin bobinarea unui numar de spire pe un miez toroidal. Schema filtrului este urmatoarea:

Atenuarea filtrului pentru frecvențe joase (pana la 100 Hz) este practic 0 iar acțiunea la frecvența de lucru PWM este de circa 60 dB.

Miezul filtrului se alege astfel încât să nu se satureze la curentul maxim debitat în sarcină (trebuie să suporte 2KW care trec prin acesta).

V.3. Circuitul de protecție:

Întrucât ieșirea filtrului se conectează la reteaua electrică a unei cladiri se are în vedere că e posibil să apară un scurt-circuit care ar putea distruge tranzistorii. Din acest motiv este necesară luarea unei măsuri de prevenire. Pentru intervale foarte scurte de timp (până la intrarea în funcionare a circuitului special destinat) se supradimensionează tranzistoarele din punte astfel încât acestea să poată rezista la șocuri de supra-curent.

S-a optat pentru folosirea unor tranzistoare IGBT(input gate bipolar tranzistor), aceștia sunt mari robuști decât tranzistoarele MOS, s-a ales tipul GP4063D a cărui PDF s-a anexat.

Tensiunea colector-emitor maxima pentru tranzistorul GP4063D este de 600V. Curentul din colector are valoarea maximă 96A la temperatura de 25 grade Celsius și de 48A la temperatura de 100 grade Celsius. Puterea maximă disipată la temperaturi de 25 grade Celsius este de 330W iar puterea maximă disipată la temperaturi de 100 grade Celsius este de 170W.

Partea de protectie prevazută auxiliar este dată în schema urmatoare:

Prin rezistorii Rx de circa 0.1 ohmi se preia o fracțiune de tensiune proportională cu curentul din puntea H. Această tensiune este comparată de către IC1 cu tensiunea obținută pe divizorul R1 și R2.

Din momentul în care această tensiune este depașită IC1 basculează în starea + 12V la ieșire. Dioda D1 se deschide, deasemenea IC2 basculează în starea +12V la ieșire. Această tensiune este aplicată pe pinul 11 a circuitelor IR2110 (shut down), determinând blocarea comenzii punții H. Datorită reacției pozitive dată de rezistența de 100K circuitul rămâne basculat în starea +12V la ieșire și după blocarea punții H. Pentru repornire este necesară intervenția unei persoane din exterior. Acest lucru este semnalizat și de ledul de control D2. Condensatoarele C1 și C2 în paralel cu R1 și R3 asigură la pornire resetarea celor două operaționale în starea 0 logic.

VII. Aplicatii ale sistemelor fotovoltaice

[NUME_REDACTAT] energiilor regenerabile este un domeniu în plină dezvoltare pe plan mondial cu cheltuieli de cercetare impresionante. Energia este plasată pe primul loc în toate analizele ca cea mai bună investiție.

Din punct de vedere al aplicațiilor trebuie cunoscute soluțiile tehnice existente și folosite cele mai performante

Din toate componentele am ales să analizez convertorul (c.c-c.a) sinusoidal de putere

Este o componenta preponderent electronică similară cu pregatirea din facultate. b

După studiul încărcătorului solar în toate componentele, m-am concentrat pe analiza determinării punctului de putere maximă MPP. Stabilirea lui este importantă și dificilă pentru că este un proces dinamic, poziția lui pe curba U-I fiind determinată atât de producția de energie a panourilor solare cât și de evoluția sarcinii.

Punctul de funcționare al unui sistem se stabilește la intersecția curbei de productie cu cea de sarcină. Curba de producție a panoului solar (caracteristica U-I) este prezentată ca o funcție monotonă. În practică ea are mai multe maxime si minime. Acestea sunt determinate de mulțimea de celule si panouri care sunt înseriate sau puse în paralel și care nu sunt identice. Acest lucru complică foarte mult determinarea maximului absolut.

De cealaltă parte bateria de acumulatori este o sarcina dificilă. Panta curbei U-I este foarte mare. Pe intervalul a 2Vcc curentul crește de la zero la maxim. Intersecția celor două curbe are loc sub un unghi foarte mic, o variație mică a unei marimi duce la deplasarea mare a punctului de funcționare.

Numai câteva aspecte prezentate aici arată cât de importantă este aflarea punctului maxim de putere și cât de dificilă este determinarea lui.

În lucrare s-au studiat 3 algoritmi de stabilire a MPP. Acestea sunt 3 regimuri de funcționare: circuit deschis, scurtcircuit și variația aleatorie (perturbația). Primele doua nu sunt regimuri normale de funcționare ci doar regimuri provocate pentru determinarea MPP. Ele solicită instalația (curenți mai mari, tensiuni mai mari) și determină pierderi de energie (mai ales la instalații mari) dar permit determinarea cu bună precizie a MPP.

Algoritmul "perturbă și observă" este mult mai complex, datorită caracterului aleatoriu al evenimentelor (perturbațiilor).

Nici una din soluții nu este perfectă.

Cu un efort de cercetare soluția "perturbă și observă" poate evolua și cuceri piața. Ea nu complică instalația de curenti tari (convertorul DC-DC) dar complică comanda acestuia. Comanda, cu evoluții remarcabile în tehnologie dar și softuri, poate înclina balanța în favoarea ei.

Din analiza modulului MPPT 30 mi-am mărit cunoștințele practice în determinarea schemelor, recunoașterea componentelor, înțelegerea funcționării, observarea tehnologiilor de montaj. Din experimentele funcționale, calitativ, am analizat regimurile de funcționare ale încărcătorului.

Lucrarea este o dezvoltare a cunoștințelor însușite în timpul facultății și o perspectivă profesională în viitoarea mea activitate.