Energia Solara

Diverse2

Energia Solara

Byadmin ianuarie 1, 2024

Bibliografie

[1.1]. C.Marinescu, M.Georgescu, L. Cloțea, C.P. Ion, I. Șerban, L. Barote, D.M. Vâlcan, "Surse regenerabile de energie. Abordări actuale", [NUME_REDACTAT] Transilvania din Brasov, 2009.

[1.2] http://www.dual-art.ro/arhitectura/pagina/energie-solara-25

[1.3] http://instal.utcb.ro/site/teza_doctorat_Ionut_Caluianu.pdf

[1.4] S. Liu și R. A. Dougal, “Dynamic multiphysics model for solar array,” IEEE Trans. [NUME_REDACTAT]., vol. 17, nr. 2, pp. 285–294, Jun. 2002.

[1.5] K. H. Hussein, I. Muta, T. Hshino, and M. Osakada, “Maximum photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions,” Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 142, nr. 1, pp. 59–64, Ian. 1995

[1.6] S. Liu și R. A. Dougal, “Dynamic multiphysics model for solar array,” IEEE Trans. [NUME_REDACTAT]., vol. 17, nr. 2, pp. 285–294, Iun. 2002.

[1.7] P. Midya, P. Krein, R. Turnbull, R. Reppa, and J. Kimball, “Dynamic maximum power point tracker for photovoltaic applications,” în Proc. 27th Annu. IEEE [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT]., vol. 2, Iun. 1996, pp. 1710–1716

[1.8] I. Batarseh, T. Kasparis, K. Rustom, W. Qiu, N. Pongratananukul, and W.Wu, “DSP-based multiple peak power tracking for expandable power system,” în Proc. 18th Annu. IEEE [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT]. Expo, vol. 1, Feb. 2003, pp. 525–530.

[1.9] Messenger, R., A., Ventre, J., [NUME_REDACTAT] Engineering, Second edition, CRC Press LLC, , 2004;

[1.10] Markvart, T., Ed., [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT]&Sons, , 1994

[1.11] http://www.comel.gr/pdf/bpsolar/BPMSX120.pdf

[1.12] Hansen, A. D., Sorensen, P.,Hansen, L. H., Binder, H., Models for a Stand-Alone PV Systems, ISBN 87 – 550 – 2774 – 1.

[1.13] http://www.et.upt.ro/admin/tmpfile/fileD1276927309file4c1c5d4d9852f.pdf.

CUPRINS

1. Introducere

1.1. Radiația solară

1.2. Efectul fotoelectric

1.4. Tipuri de celule fotovoltaice

2. Modelarea sistemului fotovoltaic analizat

2.1. Panoul solar – Algoritmul MPPT

2.2. Modelarea sistemului de stocare

2.2.1. Modelul bateriei de acumulatoare pe bază de plumb

2.3. Invertorul de curent continuu – curent alternativ

2.3.1. Invertorul în punte H

2.4. Inventarul consumatorilor

2.4.1. Modul de calcul al energiei consumatorilor

2.4.2. Modul de calcul a puterii necesare pe ore / zi

3. Simularea sistemului fotovoltaic autonom

4. Concluzii

5. Bibliografie

CUPRINS

1. Introducere

1.1. Radiația solară

1.2. Efectul fotoelectric

1.4. Tipuri de celule fotovoltaice

2. Modelarea sistemului fotovoltaic analizat

2.1. Panoul solar – Algoritmul MPPT

2.2. Modelarea sistemului de stocare

2.2.1. Modelul bateriei de acumulatoare pe bază de plumb

2.3. Invertorul de curent continuu – curent alternativ

2.3.1. Invertorul în punte H

2.4. Inventarul consumatorilor

2.4.1. Modul de calcul al energiei consumatorilor

2.4.2. Modul de calcul a puterii necesare pe ore / zi

3. Simularea sistemului fotovoltaic autonom

4. Concluzii

5. Bibliografie

1. [NUME_REDACTAT] contextul epuizării surselor convenționale de energie care în cea mai mare parte sunt și poluante, cercetările în domeniul energiei fotovoltaice sunt de mare interes pe plan internațional dar și pe plan național, dovadă fiind și ultima conferință națională care a avut loc în luna Noiembrie 2007 la [NUME_REDACTAT]. Sistemele de energie fotovoltaică există în numeroase țări de pe glob, însă acest tip de producere de energie electrică este încă în curs de cercetare la nivel mondial. Pe măsură ce descoperirile și inovațiile în domeniu vor avansa, se va reduce și costul implementării acestui tip de energie care în viitor va avea o mare importantă că sursă alternativă de electricitate [1.1].

Avantaje și dezavantaje:

Energia solară este disponibilă în cantități foarte mari, imense, este inepuizabilă și este ecologică. Mijloacele de captarea energiei solare nu sunt poluante și nu au efecte nocive asupra atmosferei, iar în condițiile în care poluarea afectează din ce în ce mai tare planetă, această problema începe să fie luată cât mai în serios de tot mai mulți oameni. În cazul producerii de energie electrică prin intermediul panourilor fotovoltaice, procentul energiei solare din totalul energiei produse pe glob a crescut de la 0,04% în 2004 la peste 0,3% și se estimează că va depăși 0,4% până la finalul anului 2012. În continuare este procent minuscul, dar este apreciat faptul că oamenii încep să folosească aceast tehnologie, iar pe măsură ce această se dezvoltă, energia solară va fi din ce în ce mai utilizată.

Răspândirea foarte limitată a utilizării tehnologiei pentru captarea energiei solare are foarte multe cauze. În primul rând, tehnologia de captare a energiei solare este încă la început și este costisitoare. Prețul producerii unui Watt în prezent, prin intermediul celulelor fotovoltaice, este de 6-7 ori mai mare decât cel al producerii sale în termocentrale. De aceea investiția inițială într-un sistem de producere a energiei prin captarea razelor solare este mare, amortizarea se produce în timp, sistemele fiind în general foarte fiabile și putând funcționa 20-25 de ani fără mari costuri de întreținere. Panourile solare au randamaent destul de scăzut, dacă raportăm cantitatea de energie produsă la dimensiunea lor: pentru acoperirea necesităților unei locuințe fiind necesare panouri solare de câteva zeci de metri pătrați. Dar și acest lucru se va schimbă pe măsură ce tehnologia avansează în acest domeniu.

Unul dintre cele mai mari dezavantaje ar fi acela că energia solară depinde de radiată solară, în altă ordine de idei de cantitatea de radiații solare care ajunge pe Pământ. Această este variabilă, în funcție de ora, de perioada anului, de condițiile meteorologice, și nu în ultimul rând randamentul sistemului solar depinde și de unghiul sub care cade rază de soare pe panoul solar, așadar poziția pe glob este importantă.

Energia fotovoltaică este una dintre cele mai promițătoare surse de energie. Condițiile de funcționare al panourilor fotovoltaice denumite și PV sunt foarte diverse. Înțelegerea comportamentului unei surse fotovoltaice este necesar pentru mărimea PV-urilor sau pentru a studia și optimiza echipamentele de conectare cu rețeaua. Plasarea modulelor fotovoltaice într-un mod optim este o măsură foarte importantă care trebuie luată pentru a maximiza producția de energie a unei instalații PV. Celulele fotovoltaice sunt realizate din siliciu, element chimic din familia cristalogenilor, după oxigen fiind cel mai abundent din natură [1.2].

Radiația solară

[NUME_REDACTAT] anual primește energie care se însumează la 1,5 x 1018 kWh, aproape de 10000 de ori mai mult decât consumul anual de energie în lume . Soarele emite o radiație electromagnetica cu o putere de aproximativ 3.86 x 1026 J/s, într-o gama variată de lungimi de undă, de la raze X la unde radio. Cea mai mare parte din aceasta energie este emisă și repartizată în următoarea manieră: 10% ultraviolet, 40% spectru vizibil și 50% infraroșu. Spectrul solar este reprezentat în figura 1.1.

Figura 1.1. Spectrul radiației solare [1.2]

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

radiație directă: componentă paralelă, provenită de la discul solar și măsurată după direcția normalei de suprafață.

radiație difuza: radiația primită de o suprafață plană provenită din toată emisfera văzută de pe acea suprafață.

radiație reflectată: reflexia razelor de către suprafețele reflectante, această componentă depinde de suprafață respectivă.

radiație globală: radiația directă și radiația difuză.

Pentru funcționarea panourilor PV, radiația directă este cea mai importantă. În cazul unui cer senin, această are cea mai mare intensitate atunci când soarele se găsește la punctul său maxim spre Sud în emisfera nordică și spre Nord în emisfera sudică. Înclinarea unei suprafețe, orientată spre sud ca în figura 1.2 și poziția ei față de soare este descrisă de înălțimea la care se găsește soarele la ora respectivă și unghiul azimutal. Datorită mișcării de revoluție a Pământului, poziția soarelui este diferită față de suprafața din figura 1.2 și în funcție de sezon.

Figura 1.2. Înclinarea suprafeței in funcție de sezon [1.2]

1.2. Efectul fotoelectric

Datorită absorbției radiației electromagnetice, în anumite materiale electronii de pe straturi energetice inferioare pot trece pe straturi energetice superioare, devenind astfel liberi. Fenomenul invers se produce însoțit de eliberare de energie. Lumina, în special ultra-violetele, poate descarcă materiale electrizate negativ, având ca efect emiterea de raze asemănătoare razelor catodice. Aceste fenomene au fost descoperite de Hertz în anul 1887. Efectul fotovoltaic este studiat pentru prima dată de [NUME_REDACTAT] Becquerel, în anul 1839.

1.3. Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice

Datorită faptului că celulele fotovoltaice sunt realizate din siliciu și că acest element are 4 electroni pe ultimul strat, pentru a realiza elemente electronegative (de tip N) sau electropozitive (de tip P), acesta este dopat cu elemente de valență superioară (fosfor), respectiv cu elemente de valență inferioară (bor). Prin acest procedeu se alcătuiesc semiconductoarele de tip N, respectiv semiconductoarele de tip P. Prin punerea în comun, în aceeași rețea cristalină în manieră de a avea conductivitate electrică, a unui material de tip N cu un material de tip P se obține o joncțiune PN. O celulă fotovoltaică este alcătuită dintr-o joncțiune de acest tip, doi electrozi, o grilă conducătoare și un strat antireflexie.

Figura 1.3. Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice [1.3]

În figura 1.3 se observă cum o celulă PV transformă o parte din energia solară primită în electricitate, pentru lungimile de unde cuprinse în spectrul vizibil și foarte puțin din ultraviolete și infraroșii. Acest fenomen se datorează faptului că electronii din materialul de tip N absorb energia fotonilor proveniți din radiația solară, devenind liberi în rețeaua cristalină. Datorită existenței câmpului electric creat de joncțiunea PN, acești electroni liberi se deplasează către electrodul pozitiv, dând naștere unei diferențe de potențial. Pentru că un electron din bandă de valență a materialului să devină liber și să poată participa la conductie, acesta trebuie să absoarbă o anumită energie.

Fotonii cu lungimi mari de undă, a căror energie cinetică este mică desprind puțini electroni de pe stratul de valență și au o eficiență scăzută în producerea energiei electrice. Pe de altă parte fotonii cu lungimi foarte mici de undă, bogați în energie vor fi absorbiți la suprafață celulei într-o zonă nefavorabilă producerii energiei electrice.

1.4. Tipuri de celule fotovoltaice

Siliciul este cel mai utilizat material pentru producerea de celule PV la nivel industrial. În urma proceselor tehnologice industriale se obține siliciul metalurgic cu o puritate de 98%. Acesta este supus apoi unei etape de purificare chimică, obținându-se siliciul de calitate electronică, sub formă lichidă. Ultima etapă este cea de dopare pentru obținerea materialelor de tip P și de tip N. O celulă PV trebuie să funcționeze între 2 și 3 ani pentru a produce energia necesară procesului sau de fabricație.

Celule cu siliciu în stare amorfă

În acest caz siliciul nu este cristalizat, ci se depune pe o foaie de sticlă. Culoarea are o tentă gri și avantajele constau într-un randament bun în cazul unei slabe iluminări și 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.

Celule cu 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. Dezavantajele constau în costul ridicat de producție și randament scăzut în cazul unei slabe iluminări.

Celule cu 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 randamentul bun al celulelor și un preț de producție scăzut. Dezavantajele constau în randamentul scăzut în cazul unei slabe iluminări, dar cu toate acestea sunt cele mai utilizate celule la nivel industrial, pentru producerea de panouri PV, având cel mai bun raport calitate-preț. [1.3]

Figura 1.4. Celule cu siliciu (monocristalin, policristalin, amorf) [1.3]

Modelarea sistemului fotovoltaic analizat

Panoul solar – Algoritmul MPPT

În cazul sistemului fotovoltaic analizat, pentru a determina punctele de operare corespunzătoare puterii maxime la diferite niveluri de iradiație și temperatură, există multe strategii MPPT disponibile în literatura de specialitate, pentru diferite topologii de convertoare și condiții de mediu.

Relația dintre curentul și tensiunea unui PV variază pe durata unei zile în funcție de condițiile de mediu. Pentru a găsi punctele de putere maximă MPP (pe care o poate genera PV-ul) de pe caracteristica curent-tensiune (I-U) cât mai aproape de valorile reale este foarte important să se aleagă caracteristica I-U curent-tensiune a panoului solar în concordanță cu caracteristica I-U curent tensiune a sarcinii. O abordare generală pentru controlul reacției puterii este măsurarea și maximizarea puterii aplicate la bornele sarcinii, și ia în considerare că puterea maximă a PV-ului este egală cu puterea maximă a sarcinii. Această metodă, numită și metoda conectării directe, este aplicabilă în cazul conectării directe a sarcinii la PV și în acest fel se maximizează de fapt puterea aplicată sarcinii și nu puterea maximă pe care o debitează PV-ul. Metoda cuplării directe nu poate extrage automat puterea maximă a modulului când condițiile de temperatură și iradiație se schimbă. De aceea parametrii sarcinii și ai PV-ului trebuie atent selectați.

Pentru că puterea generată de PV depinde de nivelul de iradiere și temperatură, o problema majoră care trebuie depășită este extragerea puterii maxime disponibile, la modificarea condițiilor de mediu în care operează acesta. În acest sens este implementat așa numitul [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] (MPPT) care este un dispozitiv de urmărire și extragere a puterii maxime a PV-ului. Acest dispozitiv este un convertor CC-CC inserat între PV și sarcina electrică a acestuia. Acest convertor este controlat după diferite tipuri de algoritmi, încercându-se găsirea celor mai eficiente soluții pentru extragerea puterii maxime.

Printre aceste tipuri de algoritmi amintim:

algoritmul tensiune și curent constant,

algoritmul celulei pilot,

algoritmul perturbație și observație,

algoritmul conductanței incrementale,

algoritmul capacitanței parazitice,

algoritmul injectării de oscilații corectoare, etc.

Astfel, dacă este aplicat cum trebuie, controlul extragerii de putere maximă poate preveni scăderea tensiunii PV-ului atunci când puterea sarcinii crește în mod excesiv. Pentru un sistem fără MPPT tensiunea va tinde foarte repede spre zero. Acest fenomen poate fi înțeles cu ușurință din studierea caracteristicii curent tensiune a PV-ului. Un sistem ce conține un MPPT evită căderea tensiunii prin menținerea punctului de operare al PV-ului în punctul de putere maximă (MPP) [1.4].

Cel mai frecvent algoritm MPPT utilizat este (P & O), datorită ușurinței sale de punere în aplicare în forma sa de bază. Cu toate acestea, exista unele limitări, cum ar fi oscilații în jurul punctului maxim în regim staționar, viteză de răspuns lentă, și chiar de urmărire în mod greșit la schimbarea rapidă a condițiilor atmosferice [1.5]-[1.8]

În configurația analizată (prezentată în detaliu în Capitolul 2), algoritmul MPPT, Perturbă & Observă (P&O) a fost implementat în convertorul ridicător de tensiune. Puterea măsurată a PV-lui este semnalul de intrare pentru algoritmul P&O (implementat intr-o functie Matlab), care furnizează referința de curent (Iref) pentru convertor ridicător de tensiune.

Circuitul echivalent al unei celule fotovoltaice care conține o singură diodă (D) și o rezistență serie (RS) este prezentat în figura 2.2. [1.9] [1.10]

Figura 2.2. Circuitul echivalent al unei celule fotovoltaice [1.9]

Caracteristicle tehnice ale modelului PV analizat de tip Circuitul echivalent al unei celule fotovoltaice sunt [1.11]:

– Puterea maximă, Pmax=120 [W];

– Tensiunea la Pmax, Ump=33.7 [V];

– Curentul la Pmax, I=3.56 [A];

– Curentul de scurtcircuit, Isc=3.87 [A];

– Tensiunea in circuit deschis, Uoc=42.1 [V];

– Coeficientul de temperatură pentru Isc, α=(0.065±0.015)%/ °C;

– Coeficientul de temperatură pentru Uoc, β=-(80±10)mV/°C.

Un model echivalent pentru PV-ul analizat este prezentat in figura 2.3 și este caracterizat de ecuațiile prezentate mai jos.

(1)

unde:

(2)

(3)

Pentru a adapta ec. (1) la diferite nivele de iluminare și temperatură, se utilizează următoarele ecuații. Aceste ecuații transferă orice punct de pe caracteristica de referința (Uref – Iref) la un nou punct de pe caracteristica nouă U-I.

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

Figura 2.3. Implementarea modelului PV de tip BP MSX 120 în [NUME_REDACTAT]

Valoarea parametrului RS a fost luată din [1.10]. Curentul de ieșire Inou poate să alimenteze o sursă de curent controlată și tensiunea de la borne a sursei de curent poate să fie folosită ca referință pentru modelul de PV analizat [1.11], [1.12].

.

Figura 2.4. Curentul de ieșire al modelului BP MSX 120 PV care alimentează sursa

Caracteristicile U-I respectiv P-U pentru PV tip BP MSX 120 care s-au obținut conform figurii 2.3 sunt prezentate in cele ce urmează.

Figura 2.5. Caracteristicile U-I / U-P în condiții standard de testare (G=1000W/m2, T=250C)

Figura 2.6. Caracteristicile U-I / U-P la G=1000W/m2 și diferite valori de temperatură

Figura 2.7. Caracteristicile U-I / U-P la T=250C și diferite valori de iradiație

Panourile pot fi conectate în serie sau în paralel (pentru obținerea puterii dorite). În sistemul analizat, s-au considerat 5 module (conectate în serie) de câte 7 panouri în paralel, așa cum se poate observa in figura 2.8.

Figura 2.8. Conectarea serie-paralel a modelului PV BP MSX 120 în [NUME_REDACTAT]

Figura 2.9. Caracteristicile U-I / U-P la T=250C si G=1000 W/m2 pentru panourile conectate în serie-paralel

Se poate observa că, în cazul conectării in paralel, curentul este de 7 ori mai mare, iar tensiunea are o valoare de 5 ori mai mare ca tensiunea unui singur panou.

2.2. Modelarea sistemului de stocare

Problema de bază a unui sistem distribuit de energie, este aceea că cererea de putere (consumul) diferă de cea disponibilă în generatoare, rezultând deci un regim de dezechilibru, care dacă nu este eliminat rapid va produce efecte negative care pot pune în pericol consumatorii sau chiar generatoarele. Această diferență între puterea disponibilă și puterea cerută este tratată în diferite moduri. Unii proiectanți de astfel de sisteme utilizează metoda disipării puterii în exces pe niște rezistențe, energie care poate fi utilizată la încălzire sau se pierde. O altă metodă de echilibrare a puterilor în sistem este aceea de utilizare a mediilor de stocare. În perioadele de deficit energetic, dispozitivele de stocare pot injecta putere în sistem, iar printr-o proiectare adecvată a capacității acestora se poate realiza un sistem eficient, care poate să satisfacă în orice moment cerințele consumatorilor.

2.2.1. Modelul bateriei de acumulatoare pe bază de plumb

Bateriile de acumulatoare cu plumb (LAB) conțin celule a căror tensiune este de 2 V (la circuit deschis), celule care sunt conectate în serie și/sau în paralel, în funcție de caracteristicile electrice dorite de punere în aplicare.

Un model al LAB folosit în mod obișnuit este prezentat în figura 2.10, și constă dintr-o sursă de tensiune controlată (Eb) în serie cu o rezistență internă (Rint) și tensiunea la bornele bateriei reprezentată prin Ub.

Figura 2.10. Modelul echivalent al bateriei cu plumb analizate

Tensiunea internă Eb depinde de mai mulți factori, cum ar fi starea de încărcare, temperatură, tipul bateriei și poate fi exprimată printr-o relație generală astfel:

(9)

unde:

Eb0: reprezintă tensiunea corespunzătoare funcționarii în gol la încărcare nominală, [V];

K: reprezintă tensiunea de polarizare, [V];

Q: reprezintă capacitatea bateriei, [Ah];

Ib: reprezintă curentul de descărcare al bateriei, [A].

Starea de încărcare (SOC) reprezintă un alt parametru important al bateriei, fiind utilizată ca mărime de intrare în cadrul regulatorului de încărcare / descărcare al bateriei.

(10)

unde: Qn reprezintă capacitatea nominală a bateriei.

SOC pentru o baterie complet încărcată este 100 %, iar pentru o baterie complet descărcată este 0 %. Pentru unele baterii cu plumb nu se recomandă descărcarea completă deoarece s-ar putea să nu mai existe material care să reacționeze chimic și bateria se deteriorează în acest caz. Din această cauza se va ține cont în implementarea regulatorului care asigură încărcarea și descărcarea bateriei, de un SOC minim de SOCmin = 20 %. Sub acest prag sistemul de control nu va mai permite descărcarea bateriei.

Schema bloc a bateriei analizate implementata în [NUME_REDACTAT] este prezentata in figura 2.11, iar functia Fcn din modelul prezentat a fost calculata pe baza Tabelului 1, considerand o functie de gradul intai.

Tabelul 1. Variația tensiunii bateriei în funcție de starea de încărcare

Figura 2.11. Schema bloc a bateriei implementată în [NUME_REDACTAT]

Invertorul de curent continuu – curent alternativ

Invertorul, impreună cu modulele fotovoltaice, reprezintă o componentă esențială a unui sistem fotovoltaic. El contribuie la stabilirea costului unei instalații fotovoltaice, precum și la durata de funcționare, fiind componentă cu o viață garantată scurtă (in jur de 5 ani) in comparație cu cei 20 de ani ai modulelor PV.

Principala funcție a invertorului constă în conversia energiei de curent continuu generată de modulele PV in energie de curent alternativ, necesară majorității tipurilor de consumatori.

Pe langă aceasta, invertorul mai indeplinește câteva funcții de asemenea importante pentru funcționarea sistemului PV:

– urmărirea punctului de putere maximă al generatorului PV

– controlul diferitelor tipuri de protecții: la scurtcircuit, la punere la pamânt, etc.

Invertorul în punte H

Cea mai răspândită topologie de invertor este în punte H. Una dintre diagonalele punții este conectată la sursa de tensiune continuă UDC, iar în cealaltă diagonală este conectată sarcina. Fiecare braț al punții conține un element de comutație controlabil, de regula un tranzistor MOSFET de putere sau un IGBT.

Cel mai simplu mod de comandă a acestor comutatoare constă în închiderea pentru un interval de timp T/2 a comutatoarelor S1 și S4, urmată de deschiderea lor și închiderea simultană a celorlalte două. Sarcina este astfel alimentată cu o tensiune alternativă UAC dreptunghiulară, de amplitudine UDC și frecvență 1/T.

Figura 2.12. Diagonalele punții [1.13]

Figura 2.13. Forma de tensiune a invertorului in punte H [1.13]

Acest mod de comandă este foarte simplu. Invertorul este ieftin și fiabil, dar forma de undă rezultată are un factor de distorsiuni armonice foarte mare, in jur de 40%, care este inacceptabil în majoritatea aplicațiilor PV.

Reamintim că factorul de distorsiuni armonice arată ponderea armonicilor superioare față de armonica fundamentala:

(11)

unde U1 este valoarea efectivă a armonicii fundamentale, iar U1, U2, … sunt valorile efective ale armonicilor respective. Ținând cont de relația

(12)

unde U este valoarea efectivă a tensiunii analizate, formula de definiție poate fi rescrisă în forma

(13)

mai convenabilă atât pentru calculul analitic al lui THD, cât și pentru determinarea lui practică. [1.13]

Inventarul consumatorilor

Modul de calcul al energiei consumatorilor

În funcție de timpul de funcționare al fiecărui consumator pe parcursul unei zile, s-a calculat energia cu ajutorul următoarei formule:

(13)

unde: n – numărul de consumatori de același fel

m – numărulorelor de funcționare a consumatorilor pe o zi

P – puterea specifică fiecărui consumator

În tabelul de mai jos s-a reprezentat consumul necesar de energie electrică într-o zi din anotimpul de vară.

Tabelul 2. Consumatorii considerați pentru o locuință obișnuită

Modul de calcul a puterii necesare pe ore / zi

In figura de la jos s-a reprezentat puterea la fiecare oră pe parcursul unei zile normale de lucru.

Figura 2.14. Graficul consumatorilor distribuiți pe parcursul unei zile de vară

Curba de sarcină rezultată este reprezentată in figura 2.15.

Figura 2.15. Curba de sarcină pentru consumatorii analizați

Simularea sistemului fotovoltaic autonom

În cadrul acestui capitol se prezintă principalele rezultate obținute în urma simulării sistemului fotovoltaic autonom de mică putere analizat, cu dispozitiv de stocare a energiei (baterie de acumulatoare cu plumb acid gel).

Sistemul fotovoltaic analizat si simulat este monofazat (230 V/50 Hz) și include un panou fotovoltaic (PV) care este conectat în c.c. prin intermediul convertoarului direct la bornele bateriei. Sistemul de stocare analizat are valoarea tensiunii de 220 V (conectarea în serie a 100 de celule, tensiunea pe celulă fiind de aprox. 2.2 V), iar valoarea capacității nominale de 26 Ah. Invertorul pentru baterie realizează transferul energiei din baterii către sarcinile de c.a. Bateria electrică de pe partea de c.c. a invertorului asigură o alimentare continuă a sarcinilor indiferent de variația sarcinilor rezistive.

Sistemul fotovoltaic autonom analizat a fost modelat și simulat folosind programul Matlab/Simulink. Figura 3.1. prezintă diagrama bloc a sistemului fotovoltaic, iar figura 3.2 modelul detaliat a generatorului PV. Scopul principal al schemei este alimentarea consumatorilor casnici monofazați la tensiunea 230 V – 50Hz.

În scopul testării funcționării sistemului, s-au efectuat simulări în următoarele cazuri:

Caz 1: Variația sarcinii, când puterea PV-lui este fixă, când bateria se incarcă;

Caz 2: Variația sarcinii, când puterea PV-lui este fixă, când bateria se descarcă;

Figura 3.1. Schema bloc a sistemului PV implementată în [NUME_REDACTAT]

Figura 3.2. Generatorul PV analizat

[NUME_REDACTAT] 1, pentru PV-ul analizat, puterea este calculată la temperatura de 250C și iradiația de 1000 W/m2 (aprox. 4.5 kW) în două situații diferite:

Conectare/deconectare sarcină și

Sarcină constantă.

Cel mai des întâlnit eveniment în funcționarea autonomă îl reprezintă modificarea puterilor absorbite de sarcini, în principal datorită conectării și deconectării acestora.

[NUME_REDACTAT] 1a, inițial, în sistemul fotovoltaic analizat se conectează o sarcină de 1 kW iar la t=2s o sarcină suplimentară de 2.5 kW este conectată si apoi ulterior deconectată la t=4s .

Formele de undă ale tensiunii, curentului și puterii active caracteristice sarcinilor resistive de c.a. sunt prezentate in figura 3.3.

Figura 3.3. Formele de undă pentru tensiune, curent și putere activă caracteristice sarcinilor rezistive de c.a. pentru Cazul 1a

Formele de undă ale tensiunii, curentului și puterii active caracteristice PV-lui implementat la la temperatura de 250C si iradiația de 1000 W/m2 sunt prezentate in figura 3.4.

Figura 3.4. Formele de undă pentru tensiune, curent și putere activă caracteristice PV-ul analizat pentru Cazul 1a

Formele de undă ale tensiunii, curentului și puterii active și stării de încarcare caracteristice bateriei de acumulatoare cu plumb acid gel sunt prezentate în figura 3.5.

Figura 3.5. Formele de undă pentru tensiune, curent, putere și stare de încarcare caracteristice bateriei de acumulatoare cu plumb pentru Cazul 1a

Din figura 3.5. se poate observa că bateria se încaracă indiferent de variația sarcinii de c.a., ceea ce inseamnă ca PV-ul poate alimenta toți consumatorii considerați, iar surplusul de energie va fi înmagazinat de sistemul de stocare. Din acest motiv starea de încarcare a bateriei este o carcateristică crescatoare (vezi figura 3.5).

[NUME_REDACTAT] 1b, caracteristicile PV-lui rămân aceleași (vezi Fig. 3.4) iar în sistemul fotovoltaic analizat se conectează o sarcină constantă de 4 kW pe toată durata simulării. Și în acest caz, se vor prezenta rezultatele obținute în urma simulărilor referitoare la sarcina de c.a. stabilită și formele de undă pentru bateria de acumulatoare cu plumb (vezi figurile 3.6 si 3.7).

Figura 3.6. Formele de undă pentru tensiune, curent și putere activă caracteristice sarcinilor rezistive de c.a. pentru Cazul 1b

Figura 3.7. Formele de undă pentru tensiune, curent, putere și stare de încarcare caracteristice bateriei de acumulatoare cu plumb pentru Cazul 1a

Și în acest caz, puterea generată de PV asigură tot necesarul de energie pentru sarcinile de 4 kW, diferența de 0.8 kW va fi înmagazinată în baterie.

Și în Cazul 2, puterea PV-lui este calculată la temperatura de 250C și iradiația de 1000 W/m2 (aprox. 4.5 kW) în două situații diferite:

Conectare/deconectare sarcină și

Sarcină constantă.

[NUME_REDACTAT] 2a, inițial, în sistemul fotovoltaic analizat se conectează o sarcină de 2.5 kW iar la t=2s o sarcină suplimentară de 3.5 kW este conectată și apoi ulterior deconectată la t=4s.

Formele de undă ale tensiunii, curentului și puterii active caracteristice sarcinilor resistive de c.a. sunt prezentate in figura 3.8.

Figura 3.8. Formele de undă pentru tensiune, curent și putere activă caracteristice sarcinilor rezistive de c.a. pentru Cazul 2a

Formele de undă ale tensiunii, curentului, puterii și stării de încarcare a bateriei pentru acest caz caracteristice sarcinilor resistive de c.a. sunt prezentate in figura 3.9.

Figura 3.9. Formele de undă pentru tensiune, curent, putere și stare de încărcare caracteristice bateriei de acumulatoare cu plumb pentru Cazul 2a

Așa cum se paote observa in Fig. 3.9, Valoarea curentului în baterie este pozitivă până la conectarea sarcinii suplimentare de 3.5 kW, aceasta devenind negativă după conectarea sarcinii (timp de 2 s) și revine la valoarea pozitivă inițială la deconectarea acesteia (t=4s). În ceea ce privește SOC-ul bateriilor, acesta trece din starea de încărcare în cea de descărcare și viceversa (vezi figura 3.9).

[NUME_REDACTAT] 2b, caracteristicile PV-lui rămân aceleași (vezi Fig. 3.4) iar în sistemul fotovoltaic analizat se conectează o sarcină constantă de 6.5 kW pe toată durata simulării. Și în acest caz, se vor prezenta rezultatele obținute în urma simulărilor referitoare la sarcina de c.a. stabilită și formele de undă pentru bateria de acumulatoare cu plumb (vezi figurile 3.10 și 3.11).

Figura 3.10. Formele de undă pentru tensiune, curent și putere activă caracteristice sarcinilor rezistive de c.a. pentru Cazul 2b

Figura 3.11. Formele de undă pentru tensiune, curent, putere și stare de încărcare caracteristice bateriei de acumulatoare cu plumb pentru Cazul 2b

În acest caz, puterea generată de PV nu este suficientă pentru alimentarea sarcinilor de c.a. considerate (6.5 kW), diferența de aprox. 1.8 kW este dată de bateria de c.c. Valoarea negativă a curentului respectiv a puterii generate de sisetmul de stocare arată faptul că bateria este în stare de descărcare. Satarea de încărcare a bateriei este descrescătoare.

Figura 3.11 arată că echilibrul de putere al sistemului fotovoltaic este menținut de către sistemul de stocare prin procesul de descărcare.

Simulările realizate arată că sistemul se comportă satisfăcător în timpul perioadelor tranzitorii, pentru toate cazurile analizate în această lucrare, deci stabilitatea sistemului este asigurată.

[NUME_REDACTAT] de față a avut drept scop dezvoltarea unui sistem producător de energie electrică, având la bază surse regenerabile de energie. Cercetările teoretice și practice se referă la funcționarea panourilor fotovoltaice de mică putere autonome și, ulterior integrabile în rețele distribuite inteligente cu surse bazate pe energii regenerabile. Se urmărește dezvoltarea, modelarea și simularea unui sistem fotovoltaic autonom echipat cu dispozitiv de stocare a energiei electrice (baterie de acukmulatoare cu plumb acid gel) pentru alimentarea cu energie electrică a consumatorilor casnici monofazați la tensiunea 230 V – 50 Hz.

Utilizarea energiei fotovoltaice este foarte atractivă pentru generarea de energie electrică, această tehnologie nu este poluantă iar potențialul de aplicare este important în multe locuri de pe suprafața pământului.

România dispune de un potențial al surselor regenerabile de energie remarcabil atât pentru sisteme de mare putere cât și pentru instalații de putere mică destinate zonelor izolate, acesta constituind motivul pentru alegerea temei proiectului de diploma. Pe lângă generatoarele PV de mare putere, în condițiile României cu peste 3000 de localități nealimentate de la rețea sau plasate la capăt de rețea alimentate cu energie de proastă calitate, sistemele fotovoltaice de mică putere pot fi o soluție pentru remedierea situației defavorabile.

Dispozitivele clasice de stocare în cazul instalațiilor fotovoltaice sunt bateriile de acumulatore cu plumb.

În ultimii ani, interesul pentru resursele energetice distribuite (RED) a crescut datorită evoluției tehnologice în domeniul producerii distribuite, costurilor energiei electrice care pot fi competitive cu cele oferite de sistemul tradițional, extinderii competiției în sectorul energetic și creșterii necesității unei alimentări sigure și de calitate corespunzătoare. Însă acest concept se va dezvolta din ce în ce mai mult în următorii ani, deoarece aceste tehnologii au potențialul de a contribui la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră și la economii de energie de origine fosilă.

Utilizând mediul Matlab/Simulink s-a realizat modelarea și simularea sistemului fotovoltaic lucrând pe rețea autonomă. Structura optimă de control are în componență un convertor de tensiune și un sistem de stocare al energiei.. Rezultatele obținute au confirmat eficiența sistemului de control adoptat în ceea ce privește obținerea MPPT și monitorizarea tensiunii și a stării de încărcare a bateriei (SOC) pentru asigurarea condițiilor optime de încărcare a acesteia.

Prin intermediul simulărilor s-a demonstrat faptul că metoda de control utilizată furnizează rezultate bune, asigurând o stabilitate sporită a sistemului fotovoltaic în diferite situații studiate (conectare / deconectare sarcini).