Casa de Vacanta Alimentata Prin Panouri Fotovoltaice

Introducere

Energie si clasificare

Energia reprezintă capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic, la trecerea dintr-o stare în altă stare. Energia în natura natură se gaseste sub diferite forme, iar cu ajutorul conversiei, fenomenele energetice trec dintr-un sistem în altul. Un alt exemplu energetic ar fi legat de procesele care se produc în Soare, cele de fuziune și fisiune, sau in energia chimică, rezultat din lemn și transformarea în energie termică și mecanică.

Energia se împarte în două categorii: epuizabila și regenerabila.

Clasificarea resurselor:

Resursele clasice sunt reprezentate de: cărbuni, lemn, hidrocarburi, etc…

Resursele inepuizabile: radiația solară, energia eoliană, energia geotermală, energia

Energia regenerabilă face referirela formele de energie ce rezulta din transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Resursele inepuizabile sunt: energia luminii solare,energia eoliană, energia geotermală și energia mareelor. [15]

Energia eoliană 

Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă rezultata din puterea vântului. La sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73 904MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică. [16]

Tabel 1 Potential energetic eolian

Cantitatea de energie produsă depinde de anumiti factori. Viteza vântului, împreună cu diametrul rotorului și densitatea aerului în mișcare sunt printre cei mai importanți. Tinand cont că deși o turbină funcționează aproximativ 90% din timp, ea produce energie proporțional cu 25-40% din puterea instalată. Astfel, pentru o turbină de 2,3MW, producția de energie într-un an este cuprinsa între 5500 – 7000 MWh. 

Fig.1 Resursele de vant ale Romaniei

România are un potențial eolian important, disponibil pe aproape doua treimi din teritoriu. Cel mai mare potențial eolian îl are Dobrogea, Moldova și o parte din Bărăgan. Astfel, potențialul eolian al României este estimat la 14.000MW, însă țara noastră dispune deocamdată de doar 7 MW. Productia de energie eoliană, la nivel global, a atins la sfârșitul anului trecut, aproximativ 120.000MW. [17]

Fig.2. Zone cu potential eolian

Ore pe an cu viteza vântului mai mare de 4 m/s:

Zona 1: 5000 ore.

Zona 2: 4000 ore.

Zona 3: 3000 ore.

Zona 4: 2500 ore.

Zona 5: 1500 ore.

Avantajele energiei eoliene :

Energia eoliana nu produce substanțe poluante și gaze cu efect de seră.

Nu produce deșeuri.

Costuri sunt reduse pe energia produsă.

Costuri reduse de scoatere din funcțiune.

Dezavantajele energiei eoliene:

Pretul mare de producere a turbinelor.

Poluarea vizuala.

Productia de energie variatia in functie de viteza vantului.

Fig.3. Parc eolian

Turbinele eoliene sunt folosite la captarea energiei eoliene. Turbinele difera in functie de dimensiuni si putere. Din punct de vedere al constructiei turbinele eoliene se pot imparti in doua categorii: turbine cu ax orizontal si turbine cu ax vertical:

Turbinele cu ax orizontal sunt cele mai des intalnite avand o putere instalata de ordinul MW.

Turbinele cu ax vertical sunt folosite pentru aplicatii de putere mai mica, avand in general o putere de cativa KW

Turbina eoliana este compusa din:

Palele ce au rolul de a asigura forta de rotatie.

Nacela contine generatorul electric.

Pilonul asigura structura de sustinere si rezistenta ansamblului superior.

Fundatia asigura rezistenta mecanica a generatorului . [18]

Fig.4. Componente turbina eoliana

Costurile energiei eoliene

Tabel 2. Costurile energiei eoliene

Energia geotermala

Energia geotermala reprezinta caldura ce provine din interiorul Pamantului. Se gaseste in zonele cu activitate vulcanica si tectonica si se obtine prin captarea apei fierbinti si a aburilor. Energia geotermana se foloseste pentru obtinerea curentului electric si la incalzirea locuintelor.

Fig.5. Harta geotermala a Romaniei

Avantajele centralelor geotermale:

Energia geotermala este mult mai ieftina decat energia ce rezulta din combustibilii fosili.

Energia produsa este regenerabila si bio.

Centralele geotermale nu sunt afectate de conditii meteo.

Dezavantajele centralelor geotermale:

Zonele cu activitate geotermala se racesc dupa cateva decenii de utilizare.

Cresterea instabilitatii solului din zona.

Fig.6. Centrala geotermala

Energia mareelor

Energia mareelor reprezinta energia ce poate fi captată prin exploatarea energiei rezultate din deplasarea pe verticală a masei de apă la diferite niveluri sau a energiei cinetice datorate curentilor de maree. [19]

Sistemele de captare a energiei mareelor:

Sistemul de conducte sub presiune.

Sistemul bazat pe ascensiunea lichidului.

Sistemul pistonului lichid.

Centralele mareomotrice sunt de doua tipuri:

Centrale fara baraj

Centrale cu baraj

Fig.7. Centrala mareomotrica

Conceptul de bază al centralelor electrice, ce produc energia mareelor, este acumularea unor volume mari de apă într-o zonă în care să se poată crea o anumită presiune, urmând apoi, ca apa să curgă în sau din această zona prin turbine hidroelectrice de cădere joasă. Centralele pot fi operate atat la flux cat si la reflux, sau în ambele situații. Cea mai des utilizată metodă este generarea la reflux. [20]

Energia Solara

Energia solara este energia produsa in Soare ca rezultat al reactiilor de fuziune nucleara. Ea este transmisa pe Pamant prin spatiu cu ajutorul fotonilor, care interactioneaza cu atmosfera si suprafata Pamantului. [21]

Energia solară poate fi folosită să:

genereze electricitate prin celule solare.

genereze electricitate prin centrale termice solare.

încălzească clădiri, direct sau prin pompe de căldură.

producă apă caldă de consum prin panouri solare termice.

Strategia energetica a Romaniei

Politica energetică a României se realizează in functie de schimbările și evoluțiile ce au loc pe plan național și european. În acest context politica energetică a României trebuie să fie corelată cu documentele similare existente la nivel european pentru a asigura convergența politicii țării noastre cu politica UE în domeniu.

Strategia energetica urmareste ducerea la bun sfarsit a principalelor obiective ale politicii „energie-mediu” ale Uniunii Europene, obiective asumate si de Romania.

Siguranta energetica:

Protectia infrastructurii critice;

Diversificarea resurselor energetice si a rutelor de transport a acestora;

Cresterea sigurantei energetice prin asigurarea necesarului de resurse energetice

Cresterea eficienței energetice;

Promovarea producerii de energie electrica si termica in centrale cu cogenerare, in special in instalatii de cogenerare de inalta eficienta;

Competitivitate reiese din liberalizarea tranzitului de energie și asigurarea accesului permanent al participanților la piață, la rețelele de transport, distribuție și interconexiunile internaționale. [22]

Fig.8. Harta energetica a Romaniei

Situatia sectorului energetic din zona surselor energetice regenerabile

Sursele regenerabile de energie din România au un potențial destul de important.

Potențialul utilizabil al acestor surse este mult mai mic, datorită limitelor atat tehnologice cat si economice și a restricțiilor de mediu. Cu excepția centralelor hidroelectrice, costurile de producere a energiei electrice în unități ce utilizează surse regenerabile sunt în prezent superioare celor ce utilizeaza combustibili fosili și nuclear.

Stimularea utilizării acestor surse de enegie și atragerea investițiilor în unități energetice ce utilizează surse regenerabile, se realizează prin mecanisme de susținere, în conformitate cu practica europeană,mecanisme ce duc și la creșterea prețului energiei electrice la consumator.

Tabel 3. Potentialul energetic al surselor de energie regenerabila

Harta surselor regenerabile de energie, disponibile pe regiuni

Cu excepția centralelor hidroelectrice, costurile de producere a energiei electrice ce se bazeaza pe surse regenerabile sunt în prezent superioare celor aferente utilizării combustibililor fosili și nuclear. [22]

Fig.9. Harta surselor regenerabile

Legenda:

Delta Dunării (energie solară);

Dobrogea (energie solară și eoliană);

Moldova (câmpie si podiș – microhidro, energie eoliană și biomasă);

Munții Carpați ( biomasă, microhidro);

Podișul Transilvaniei (microhidro);

Câmpia de Vest (energie geotermală);

Subcarpații(biomasă, microhidro);

Câmpia de Sud (biomasă, energie geotermală și solară).

Energia Solara

Generalizare

Energia solară reprezintă energia electromagnetică transmisă de soare generată prin procesul de fuziune nucleară. Energia solara stă la baza întregii vieți de pe pământ și reprezintă aproximativ 420 trilioane kWh. Această cantitate de energie generată de soare este de câteva mii de ori mai mare decât cantitatea totală de energie utilizată de populatia globala. Producerea de energie electrică din energie solară se bazează pe instalații termice și pe panourile fotovoltaice.

Lumina și căldura radiate de soare au fost utilizate de oameni încă din antichitate cu ajutorul unei serii de tehnologii ce erau îmbunătățite permanent. Radiația solară, împreună cu celelalte surse secundare de energie, reprezintă cea mai mare parte din energia provenită din sursele regenrabile disponibile pe pământ. [23]

Fig.10. Panouri fotovoltaice

Pentru a utiliza energia solară, se folosesc de cele mai multe ori captatoare solare. Tehnologia solara poate fi, în general, pasiva sau activa în funcție de modul în care energia solară este captată, convertită și distribuită.

Tehnologia solara pasiva include orientarea unei clădiri spre soare, selectarea materialelor cu o masă termică favorabilă sau cu proprietăți de dispersie a luminii, precum și proiectarea spațiilor în așa fel încât aerul să circule în mod natural.

Aplicatii tehnice ale energiei solare:

Captatoare solare ce generează căldură.

Centralele solar-termice care produc electricitate prin utilizarea căldurii și aburului.

Sobele solare sau cuptoarele solare sunt utilizate la încălzirea hranei sau la sterilizarea produselor medicale.

Celulele solare care produc direct curent electric.

Potențialul de energie solară în România

România este localizată într-o zonă cu potențial solar destul de bun, beneficiind de 210 zile însorite pe an și un flux anual de energie solară cuprins între 1000kWh/mp/an și 1300kWh/mp/an. Din această cantitate doar 600-800 kWh/mp/an pot fi utilizabili din punct de vedere tehnic. [24]

Potențialul energetic solar s-a reflectat în ultimii ani în creșterea investițiilor în centrale solare. In 2007 centralele solare din România aveau o capacitate de producție de 0.30 MW, crescând în 2011 la 2.9 MW și ajungând la 5 MW în 2012. România se află pe locul 13, fiind una dintre cele mai atractive țari din lume în ceea ce privește investițiile în acest domeniu

Fig.11. Harta cu potential solar

Regiunea de sud-est a României, vestul, centrul dar și estul țării sunt cele mai bune locuri pentru a amplasa captatoare solare, aratat in harta potențialului solar al României.. Comparativ cu energia eoliană, unde potențialul de vânt este concentrat cu precădere în zona Dobrogei și a Moldovei, potențialul solar al României este răspândit aproape pe întreg teritoriul țării.

Factorii ce influienteaza radiatia solara

Principala cauza ce influenteaza radiatia solara o reprezinta distanța mare dintre Soare și Pământ și a razei terestre relativ mici. Doar a întâia miliarda parte din energia totală emisă de Soare ajunge la partea superioară a atmosferei, cantitate suficientă însă pentru a asigura baza resurselor energie terestră.

Luând în considerare faptul că 30% din radiație este reflectată înapoi în spațiu, energia totală primită de către Terra reprezintă aproximativ 10^17 W. Străbătând atmosfera terestră, radiațiile solare suferă influența acesteia, iar rezultatul acestei influențe îl constituie reducerea energiei solare care ajunge la suprafața scoarței terestre.

Fig.12. Harta globala a radiatiei solara

Pornind de la datele disponibile s-a alcătuit o hartă ce schematizează distribuția radiației solare pe teritoriul României. Harta a fost realizată prin analizarea si prelucrarea datelor furnizate de către ANM, NASA, JRC si Meteotest.

Fig.13. Harta radiatie solara

Pe hartă există 3 zone cu potential ridicat:

Prima zona: include suprafețele cu cel mai ridicat potențial, in Dobrogea și o mare parte din Câmpia Română.

A 2-a zona include partea de nord a Câmpiei Române, Podișul Getic, Subcarpații Olteniei,  sudul  și centrul  Podișului Moldovenesc și vestul Podișului Transilvaniei, unde radiația solară pe suprafață orizontală se situează între 1300 – 1400MJ/m2.

A treia zona dispune de mai puțin de 1300 MJ/m2și acoperă cea mai mare parte a Podișului Transilvaniei, nordul Podișului Moldovenesc și Rama Carpatică.

Zona cu cel mai mare potential pentru aplicațiile electroenergetice ale energiei solare în țara noastră este in Dobrogea și o mare parte din Câmpia Română.

În concluzie nivelul de radiații din România este foarte bun comparativ cu cel al altor țări cu climat temperat, iar diferențele, în funcție de zonă geografică, sunt foarte mici.

Conversia energiei solare

Pentru a putea utiliza energia solara este nevoie de o conversie a acesteia în alte forme de energie.

Tipuri de conversie :

conversia fototermicã.

conversia fotomecanicã.

conversia fotochimicã.

conversia fotoelectricã.

Conversia fototermicã

Conversia fototermica se bazeaza pe transferul energetic de la razele solare la apă, abur, aer cald si alte medii. Căldura astfel obținută fiind folosită direct sau convertită în energie electrică, prin centrale termoelectrice sau prin efect termoionic.

Conversia fototermica prezintã o mare importanță în aplicațiile industriale, încălzirea clădirilor, prepararea apei calde de consum, distilarea apei etc.

Fig.14. Captator solar

Conversia fotomecanica

Conversia fotomecanică este importantă în energetica spațială.Ea se referă la echiparea navelor cosmice destinate călătoriilor lungi, interplanetare, cu așa-zisele "pânze solare", la care, datorită interacțiunii dintre fotoni și mari suprafețe reflectante, desfășurate după ce nava a ajuns în vidul cosmic, se produce propulsarea navei prin impulsul cedat de fotoni la interacțiune.

Fig.15. Satelit sustinut energetic de energia solara

Conversia fotochimica

Conversia fotochimică se împarte în două categorii:

una presupune utilizarea directă a Soarelui prin excitarea luminoasă a moleculelor unui corp

iar cealaltă utilizarea indirectă prin intermediul fotosintezei sau a transformãrii produselor de dejecție a animalelor.

Conversia fotochimică se utilizează la obținerea pilelor de combustie.

Harta solara a Romaniei

Fig.16. Harta solara a Romaniei

Romania are 210 zile însorite pe an, ea beneficiaza de un flux anual de energie situat intră 1000 – 1.650 kWh/mp/an.

România se împarte în trei zone principale de însorire.

Zona roșie: 1.650 kWh/mp/an,

Zona galbenă: 1.300-1.450 kWh/mp/an

Zona albastră: 1.150-1.300 kWh/mp/an.

Potentialul solar al Romaniei

În privința radiației solare, ecartul lunar al valorilor de pe teritoriul României atinge valori maxime în luna iunie de 1.49 kWh/ m2/zi și valori minime în luna februarie de

0.34 kWh/ m2/zi.

În anul 2010 totalul surselor regenerabile de energie înțările membre al UE, a fost de 15,65 % din consumul total de resurse primare, în timp ce în România acest procent a fost de 26%.

Potential solar-termal

Sistemele solar-termale sunt realizate, în principal, cu captatoare solare plane sau cu tuburi vidate, în special pentru zonele cu radiația solară mai redusă din Europa.

Tabel 4 Potential Solar-Termal

Potențial solar-fotovoltaic

Tabel 5 Potential solar-fotovoltaic

Temperatura medie anuala a Romaniei

România are o climă temperat continentală de tranziție, specifică pentru Europa centrală, cu patru anotimpuri distincte. Diferențele locale climatice se datorează mai mult altitudinii și latitudinii. [25]

Regimul termic

Temperaturile medii anuale scad ușor de la sud spre nord,ca urmare a variației datorată atât latitudinii cât și distribuției reliefului țării.

Temperaturile maxime medii anuale oscilează între 22°C – 24°C în timpul verii, respectiv între -3°C și -5°C, în timpul iernii. 

Regimul precipitațiilor

Precipitațiile din România sunt moderate, media precipitațiilor anuale căzute pe teritoriul țării fiind de 637 mm/an. Precipitațiile anuale medii din zona de câmpie sunt de 400mm în Dobrogea, 500mm în Câmpia Română și până la 600 mm în Câmpia de Vest. Precipitațiile cresc in functie de altitudine, atingând pana la 1200 mm/an la altitudini mai mari de 1800 m.

Fig.17. Temperaturile și precipitațiile medii anuale ale capitalei României

Caracteristicile elementelor climatice

Temperatura medie anuală scade de la sud la nord și în altitudine ajungând la 0°C la altitudini de peste 2000 m. După valorile temperaturii medii anuale, există trei etaje termice:

Un etaj cald cu valori de peste 10°C

Un etaj mediu cuprins între 10°C – 6°C

Un etaj rece cu temperaturi mai mici de 6°C

Potențialul de energie solară la nivel global

Fig.18. Harta globala cu potential solar

Date de radiații utilizate în această lucrare se bazează pe DLR-ISIS (Irradiance at the Surface derived from Internațional Satellite Cloud Climatology Project (ISccp) dată) al centrului aerospațial german (DLR).

Datele provenite de la DLR-ISIS sunt împărțite în 280 km x 280 km grilă zona egal la doze de distribuție de 72 de pași de 2,5° latitudine. Anual valoarea medie pentru fiecare cutie de grilă este rafinat la un 1 ° grilă prin aplicarea la distanța valori medii ponderate ale DLR-ISIS pentru a permite o corelare a densității de populație.

Hărțile de resurse solare pentru evaluare CSP sunt vizualizate prin iradiere normală directă pe suprafața și an, în unități de kWh/m²/y care sunt adecvate pentru cerințele CSP.

.

SISTEMUL FOTOVOLTAIC

Generalizare

Primul sistem fotovoltaic convențional a fost produs în anul 1950, și în întregime în anii 1960, fiind fosit pentru a produce curentului electric folosit pentru sustinerea sateliților ce orbitează în jurul pământului.

Sistemul fotovoltaic are rolul de a converti energia solară în energie electrică prin efectului fotovoltaic, ca apoi sa ajusteze energia generata la parametrii electrici ceruți de consumator. [26]

Fig.19. Componentele sistemului fotovoltaic

Generatorul Fotovoltaic

Generatorul Fotovoltaic este format din una sau mai multe celule fotovoltaice interconectate.

Fig.20. Celule fotovoltaice

Fig.21 Schema bloc generala a unui SFV

GFV reprezinta generatorul fotovoltaic

USE reprezinta unitatea de stocare a energiei generate fotovoltaic

BPE reprezinta blocul de procesare al energiei electrice

Generatorul fotovoltaic este format din unul sau mai multe module fotovoltaice. Un modul fotovoltaic este cel mai mic ansamblu de celule fotovoltaice interconectate, complet protejate fata de mediul ambient.

Fig.22. Ansamblu de celule fotovoltaice

GFV de mare putere se realizează interconectând mai multe panouri fotovoltaice. Un panou fotovoltaic este format dintr-un grup de module fixate împreună, preasamblate și cablate electric.

Fig.23. Camp de panouri solare

Generatorul fotovoltaic de mare putere se realizează interconectând un număr mare de module sau panouri fotovoltaice.Generatorul fotovoltaic mai este cunoscut sub denumirea Array si reprezintă un ansamblu integrat mecanic de module sau panouri, împreună custructura suport, exclusiv fundația, sistemele de urmărire a soarelui, etc.

Fig.24. Panou solar

Caracteristicile unui panou fotovoltaic sunt:

Tensiunea de mers in gol respectiv tensiunea la bornele celulei

Curent de scurtcircuit ISC respectiv curentul debitat de celulă

Tensiunea în punctul optim de funcționare UMPP

Curentul in punctul de putere maxima IMPP

Puterea maxima PMPP

Factor de umplere FF

Coeficient de modificare a puterii

Randamentul celulei solare η

Principiul de baza al conversiei energiei

Lumina este compusa din fotoni. Fotonii pot penetra anumite materiale, sau chiar să le traverseze.

O raza de lumina care atinge suprafața unui mediu, poate suporta trei fenomene optice:

Reflexia este reprezentata de lumina care este întoarsă de către suprafață;

Transmisia reprezentata de lumina ce traversează obiectul;

Absorbția: lumina penetreaza obiectul si nu il mai părăsește

Într-un material fotoelectric, o parte a energiei luminii, este restituita sub formă de energie electrică. Deci trebuie ca materialul să aibă capacitatea de a absorbi lumina vizibilă.

Electroni sunt cei ce vor determina apariția unui curent electric în urma iluminării. Fotonii sunt cei ce vor ceda energia lor, electronilor, ceea ce le va permite să se elibereze de atracția exercitată de nucleu. Acești electroni eliberați sunt capabili sa formeze un curent electric. [27]

Fig.25. Captator solar

Jonctiunea unei fotocelule cu Si este alcatuita dintr-o parte dopata cu fosfor (P), numita de tip "n", alipita unei parti dopate cu bor, numita de tip "p". La frontiera celor doua parti se creaza campul electric care separa sarcinile pozitive de cele negative.

Fig.27 Jonctiune P-N

Variatia puterii in functie de temperatura

Expunearea celulelor in fata radiației solare duce la încălzirea lor rezultand ca temperatura joaca un rol important. O parte din energia absorbită nu este convertită în energie electrică, ea se disipă sub formă de căldură. Din aceste motive, temperatura celulelor este întotdeauna mai ridicată decât cea a mediului ambiant.

Fig.26. Grafic al variatiei puterii in functie de temperatura

Efectul fotovoltaic

Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare, sub acțiunea energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839. Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină și din numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume.[1]

Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafața acestuia interacționează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acțiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcționează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare.[1]

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Și), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantități mari, fiind astfel și ieftin.[1]

Fig.27. Grfic nivel energetic

Determinarea eficientei panourilor solare

Eficiența panourilor solare fotovoltaice reprezintă capacitatea acestora de a converti lumina solară în energie electrică folosită pentru consum.[2]

Seconsideră mai întâi că puterea maximă a unui panou de 200W este de 200W indiferent de eficiența panoului. Suprafața pe care o ocupă aceste panouri pentru a strânge acei 200W este cea care dă eficiența acelui sistem. Eficiența panoului determină, deci, puterea furnizată pe unitatea de suprafață.[3]

ηmax = Pmax/ES, γsw (fluxul de radiație incidentă) * Ac (aria colectoare)).

Celula fotovoltaică

  O celulă solară este formata din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind Si. Straturile 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”. [4]

Această structură e similară cu a unei diode. Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei suprafata mică și curentul generat de o singură celulă este mic.

Fig.28. Celula fotovoltaica

Fig.29. Caracteristica tensiune-curent a celulei fotovoltaice

Imp este curentul la puterea maxima a celulei

Vmp este voltajul la putere maxima al celulei

Pmp este puterea maxima a celulei

V0C este tensiunea de mersingol a celulei.

Caracteristica U – I a unui modul fotovoltaic depinde de intensitatea radiatiei solare si de temperatura celulelor. La intersectia caracteristicii U-I cu caracteristica sarcinii de la bornele generatorului fotovoltaic se gaseste punctul de functionare Pmp.

Tipuri de celule fotovoltaice

În funcție de natura cristalină a materialului semiconductor :

monocristaline

policristaline

amorfe

Monocristalele

Monocristalele se obțin sub formă de baghetă sau vergea, prin turnarea siliciului pur.

Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subțiri si se utilizează la fabricația celulelor fotovoltaice. [5]

Policristalele

Policristalele sunt mai puțin eficiente ca monocristalele, ele se obțin prin turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt tăiate în plăci subțiri. În procesul de solidificare, se formează cristale de diferite dimensiuni și forme, iar la marginea acestor cristale apar și unele defecte de structură..[5]

Structura amorfă

Structura amorfă se obține prin depunerea unui film extrem de subțire de siliciu pe o suprafață de sticlă. În acest caz, solidificarea atomilor nu se realizează într-o structură cristalină ci sub forma unei rețele atomice cu dispunere neregulată,si poarta denumirea de structură amorfă.[5]

Performanțele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice

Tabel 6 Performantele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice

Fig.30. Grafic bariera energetica

Materiale și tehnologii pentru producerea celulelor fotovoltaice

Majoritatea celulelor solare sunt compuse din siliciu sau din diverse materiale ce au fost dezvoltate în ultimii ani.

Celulele cristaline sunt „felii tăiate” din lingouri sau „piesa turnată” de cristale din siliciu, iar celulele thin-film conțin straturi foarte subțiri din material ieftin ( sticla, inox sau plastic). [6]

Fig.31. Tipuri de celule

Celule pe bază de siliciu sunt de doua feluri, cu strat gros cele monocristaline si policristaline, si cele cu strat subtire, Si amorf si Si cristalin.

Materiale pentru producerea modulelor cu peliculă subțire de siliciu

Tabel 7 Materiale pentru fabricarea modulelor de siliciu

În prezent, pentru fabricarea celulelor solare sunt folosite materiale precum siliconul monocristalin, siliconul policristalin, siliconul amorf, cadmiu-teluriu și seleniura de cupru-indiu.

Siliconul cristalin este cel mai folosit material compact pentru confecționarea celulelor solare.

Deoarece panourile pe bază de silicon folosesc un singur strat de sticlă, panourile în strat subțire sunt de două ori mai grele decât acestea. Majoritatea panourile în strat subțire au o eficientă scăzută și necesită o mai mare suprafață pentru producția unui wat de energie electrică decât cele din silicon.Cele trei tehnologii în strat subțire folosite în fabricarea de celule fotovoltaice sunt cadmiu-teluriu, seleniura de cupru-indiu-galiu și siliconul amorf.

O celulă solară pe bază de cadmiu-teluriu folosește un strat subțire de CdTe, un strat semiconductor care să absoarbă și să convertească lumina în energie electrică. Cadmiul prezent în aceste celule poate fi toxic dacă este eliberat.

Din acest motiv, producătorii se asigură că eliberarea accidentală a acestuia, în timpul utilizării sau manipulării este imposibilă. Un metru pătrat de CdTe conține aproximativ aceeași cantitate de cadmiu ca și o baterie Nickel-cadmiu, dar într-o formă mai stabilă și mai puțin solubilă.

Celulele cu joncțiuni multiple sunt extrem de eficiente și au fost dezvoltate pentru aplicații speciale precum sateliții și explorarea spațială, iar, în prezent, folosirea acestora în sisteme terestre ar putea fi cea mai ieftină variantă per wat pentru energie solară.Aceste celule cu joncțiuni multiple sunt formate din mai multe straturi subțiri.

Celulele solare tandem bazate pe joncțiuni monolitice, conectate în serie și realizate din fosfură de galiu-indiu, arseniură de galiu și germaniu cunosc o cerere rapidă.Celulele cu triplă joncțiune pe bază de arseniură de galiu sunt de asemenea

folosite în vehicule solare, precum triplul câttigător al Campionatului Mondial solar Nuna3, Solutra, Twenty One sau 21Revolution.

Celulele solare organice reprezintă o tehnologie destul de recentă, care promite reducerea substanțială a prețurilor și o amortizare mai rapidă a investiției. Aceste celule pot fi procesate dintr-o soluție, de aici reisind și posibilitatea producerii acestora la scară largă la prețuri extrem de reduse.

Celulele fotovoltaice organice și celulele solare pe bază de polimeri sunt realizate din straturi subțiri de semiconductori organici, inclusiv polimeri precum vinilina polifenilenă și componente moleculare. Eficienta conversiei energetice obținută prin utilizarea unor astfel de celule este, la ora actuală, relativ redusă în comparație cu materialele anorganice. Cu toate acestea, tehnologia a cunoscut o creștere remarcabilă, mai ales având în vedere faptul că aceste celule pot fi benefice pentru diverse aplicații în care flexibilitatea mecanică și disponibilitatea sunt cerințe principale.

Celulele solare în strat subțire de silicon sunt obținute prin depunerea chimică a vaporilor de gaz silan și hidrogen. În funcție de parametrii de depunere se poate obține:

Silicon amorf

Silicon protocristalin

Silicon nanocristalin, denumit și silicon microcristalin

Factori ce infuenteaza performantele sistemelor fotovoltaice

Performanțele sistemelor fotovoltaice sunt influențate de un număr diversificat de factori cum ar fi:

a) Factori meteorologici:

Radiația solară

Temperatura ambiantă

Viteza vântului

Precipitații

b) Factori de amplasament:

Orientarea și înclinarea

Umbrirea generatorului solar

Gradul de poluare

Reflexiile locale

c) Factori la nivelul generatorului fotovoltaic:

Performanțele modulelor / dispersia caracteristicilor

Interconectarea modulelor

Elementele de protecție

Modul de integrare

d) Factori la nivelul sistemului de conversie:

Pierderi de adaptarea la sarcină

Pierderi la nivelul sistemului de stocare

Pierderi la nivelul sistemului de condiționare a puterii

Pierderi Joule / Căderi de tensiune

e) Factor de performanță:

EAC energia la consumator (ieșire invertor)

EGS energia solară în planul de captare

ηSTC randamentul modulelor în condiții standard de testare

[7]

Exemplu casa de vacanta alimentata prin panouri solare

Exemplu casa de vacanta alimentata prin panouri solare

Conectata la retea:

Fig.32. Casa alimentata prin panouri solare si conexiune la retea

Auto-sustinere:

Fig.33. Casa alimentata prin panouri solare

Dispozitive folosit pentru alimentarea cu panouri solare

Panouri solare pentru incalzirea apei menajere

Fig.34. Panou solar, componente

Componente:

1 – Cadru de aluminiu

2- Izolatie cu spuma poliuretanica

3- Izolatie cu vata de sticla

4- Izolatie cu spuma poliuretanica

5 – Foaie de cupru sudata cu ajutorul tehnologiei ultrasunetelor

6 – Sticla tratata, calita, facuta sa reziste in conditii extreme si sa creasca mult capacitatea de absortie a razelor solare

7 – Exterior din inox

8- Izolatie cu spuma poliuretanica

9 – Exterior din inox

10 – Sistem cu circuit inchis presurizat care permite transferul rapid si fara pierderi a energiei termice

11 – Energie suplimentara care se face printr-o rezistenta electrica.

12 – Sistem de protectie realizat cu ajutorul unei baghete de magneziu, marind durata de viata a rezervorului de apa

Panouri Fotovoltaice pentru alimentare electrica

Fig.35. Panou solar

Tipuri de invertoare folosite

Invertor model: SSW-350-12A [8]

Fig.36. Invertor

Tabel 8 Caracteristici Invertor

Invertor model: PST-1000-24 [8]

Fig.37. Invertor

Tabel 9 Caracteristici invertor

Invertor model PST-1500-24 [8]

Fig.38. Invertor

Invertor model PST-100S-24E [8]

Fig.39. Invertor

Tabel 11 Caracteristici invertor

Tipuri de controlere de sarcina folosite

Controler BlueSolar 12/24-PWM [9]

Fig.40. Controler de sarcina

Tabel 12 Caracteristici controler

Controler BlueSolar PWM-Pro [9]

Fig.41. Controler de sarcina

Tabel 13 Caracteristici controler

Controler BlueSolar MPPT 150/35 [9]

Fig.42. Controler de sarcina

Tabel 14 Caracteristici controler

Baterii de acumulatoare

Lithium-ion Lynx 24V 180Ah [9]

2

Fig.43. Acumulator

Tabel 15 Caracteristici acumulator

AGM 12V 200Ah

Seria de baterii AGM telecom pentru regim greu a fost creată pentru sistemele telecom. Având terminale frontale de dimensiune mică, bateriile sunt ideale pentru sistemele tip rastel. În mod similar, aceste baterii sunt utile în rezolvarea problemelor legate de spațiu și a celor de la bordul navelor și vehiculelor. [10]

4V 180Ah Lithium-ion

Fig.44. Acumulator

Tabel 16 Caracteristici Acumulator

Dimensionarea instalației fotovoltaice și Simulare Homer

Dimensionarea instalației fotovoltaice

Dimensionarea unei instalații fotovoltaice se realizează prim următoarele etape:

Se stabilește puterea necesară și se aleg panourile solare.

În următoarea etapă se calculează numărul de panouri necesare.

Se determina suprafața panourilor.

Alegem schema de conexiuni pentru panourile fotovoltaice.

Se calculează caracteristicile generatorului fotovoltaic.

Stabilirea tipului de invertor.

În penultima etapa se aleg bateriile.

Ultima etapă constă în alegerea regulatorului de sarcină.

Stabilirea puterii necesare si se alegerea tipului de panou solar.

Consultand oferte ale furnizorilor de panouri fotovoltaice, se alege un panou solar policristalin de 205 W, avand o eficienta de 15.5%, o tensiune a panoului de Up= 12 V, curent panou 5.43A, Isc= 5.83A, Vmp = 37.6V, un unghi opim de inclinare de 45* ce asigura o eficienta mai buna si o autocuratare de impuritati.

Proiectul este facut pentru o casa de vacanta cu un consum mic spre mediu.

Tipul de panou ales: PV205 TSM-205DC80.08 [11]

Calculul numarului de panouri necesare.

Np= = = 6 => Avem nevoie de 6 Panouri fotovoltaice.

Np- Numar de panouri.

Pi – Puterea instalatiei.

Pp- Puterea unui panou.

Determinarea suprafetei panourilor.

Panoul ales area urmatoarele dimensiuni: L = 1.06 m, l = 0.67

St = Sp*Np = 1.06*0.67*10 = 7.10 m2

St – Suprafata totala

Sp – Suprafata unui panou

Np – Numarul de panouri

Schema de conexiuni pentru panourile fotovoltaice.

Se alege o schemă de conexiuni cu două șiruri paralele, a câte 3 panouri fotovoltaice legate în serie pe fiecare sir.

Ns = = = 3

Ns- Numar de panouri pe sir

Np – Numar de panouri

Sir – siruri

Generatorului fotovoltaic, calcule caracteristici.

Tensiunea instalată a generatorului fotovoltaic se obține folosind următoarea formula:
Ug = *Up
Ug = 3*12 = 36 V

Curentul generatorului se obtine inmultind curentul generat de un panou fotovoltaic cu numarul de siruri.

Ig = 2*5.43 = 10.86 A

Ig – curent generator

Uoc generator = * Uoc panou = 3*46.2= 138.6V

Uoc – tensiune de incarcare in gol
Isc generator = nr. sir*Isc panou = 2*5.83 = 11.66 A

Isc – curent de scurtcircuit

Nr. Sir – numarul de siruri

Vmp generator = *Vmp panou  = 3*37.6 = 112.8 V
P generator = Vmp generator*Ig = 112.8*10.86 =1225 W (1.2KW)
Pg – Putere generator

Dupa obtinerea valorilor de mai sus putem alege celelalte elemente ale instalatiei fotovoltaice: invertor, baterii si regulator de sarcina.

Alegerea invertorului.

Tensiunea maxima a generatorului trebuie sa fie egala cu tensiunea de intrare a invertoului.

Ui = Ug => Ui = 36 V

Ui- tensiune invertor

Ug- tensiune generator

O a -2 a conditie pentru alegerea invertorului este aceea ca puterea maxima a generatorului fotovoltaic sa fie mai mica decat puterea de intrare a invertorului
Pi > 1.2 kW

Pi – Putere invertor

Am ales un invertor pur sinusoidal PWM 50812 cu urmtoarele specificatii tehnice:

Eficienta maxima 95%

Fig.45 Invertor PWM 50812

Acumulatorii

Bateriile sunt folosite în sistemele fotovoltaice cu scopul de a stoca energia produsã de generatorul fotovoltaic.

La alegerea bateriilor trebuie sa tinut cont de incarcarea bateriilor, deci pentru incarcarea bateriilor de 24V avem nevoie de panouri cu Vmp 34V – 40.

Folosim baterii de tip: BSB 12V/230 Ah SOLAR. [12]

Folosim 6 acumulatori in urmtorul mod: bateriile vor fi montate in 2 siruri paralele a cate 2 baterii, formand o singura baterie de 24V si 400Ah.

Fig.46 Acumulator BSB 12V/230Ah

Regulatorul de sarcina

Regulatoarele de sarcina au rolul de a controla incarcarea bateriilor de acumulatori. La alegera regulatorului de sarcina trebuie sa tinem cont de urmatoarele conditii:

tensiunea nominala a regulatorului sa fie mai mica sau egala decat decat tensiunea nominala a generatorului fotovoltaic

curentul de intrarea sa fie mai mare sau egal decat curentul de incarcare maxim, pe care generatorul il poate debita

Am ales Xantrex XW Solar Charge Controller XW-MPPT60-150 cu urmatoarele specificatii: [13]

 Tensiune nominala 12 24 36 48 60 Vdc

Tensiune de operare 2.5w

Tensiune maxima in serie 140Vdc

Tensiune in circuit deschis 150 Vdc

Orientarea instalatiei fotovoltaice

Puterea maxima debitata de o instalatie fotovoltaica, este direct influentata de orientarea panoului

Sisteme fotovoltaice sunt recomandate a fi orientate către sud.

Înclinația cea mai bună este între 35-45 grade fată de orizontală.

Fig.47. Orientarea panoului solar

Simulare Homer

Despre Softul de simulare Homer

HOMER este un software de modelare fiind utilizat pentru proiectare și analiză a sistemelor hibride, ce conțin un amestec de generatoare convenționale, turbine eoliene,panouri fotovoltaice, dispozitive din domeniul hidroelectric, baterii, celule de combustibil, biomasa etc. [14]

Tehnologii convenționale de energie și surse regenerabile:

Surse de alimentare:

Panouri solare

Turbine Eoliene

Hidroenergetic

Generatoare: diesel, benzină, biogaz, combustibili alternativi

Grilă de utilitate electric

Microturbină

Celule de combustibil

Fig.48. Simulator Homer

Schema initiala formata din:

Panou PV

Baterii BsB

Invertor

Consumator

Fig.49. Schema echipamentelor

Fig.50. Datele echipamentelor

Fig.51. Mediul de simulare Homer

Fig.52. Radiatia solara in functie de luna

Fig.53. Radiatia solara in functie de ora

Fig.54. Radiatia Solara lunara, grafic

Fig.55. Radiatia Solara lunara raportata la kW/m2

Fig.56. Curba de durata a radiatiei

Fig.57. Invertor

Fig.58. Puterea invertorului raportat la luna

Fig.59. Puterea la iesire a Invertorului

Fig.60. Starea Acumulatorilor in functie de perioada anuala

Fig.61. Durata de descarcare a acumulatorilor

Fig.62. Productia de energie in functie de luna

Fig.63. Consumul in functie de ora si luna

Observatii si Concluzii

Folosirea energiei solare reprezinta un pas spre un viitor mai natural si mai economic, avand ca beneficiu energie regenerabila inepuizabila. Captatoarele solare prezinta unele dezavantaje ce trebuiesc luate in calcul:

Celulele solare functioneaza doar in timpul zilei

Costurile instalatiei pot fi destul de mari, ele depind in mod direct de calitatea produselor

Desi aproape orice locatie primeste lumina soarelui, nu orice locatie este fezabila pentru panourile solare

Cresc riscurile in caz de calamitati, panourile fiind expuse intemperiilor

Dar, dand deoparte dezavantajele ce in unele cazuri pot fi nesemnificative, enegia solara reprezinta o alternativa buna de luat in calcul.

Datele de intrare au fost luate de pe NASA.gov pentru regiunea Dobrogea-Sud.

Bibliografie

[1] http://regenere.wordpress.com

[2] http://ro.wikipedia.org

[3] http://www.scritub.com

[4] Commission of the European Communities – Communication From The Commission to the European Council and the European Parliament – An Energy Policy For Europe {Sec(2007) 12} Brussels, 10.1.2007 Com(2007) 1 Final

[5] Commission of the European Communities – Communication from the Commission – Biomass action plan {SEC(2005) 1573} Brussels, 7.12.2005 COM(2005) 628 final

[6] Commission of the European Communities – Communication from the Commission – Action Plan for Energy Efficiency: Realising the Potential {SEC(2006)1173} {SEC(2006)1174} {SEC(2006)1175} – Brussels, 19.10.2006 COM(2006)545 final

[7] http://www.energy-community.org

[8] Commission of the European Communities – Communication from the Commission – The support of electricity from renewable energy sources – Brussels, 7.12.2005, COM(2005) 627 final

[9] Planul Național de Acțiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER)–2010

[10] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy, 18.11.2010

[11] http://www.keywordspy.com

[12] http://www.ecoplay.ro

[13] http://planetasustentavel.abril.com.br

[14] http://www.networksecurity.ro

[15] http://img16.imageshack.us

[16] http://itee.elth.pub.ro

[17] www.meteoromania.ro

[18] http://www.tehnium-azi.ro

[19] http://www.panourisolare.com

[20] http://www.sistemehale.ro

[21] http://www.ecoalternativ.ro

[22] http://www.greensource.ro

[23] http://www.energiialternative.net

[24] http://www.energy-consultancy.eu

[25] http://energystreet.ro

[26] www.termo.utcluj.ro/

[27] http://1000wgenerators.blogspot.ro

[28] http://www.linde-gas.ro

[29] http://fotovoltaic.ro

[30] http://www.olteniapanourisolare.ro

[31] http://blog.romstal.ro

[32] http://mmediu.ro/new/wp-content/uploads/2014/01/2011-11-07_evaluare_impact_planuri_strategiaenergeticaactualizata2011

[33] http://alea.ro/resurse/energie-regenerabila/energie-eoliana-instalatii-eoliene-turbine-eoliene

[34] http://www.fast-wolf.ro/energie-regenerabila/ce-este-energia-eoliana.html

[35] http://totb.ro/energie-verde-romania-a-treia-tara-cu-potential-geotermal-din-europa/

[36] http://documents.tips/documents/tehnologii-nepoluante.html

[37] http://www.aresong.ro/

[38] http://www.minind.ro/energie/STRATEGIA_energetica_actualizata

[39]http://cssas.unap.ro/ro/pdf_studii/securitatea_energetica.pdf

[40]http://www.minind.ro/presa_2007/septembrie/strategia_energetica_romania.pdf

[41] www.rets-project.eu/UserFiles/File/pdf/respedia/07%20Solar%20energy%20Photovoltaics/07-Solar-energy–Part-I–Photovoltaics_RO.pdf

[42] http://www.construction21.org/romania/articles/ro/potenialul-energetic-solar-al-romaniei.html

[43] http://www.zf.ro/companii/energie/harta-soarelui-care-sunt-cele-mai-bune-zone-din-romania-pentru-a-investi-intr-un-parc-solar-noul-subiect-fierbinte-al-energiei-verzi-9476382

[44] http://www.solarepanouri.ro/harta-soarelui_302_1.htm

[45]http://doctorat.ubbcluj.ro/sustinerea_publica/rezumate/2011/fizica/TAHAS_SANDU_VALER_RO.pdf

[46]http://www.minind.ro/domenii_sectoare/energie/studii/potential_energetic.pdf

[47]http://www.gazetadeagricultura.info/eco-bio/565-energie-regenerabila/11387-energie-regenerabila-in-romania.html

[48]http://www.filialaclujagir.ro/uploads/carti/Stinta_si_inginerie_-_vol.21-50808.pdf

[49] http://www.minind.ro/domenii_sectoare/energie/studii/potential_energetic.pdf

[50]http://www.realitatea.net/temperatura-medie-din-romania-creste-cu-1-grad-potrivit-scenariilor-climatice-vezi-prognoza_819286.html

[51]https://ro.wikipedia.org/wiki/Clima_Rom%C3%A2niei

[52]https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/63/Clima_de_europa_-_Mapa_tipo_Koeppen.png

[53]http://www.scribd.com/doc/127131102/Conversia-energiei-solare-in-energie-electrica#scribd

[54]http://dcem.valahia.ro/cofoterm/documents/CoFoTerm_Raport_Tehnic_Etapa3.pdf

[55]http://old.utcluj.ro/proinvent/Catalog_PRO_INVENT_2013.pdf

[56]http://785.ro/wp-content/uploads/energie-fotovoltaica-.pdf

[57]http://www.sistemepanourisolare.ro/articole/principiul-de-functionare-al-unui-panou-fotovoltaic

[58]http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/energiesrenouvelables/filieresolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Cellule/Temperature.htm

[59]http://www.em.ucv.ro/elee/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereSolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Cellule/Cellule.pdf

[60]http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_1.pdf

[61]https://earthshipromania.wordpress.com/2010/11/26/cat-de-eficiente-sunt-celulele-fotovoltaice/

[62]https://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83

[63]http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_3.pdf

[64]http://www.sistemepanourisolare.ro/articole/tipuri-de-celule-fotovoltaice

[65]http://www.lpelectric.ro/ro/support/cell_solar_ro.html

[66]http://www.scribd.com/doc/208620146/Tehnologii-industriale#scribd

dcem.valahia.ro/cofoterm/…/CoFoTerm_Raport_Tehnic_Etapa2.pdf

[67]http://www.arel.ro/download/biblioteca/doc_download/20-cofoterm-raport-tehnic-etapa1

[68]http://www.victronenergy.ro/upload/documents/Datasheet-Telecom-batteries-RO.pdf

[69]http://www.profi-solar.ro/ro~108~Orientarea-si-fixarea-sistemelor-fotovoltaice.html