Convertor Cc Ac Sinusoidal de Putere Pentru Sisteme Fotovoltaice de Alimentare cu Energie Electrica

LUCRARE DE LICENȚĂ

CONVERTOR CC – AC SINUSOIDAL DE PUTERE PENTRU SISTEME FOTOVOLTAICE DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ

(BLOCUL RIDICĂTOR DE TENSIUNE)

CUPRINS :

MEMORIU JUSTIFICATIV

II ENERGIA SOLARA

Consideratii Privind energia solara

2.1. Efectul fotovoltaic

2.3. Tipuri uzuale de celule fotovoltaice

2.3.1. Celule din siliciu monocristalin

2.3.2. Celule din siliciu policristalin 6

2.3.3. Celule din siliciu în stare amorfă

III SISTEME FOTOVOLTAICE

3.2. SISTEME FOTOVOLTAICE OFFGRID

IV Invertoare de tensiune

IV CONSIDERAȚII PRACTICE ȘI REZULTATE EXPERIMENTALE

Descrierea circuitelor de protecție

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 variantă nonelectronică precum recipientele încălzite direct la soare .

O variantă tehnologică îmbunătațită 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 .

II ENERGIA SOLARA

Consideratii Privind energia solara

Soarele s-a format cu 5 miliarde de ani in urma. Este steaua cea mai apropiata de pamant, la cca. 150 milioane kilometri distanta, iar diametrul sau e de 100 de ori mai mare decat cel al pamantului.

Energia emisa de soare provine dintr-un lant de reactii termonucleare din nucleul soarelui. Cand energia acestora atinge suprafata soarelui, puterea este de 66 milioane Watt/m2. Aceasta radiate sau energie radianta este dispersata si calatoreste de la soare spre univers.

Cand atinge atmosfera pamantului puterea sa medie scade la 1360 Watt/m2. Cand atinge suprafata pamantului, atmosfera reflecta si absoarbe o parte a radiatiei, astfel incat, intr-o zi insorita, puterea ei medie este de doar 1000 Watt/m2.

Energia radianta a soarelui contine un intreg spectru de lungimi de unda si constituie mici pachete de particule de energie numite fotoni. Lumina este formata din acele lungimi de unda vizibile pentru ochiul uman. Lumina se deplaseaza cu o viteza de 300 000 km/secunda.

Soarele incalzeste pamantul, marile, lacurile, raurile si aerul in timpul verii. Din aceasta decurge stocarea caldurii in perioada rece si aceasta este caldura ce poate fi concentrata folosind pompele de caldura.

2.1. Efectul fotovoltaic

Efectul fotovoltaic – constă în apariția unei tensiuni electromotoare la contactul dintre un semiconductor și un metal sau la contactul dintre doi semiconductori dacă regiunea de contact este iradiată cu un fascicul de lumină.

Interacțiunea dintre solid și undele electromagnetice determină, printre alte fenomene de absorbție a radiației incidente. În cazul semiconductorilor, unul din mecanismele absorbției constă în tranziția unui electron din banda de valentă în banda de conducție. Astfel numărul purtătorilor de sarcină liberi crește, la fel și conductivitatea electrică, fenomen numit fotoconductibilitate sau efect fotoelectric intern. Pentru ca acesti purtatori de sarcină să determine apariția unei diferențe de potențial este necesară redistribuirea lor între fața luminată și cea neluminată. În cazul nostru ,a celulei fotovoltaice, această redistribuire are loc datorită unui câmp intern local din semiconductor determinat de doparea diferită a semiconductorului (jontiune p-n). Diferența de energie între nivelele energetice ale materialului de bază și impurități determină intervalul de lungimi de undă care produc efectul fotoelectric. Intervalul energetic 0,2-2,3 eV corespunde intervalului de lungimi de undă de 6,2-0,5 microni deci domeniul vizbil și infrarosu apropiat.

Efectul fotovoltaic este studiat pentru prima dată de Alexandre Edmond Becquerel, în anul 1839. Primele celule fotovoltaice au fost construite de către Johann Elster și Hans Geitel, fiind utilizate la măsurarea intensității luminoase.

Celulele fotovoltaice au fost realizate cu precadere din siliciu,

O celulă fotovoltaică este alcătuită dintr-o joncțiune PN, doi electrozi, o grilă conducătoare și un strat antireflexie .

O celulă PV transformă o parte din energia radiativă primită de la soare în electricitate, pentru lungimile de undă 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 ca un electron din banda de valență a materialului să devină liber și să poată participa la conducție, acesta trebuie să absoarbă o anumită energie. Această cantitate are o valoare proprie pentru fiecare material semiconductor. Valorile uzuale pentru celulele PV sunt:

– pentru siliciul cristalin 1.12 eV (λ=111 nm)

– pentru siliciu amorf 1.65 eV (λ=75 nm)

– pentru germaniu 0.66eV (λ=88 nm)

În consecință 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 suprafața celulei într-o zonă nefavorabilă producerii energiei electrice. Surplusul de energie este transformat în căldură și conduce la încălzirea materialului.

2.3. Tipuri uzuale 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 său de fabricație.

2.3.1. 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.

2.3.2. 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 eficienta buna in cazul radiatiei difuze mari spre deosebire de celulele din siliciu monocristalin care au eficienta buna in cazul radiatiei directe mari.

Celulele de film (thin-film) ;

Alta tehnologie multicristalina unde siliconul este depozitat intr-un proces continuu pe un material de baza, rezultând o aparenta spumanta, bine impregnata. La fel ca toate fotovoltaicele cristaline, ele sunt incapsulate intr-un strat de izolație de polimer transparent cu un acoperiș din fire de sticla care in mod obișnuit sunt legate de un strat de aluminiu puternic.

2.3.3. 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%.

Silicon amorfat:

Celulele de silicon amorfat sunt compuse din atomi de silicon intr-un strat subțire .omogen mai degraba decât o structura cristalizata si absoarbe lumina mai efficient decât siliconul cristalizat, deci celulele pot fi mai subțiri. Din acest motiv siliconul amorfat este cunoscut si ca tehnologia fotovoltaica “thin film”. Siliconul amorfat poate fi depozitat pe un spectru larg de substraturi, ambele rigide si flexibile, care ii fac ideal pentru suprafețele curbate si modulele impachetabile. Celulele amofate sunt, in orice caz, mai puțin eficiente decât celulele cristaline, cu eficienta aproximativ 6% mai ridicata, dar prin urmare, ele sunt mai ieftin de produs. Costurile lor mici, le fac ideale pentru multe locații unde nu este nevoie de eficienta ridicata, si este nevoie de costuri scăzute.

Fotovoltaice subțiri de film (thin-film)

Modulele fotovoltaice subțiri de film ( thin-film) sunt fabricate prin depozitarea unor straturi foarte subțiri de material semiconductor pe o sticla sau straturi subțiri de otel inoxidabil intr-o camera de vid. Un proces de trasare cu laser e folosit pentru a separa si lega conexiunile electrice intre celulele individuale intr-un modul. Materialele fotovoltaice subțiri de film ( thin-film) oferă o mare promisiune pentru reducerea materialor necesare si costurie de producție pentru modulele si sistemele fotovoltaice.

De ce ar trebuii sa imi pun fotovoltaic pe acoperiș ?

Instalarea propriului dumneavoastră sistem fotovoltaic solar inseamna ca dumneavoastră puteti genera electricitatea dumnevoastra proprie de la sursa gratuita si interminabila adica energia solara. Un sistem fotovoltaic nu necesita niciodată realimentare, nu emite poluție si poate fi folosit peste 30 de ani in timp ce necesita reparații minime de întreținere. Un sistem fotovoltaic tipic pe un acoperiș de acasa poate prevenii peste 34 de tone de gaz cu efect de sera emise in perioada sa de funcționare.

Sistemele fotovoltaice de astazi sunt recunoscute de guvernanți, organizații de mediu si organizații comerciale, ca fiind o tehnologie cu potențialul de a furniza o parte seminificanta din energia globala necesara oamenilor intr-o forma durabila si regenerabila. Organizații precum Shell sau BP au infiintat fabrici de proiectare a fotovoltaicelor, si organizații de mediu precum Greenpeace susțin puternic sa folosim energia solara.

Insalarea unui sistem fotovoltaic e una din modurile pe care proprietarii caselor si a altor clădiri pot contribuii pentru un viitor durabil pentru toata lumea.

Cu schimbarea climatului global care ne amenința viitorul, avem nevoie de a trece la o forma de producție de energie si electricitate mai curate, regenerabila. Panourile solare electrice pot genera electricitate care nu poluează, alimentata de resursele naturale ale soarelui, care este gratuita, abundenta si inepuizabila. Greenpeace susține puternic energia solara.

Beneficiile cheie a unui acoperiș solar sunt:

Propria dumneavoastră sursa de putere care ajuta la reducerea încălzirii globale. Reduce factura la curent, din moment ce energia solara este gratuita Mărește valoarea proprietății dumneavoastră

Taxe de întreținere foarte scăzute, cu o funcționalitate de durata de 30 de ani sau mai mult.

Operare silențioasa

Creste conștientizarea dumneavoastră in folosirea electricității si injurajeaza un comportament mai efficient al energiei.

Fotovoltaic inseamna electricitate din lumina. Sistemele fotovoltaice folosesc lumina zilei pentru a aproviziona cu curent electric un echipament electric normal, de exemplu, aparate casnice, calculatoare si luminare. Procesul fotovoltaic transforma energia solara gratuita – cea mai abundenta sursa de energie de pe planeta – direct in curent ea

Creste conștientizarea dumneavoastră in folosirea electricității si injurajeaza un comportament mai efficient al energiei.

Fotovoltaic inseamna electricitate din lumina. Sistemele fotovoltaice folosesc lumina zilei pentru a aproviziona cu curent electric un echipament electric normal, de exemplu, aparate casnice, calculatoare si luminare. Procesul fotovoltaic transforma energia solara gratuita – cea mai abundenta sursa de energie de pe planeta – direct in curent electric.

O celula fotovoltaica consista in doua sau mai multe straturi de material semiconductor deobicei silicon. Când siliconul este expus la lumina, incarcarile electrice sunt generate si ele pot fi conduse de contacte de metal ca si curent continuu (CC), lesierea electrica dintr-o celula este mica, deci mai multe celule sunt conectate împreuna si sunt încapsulate ( deobicei cu sticla ) pentru a forma un modul ( cateodata numit si “panou”). Modulul fotovoltaic este blocul principal de construcție a unui sistem fotovoltaic si orice număr de module pot fi conectate împreuna pentru a da ieșirea electrica dorita.

Echipamentul fotovoltaic nu are parti care se mișca, deci necesita reparații minime. El generează curent electric fara sa producă emisii sau efectul de sera, sau orice alte gaze, si modul sau de funcționare este foarte silențios.

Sistemele fotovoltaice produc electricitate la multe aparate, variind de la sisteme pentru alimentare de curent electric la clădirii (care sunt conectate la rețeaua electrica locala) la sisteme de alimentare cu curent electric la luminile din gradina sau pentru telecomunicații la distanta si alimentarea unui releu.

Astăzi, aria de interes este conectata la sisteme fotovoltaice in rețea. Aceste sisteme sunt conectate la rețeaua electrica locala. Asta inseamna ca pe parcursul zilei, curentul electric generat de sistemele fotovoltaice pot fi folosite imediat (ceea ce este normal pentru sistemele instalate la birou sau alte clădiri comerciale), sau pot fi vândute unei companii de alimentare cu electricitate (ceea ce este mai obișnuit pentru sistemele unde ocupantul poate fi afara in timpul zilei). In acea seara când sistemul solar nu este capabil sa producă energia electrica necesara, puterea poate fi rascumparata de la rețea. Rețeaua se comporta ca un sistem de stocare de energie , ceea ce inseamna ca sistemele fotovoltaice nu au nevoie sa include baterii.

Sistemele fotovoltaice conectate la rețea sunt adesea integrate in clădiri. Tehnologia fotovoltaica este ideala când este folosita in clădiri, pentru ca produce energie electrica fara sa polueze, silențioasa si fara sa ocupe loc in plus. Folosirea fotovoltaicelor la clădiri a crescut substanțial in Marea Britanie in ultimii ani, cu multe exemple impresionante deja puse in practica.

Sistemele fotovotlaice pot fi incorporate in clădiri in multe moduri. Acoperișurile in panta sunt un loc ideal, unde modulele pot fi simplu montate folosind cadre. Sistemele fotovoltaice pot fi incorporate in construcția clădirii, de exemplu sunt țigle fotovoltaice care pot fi montate ca si țiglele obișnuite. In plus fotovoltaicele pot fi incorporate ca fațade de clădiri si luminatoare printre multe altele. Fotovoltaicele sunt in creștere pe piața in Marea Britanie , si in toata Europa si este in principal acel tip de sistem pe care Programul de Demonstrație a Fotovoltaicelor din Marea Britanie le sponsorizează.

Sistemele fotovoltaice de sine statatoare au fost folosite mulți ani in Marea Britanie pentru a furniza electricitate mașinăriilor unde furnizorii de curent din rețea nu au putut, sau le-a fost dificila conectarea. Exemplele includ sisteme de monitorizare, statii de emisii radio, telefoanele publice si iluminatul public. Mai este si o piața substanțiala pentru tehnologia fotovoltaica, acea a timpului liber, cu incarcatoare pentru baterii de barei sau caravane, precum si pentru alimentarea cu energie a echipamentului de gradina precum fântânile solare. Aceste sisteme in mod normal folosesc baterii pentru a stoca energia, iar daca o cantitate mai mare de energie este nevoie decât acestea poseda, ele pot fi combinate cu alte surse de energie – un generator de biomasa, cu o turbina de vânt sau un generator diesel pentru a forma un sistem de furnizare electric .

Tehnologia fotovoltaica este si adesea folosita in industria dezvoltării. Tehnologia este special potrivita unde rețelele electrice sunt nedemne de încredere sau inexistente, cu distanta deseori fac furnizarea curentului prin fotovoltaice sa fie cea mai economica opțiune. In plus, multe tari in curs de dezvoltare au radiații solare ridicate pe tot intervalul anului.

Influența radiației solare și temperaturii asupra caracteristicilor celulelor și modulelor PV

Caracteristicile celulei PV pentru diferite valori ale radiației solare sunt prezentate în figura 3.8 a. Constatăm, că curentul fotovoltaic de scurtcircuit este direct proporțional cu radiația solară, iar tensiunea de mers în gol variază puțin deoarece, conform (3.7), tensiunea U0 depinde logaritmic de radiația solară (Is este proporțional cu radiația) și adesea în calcule practice această variație se neglijează.

Curentul de scurt circuit, pentru diferite valori ale radiației solare G, poate fi determinat cu o aproximație satisfăcătoare cu formula:

unde: Iscst – este curentul de scurtcircuit a celulei corespunzător radiației standard Gst=1000 W/m2.

Temperatura celulei PV influențează semnificativ asupra tensiunii de mers în gol și cu mult mai puțin asupra curentului de scurtcircuit (vezi figura 3.8 b). Odată cu creșterea temperaturii tensiunea de mers în gol scade. Pentru celule din siliciu coeficientul de variație a tensiunii cu temperatura KT este egal cu 2,3 mV/ 0C. Astfel parametrul U0 pentru temperaturi diferite de cea standard se va calcula cu expresia:

unde: U025 – este tensiunea de mers în gol a celulei PV la temperatura standard;

t – este temperatura curentă a celulei, 0C.

În calculele de proiectare variația curentului de scurtcircuit și a factorului de umplere FF cu temperatura este neglijată.

III SISTEME FOTOVOLTAICE

Istoria Fotovoltaicelor

Primul fotovoltaic convențional au fost produse in anii 1950, si in întregime in anii 1960 unde au fost folosite pentru a produce curent electric pentru sateliții ce orbiteaza in jurul pământului. In anii 1970, modificările in manufacturare, performanta si calitate a modulelor fotovoltaice au ajutat la reducerea costurilor si a deschis multe oportunități pentru alimentarea unor dispozitive terestre la distanta, inclusiv incarnarea bateriilor pentru ajutorul navigării, semnalelor, echipamentelor de telecomunicație si alte dispozitive reduse de putere.

In anii 1980 fotovoltaicele au devenit o sursa de alimentare populara pentru dispozitivele consumatoare de curent, inclusiv calculatoare, ceasuri, radio, lanterne si alte aparate cu mici incarcari de baterii. Urmând ergetica din anii 1970, eforturi semnificante au fost făcute pentru a dezvolta puterea sistemelor fotovoltaice pentru folosirea lor atat in scopuri comerciale si rezidențiale , de sine statatoare, pentru alimentarea la distanta, cat si pentru dispozitivele utilitate-conectate. In aceeași perioada, aplicații internaționale pentru sistemele fotovoltaice pentru a alimenta clinici de sanatate rurala, refrigerare, pompe de apa, telecomunicații si gospodarii au crescut dramatic, ramane o mare parte pe piața globala pentru produse fotovoltaice si in present. Astăzi producția industriala a modulelor fotovoltaice sunt in creștere cu aproximativ 25% annual, si programe majore din U.S.A., Japonia si Europa grăbesc implementarea sistemelor fotovoltaice pe clădiri si in interconectarea in rețelele utilitare.

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 livreaza energia electrică produsă în SEN (Sistemul Energetic Național);sisteme offgrid care sunt sisteme independente (sisteme insularizate). 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.

Sistemele fotovoltaice se mai numesc si centrale fotoelectrice, parcuri fotovoltaice sau ferme fotovoltaice si au puteri instalate de la câteva sute de wati pâna la ordinul zecilor si sutelor de MW.

Pentru a încuraja investițiile în sisteme fotovoltaice conectate la rețea, Uniunea Europeana acordă finanțări atât pentru achiziția echipamentelor cât și pentru subvenționarea prețului de achiziție a energiei furnizate in SEN. Durata normală de viața a unui sistem fotovoltaic, pentru o putere de ieșire mai mare de 80 % din valoarea inițială, este de 25 de ani, iar perioada de garanție de 5 -10 ani de la livrare.

În componența unui sistem fotovoltaic conectat la SEN intră un generator fotovoltaic format dintr-un număr bine determinat de panouri, unul sau mai multe invertoare de rețea ,un sistem pentru măsurarea energiei electrice produse si echipamentul de conectare si protecție adecvat. Sistemele fotovoltaice de rețea nu au în compunere baterii de acumulatori, iar energia electrică produsă pe durata zilei este utilizata pentru consum propriu sau injectată în SEN pentru a fi utilizata de alți consumatori.

La sistemele offgrid energia produsă de panourile solare alimenteaza consumatorii conectați dar și acumulează energie pentru alimentarea consumatorilor atunci când energia solară este insuficienta sau nu există (noaptea). Din această cauză pe lânga panouri, sistemele offgrid 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.

Alegerea corectă a componentelor unui sistem fotovoltaic, a panourilor fotovoltaice, invertoarelor și a bateriei de acumulatori este un proces laborios în care proiectantul trebuie să țină cont de parametrii tehnici ai panourilor fotovoltaice, variațiile de temperatură, coeficienții de variație cu temperatura ai puterii de ieșire și ai tensiunii la puterea maximă a panourilor fotovoltaice, nivelul și variația radiației solare, plaja și valoarea maximă a tensiunii de intrare a invertoarelor de rețea, curentul de încărcare maxim al încărcătoarelor și controlerelor de încărcare și al invertoarelor de baterii, tipul rețelei, locul de montaj, curba de consum, etc.

Funcționarea în sarcină a modulului PV

S-a menționat, că celula PV, respectiv modulul PV, are cele mai bune performanțe în punctul M (vezi figura 3.7) unde puterea debitată pe sarcină este maximală. Totodată, variația radiației globale și a temperaturii provoacă modificarea caracteristicii I-U a modulului PV. De asemenea, diferiți consumatori posedă diferite caracteristici I-U. Ca rezultat, punctul de funcționare a subsistemului modul PV – sarcină (punctul de intersecție a caracteristicilor I-U ale modulului și sarcinii) nu va coincide cu punctul M.

În figura 3.16 sunt prezentate caracteristicile I-U a trei din cei mai răspândiți consumatori: rezistor, motor de c.c. cu magneți permanenți și un acumulator. Se prezintă și caracteristica unui consumator ideal pentru care punctul de funcționare întotdeauna coincide cu punctual optimal M. Caracteristicile I-U se descriu cu următoarele expresii analitice:

Rezistor:

Motor de c.c.:

Acumulator:

unde: U – este tensiunea modulului PV;

k – constanta motorului;

Φ – fluxul de excitație;

Ω – viteza de rotație;

Ri – rezistența indusului;

E0 – tensiunea la mers în gol a acumulatorului;

Rint – rezistența interioară a acumulatorului.

La pornirea motorului de c.c. curentul absorbit de la modul este maximal și este aproape de cel de scurtcircuit. Deși tensiunea pe indus este minimală, pornirea are loc datorită cuplului creat de produsul kΦIsc.

Dacă U = E0 acumulatorul este încărcat și nu va consuma curent, în caz contrar curentul de încărcare va crește odată cu creșterea radiației globale, respectiv cu tensiunea. Odată cu creșterea curentului de încărcare crește căderea de tensiune IRint. Din figura 3.16 se constată că sarcina de tip rezistor sau motor de c.c. nu va funcționa în punctul optimal la variația radiației. Va trebui să modificăm caracteristica I-U a modulului PV sau a sarcinii pentru a urmări punctul de funcționare optimală. În acest scop se folosesc convertoare electronice c.c./c.c. numite MPPT (din engleză Maximum Power Point Tracker). MPPT se conectează între modulul PV și sarcină și el modifică tensiunea la ieșire astfel ca să se asigure urmărirea punctului optimal de funcționare.

În figura 3.17 sunt puse în evidență două cazuri de urmărire a punctului maximal – folosind tehnologia MPPT (figura 3.17 a) și prin modificarea sarcinii (figura 3.17 b). În primul caz avem două sarcini cu caracteristici I-U diferite, care pentru simplitate se admit liniare. Pentru ambele sarcini constatăm o deviere esențială a punctelor de funcționare A, B și D, C de la punctele optimale M1 și M2. În aceleași coordonate sunt trasate hiperbolele I=Pmax1/U și I=Pmax2/U. În orice punct al hiperbolelor menționate, puterea Pmax1 sau Pmax2 sunt mărimi constante și respective egale cu puterea maximală debitată în punctul M1 sau M2.

Fie că subsistemul modul PV – Sarcina 1 funcționează în punctul B în condiții de radiație globală egală cu G1. Pentru a obține de la modul o putere maximală ar trebui să modificăm caracteristica I-U a sarcinii astfel ca să se intersecteze în punctul M1. Același rezultat poate fi obținut dacă micșorăm tensiunea și mărim curentul în comparație cu punctul M1 deplasându-ne pe hiperbolă în punctul Bmax. Analog procedăm dacă se micșorează radiația de la G1 la G2. În cazul sarcinii 2 pentru a urmări punctul maximal va trebui să procedăm invers – să majorăm tensiunea și să micșorăm curentul (compară punctul Cmax cu C sau Dmax cu D). Convertorul electronic MPPT trebuie să modifice tensiunea și curentul, astfel, ca la ieșire produsul acestora să fie constant și egal cu puterea maximală generată de modulul PV expus radiației globale G. În unele cazuri specifice urmărirea punctului de putere maximală poate fi realizat prin modificarea caracteristicii I-U a sarcinii, așa cum este ilustrat în figura 3.17 b. Pentru radiația solară maximală și egală cu G1 subsistemul modul PV- sarcina R1 va funcționa în punctul M1, în acest caz contactele K1 și K2 sunt închise. La o valoare medie a radiației solare egală cu G2, contactul K2 se deschide, caracteristica sarcinii I-V se modifică și subsistemul va funcționa în punctul M2. Dacă radiația solară continuă să se micșoreze, se deschide contactul K1 și subsistemul va funcționa în punctul M3.

Subsistemul modul PV – acumulator nu necesitatea utilizarea tehnologiei MPPT, deoarece, dacă deplasăm caracteristica I-V spre dreapta (figura 4.16) ea va fi aproape de cea ideală. În schimb, acumulatorul necesită o supraveghere automată a gradului de încărcare și descărcare pentru a evita deteriorarea acestuia.

Decizia proiectantului de-a utiliza sau nu tehnologia MPPT se va face în rezultatul calculului economic. Trebuie să luăm în considerație costul convertorului MPPT, pierderile de energie în MPPT (randamentul convertoarelor moderne c.c./c.c. este de 90-95 %), respectiv câștigul de putere la funcționarea subsistemului MPPT în regim optimal. Conform datelor disponibile, urmărirea punctului de putere maximală în sistemele PV de pompare, ridică debitul cu minimum 20 %.

În continuare analizăm principiul de funcționare ale convertoarelor c.c./c.c., care asigură realizarea urmăririi punctului de putere maximală. Adesea aceste convertoare sunt numite amplificatoare liniare de curent, în engleză – Linear Current Booster (LCB).

3.2. SISTEME FOTOVOLTAICE OFFGRID

Sistemele fotovoltaice offgrid (independente) au schema de principiu de mai jos.

Panourile solare se leagă în grupe (stringuri) în serie funcție de tensiunea maximă admisa de încărcător (solar controler) la intrare. Pentru mărirea puterii se pot lega mai multe astfel de grupuri în paralel. Și aici trebuie urmărit să nu fie depăsit curentul maxim al încărcătorului. Pentru puteri mai mari se pot pune mai multe încărcătoare în paralel.

Controlerul alimentează sarcina electrică direct în curent continuu sau prin invertor în curent alternativ. Atunci când energia produsă de panouri este mai mare decât sarcina, încărcătorul încărca bateria de acumulatori. Când energia este insuficientă, tot prin încărcător bateria suplinește deficitul de energie. Tot încărcătorul oprește încărcarea bateriei când bateria este încărcata 100% și oprețte descărcarea bateriei când s-a atins nivelul minim pentru a-i prelungi viața. Acestea sunt cele două mari funcții ale încărcătorului. El trebuie să facă toate acestea cu un randament energetic cât mai bun.

Cele mai multe aplicații sunt alimentarea consumatorilor izolați.

Poate fi instalat un sistem fotovoltaic pe clădirea mea ?

Cea mai importanta intrebare sa se ia in considerare decide daca da sau nu un sistem fotovoltaic poate fi instalat pe o clădire si ce timp de sistem ar trebuii sa fie instalat, sunt:

> este un loc potrivit pe clădire unde sa poata fi montat matricele (luând in calcul orientarea, zona disponibila si umbra) .Ce tip de sistem fotovoltaic ar fi potrivit ? este nevoie de permisiunea de construcție ?

Modulele fotovoltaice pot fi montate pe aproape orice suprafața a unei clădiri care are contact cu soarele cea mai mare parte a zilei. Acoperișurile sunt in mod obișnuit locația sistemelor fotovoltaice pe case, dar modulele fotovoltaice pot fi montate si pe fațade, parasolare, etc.

Suprafața pe care matricele fotovoltaice sunt montate ar trebuii sa primească cat de multa lumina posibila. Cu cat mai multa lumina primește matricea solara, cu atat generează mai mult curent electric. Cele trei probleme care afecteaza cat de multa lumina primește o suprafața, sunt:

Orientarea: Spre sud este cea mai buna orientare posibila. Daca fotovoltaicul este montat pe o fațada verticala, orientarea ar trebuii sa fie preferabil intre sud est si sud vest. Daca fotovoltaicul va fi montat in înclinare, vor fi mai multe orientări in care se obțin o producție de energie rezonabila. Orientarea inspre nord ar trebuii sa fie evitata, înclinarea: Un matrice inclinat primește mai multa lumina decât una verticala. Indiferent de unghiul de înclinare a matricei intre vertical si 15° orizontal va putea fi folosita. O inclinare minima de 15° de orizontala este recomandata sa permită ploii sa spele praful de pe matrice

Umbra: Umbrele date de copacii inalti si clădirile din cartier trebuie luate in considerare. Orice umbra minora poate însemna pierderi semnificante de energie. Daca umbrirea este inevitabila, proiectantul dumneavoastră de sistem va poate sfatuii cum sa micosrati efectul umbrei privind cantitatea de energie electrica produsa.

Suprafața necesara pentru montarea matricelor fotovoltaice depinde de puterea de ieșire dorita si de tipul modului folosit. O zona de aproximativ 8m2 va fi necesara pentru a monta o matrice cu o putere de ieșire de 1kW, daca modulele monocristaline sunt folosite( cele mai eficiente tipuri de module). Daca modulele multicristaline sunt folosite , va fi nevoie de o zona de aproximativ 10m2 pentru 1kWp sistem , iar daca vor fi folosite modulele amorfate o zona de aproximativ 20m2 va fi necesara. Aceste zone pot fi calculate mai mari, sau mai mici, in funcție de puterea care va este necesara. 1-3 kWp este puterea normala de ieșire pentru un sistem casnic, totuși pot fi instalate sisteme mai mari sau mai mici.

Sunt multe feluri in care o matrice fotovoltaica poate fi instalata pe o clădire. Variațiile de opțiuni oferă aspecte diferite si variații in costuri. Modul obișnuit de montare a unei matrice pe o casa este de a aceea de a fi montata pe acoperiș, sau modulele sa fie montate in cadre deasupra acoperișului. Daca matricele vor fi integrate in acopresis, țiglele fotovoltaice vor fi folosite in locul modulelor.

Matricele fotovoltaice pot fi monate de asemeni si pe acoperișuri plate, pe pereți sau pe alte structuri precum pergole, sau golfurile de parcat mașini.

Acoperișurile fotovoltaice in mod normal nu necesita permisiune de construcție doar daca clădirea este listata sau intr-o zona conservatoire. Oricum ar trebuii sa consultați consiliul pentru a verifica politica locala.

Ce cantitate de energie electrica va genera un sistem ?

Un sistem matric fotovoltaic înclinat spre sud va genera aproximativ 750/1500kWh/an pentru kWp instalat (in Europa). Deci un sistem normal de 2kWp ( aproximativ 20m2 de module multicristaline) va genera aproximativ 1500/3000 kWp / an. Ieșirea va fi redusa de umbra sau orientări mai puțin optime, sau unghiuri inclinate.

Cat de mult va costa un sistem ?

Un preț normal pentru o clădire conectata la rețea , cu sistem fotovoltaic integrat, sistemul este intre 6-7 euro / Wp, rezultând un preț de 12.000-14.000 euro pentru un sistem de 2kWp pentru o casa.

Sunt mai mulți factori care influențează costul acestui sistem :

Vremea sau nu, sistemul va fi montat in timp ce clădirea este in construcție, sau se va modifica pentru a se potrivii cu clădirea finalizata. Daca sistemul este instalat pe o clădire in construcție, se vor face niște economii, de exemplu, numărul țiglelor necesare ar putea fi redus.

Numărul sistemelor fotovoltaice care vor fi instalate in același timp. Un proprietar de casa, care intaleaza sistemul pe mai multe case se poate aștepta la un preț mai redus decât un singur proprietar de casa.

Marimea sistemului care va fi instalat, un sistem mai mare poate fi mai ieftin/kWp in timp ce un sistem mai mic poate fi mai scump.

Cat de dificila, sau ușoara este accesarea zonei in care sistemul fotovoltaic va fi instalat. Prețul obișnuit se aplica la instalația pe un acoperiș normal de casa, daca acopersiul are o forma mai complicate sau necesita schele, prețul va fi mai ridicat.

Prețul normal este bazat pe module standard, sistemele de tip incliat sunt oarecum mai scumpe. Cele mai scumpe sisteme folosesc modulul cu sticla semitransparenta la fațade , sau acoperișuri.

Avantajele celulelor fotovoltaice

Independența energetică.

Combustibilul (lumina solară) este gratis.

Funcționarea celulelor fotovoltaice nu generează zgomot sau poluare.

Modulele fotovoltaice sunt extrem de sigure și fiabile, cu rate mici de defectare și durate de viață de 20-30 ani.

Sistemele fotovoltaice pot fi folosite atât în generarea centralizată cât și distribuită a energiei electrice.

Dezavantajele celulelor fotovoltaice

Diferite tipuri de materiale semiconductoare sunt potrivite numai pentru anumite game spectrale.

O anumită cantitate din surplusul energiei fotonului este transformată în căldură și nu în energie electrică.

O zonă specifică a energiei radiante nu poate fi utilizată deoarece cuantele de lumină (fotonii) nu au suficientă energie pentru a activa purtătorii de sarcină.

Pierderi de natură optică precum umbrirea suprafeței celulei la contactul cu sticla sau reflectarea razelor incidente pe suprafața celulei.

Cum calculam eficiența unui panou fotovoltaic?

Eficiența panoului determină, deci, puterea furnizată pe unitatea de suprafață. Eficiența maximă a unei celule solare fotovoltaice este dată de ecuația:

Unde :

– eficiența maximă

– puterea maximă

sau ES -fluxul de radiație incidență [W/m2] – cantitatea de lumină solară care ajunge pe pământ

– aria colectoare

Care este eficiența la care trebuie să ne așteptăm?

Panouri pe baza de siliciu:

Sharp 235W Solar Panel, Monocrystalline, Clear, NU-U235F1 cu o densitate energetică de 144,23 W/m2

Suntech Polycrystalline 210w Solar Module (STP210-18/Ubl) cu o densitate energetică de 142,837 W/m2

BP 200 watt solar module, SX3200B cu o densitate energetică de 142,298 W/m2

Panouri hibride:

PV-THERM-185 cu o densitate energetica de 142.30 W/m2

PV-THERM-190 cu o densitate energetica de 146.15 W/m2

Panouri care captează lumina din orice unghi (Matricea solara):

SPHELAR DOME cu o densitate energetica de 148.15 W/m2 Folosind metoda Electre, luăm în calcul prețul, densitatea de energie,

puterea, durata de viata, randamentul, am găsit ca fiind varianta optimă: SPHELAR DOME.

Matricea solara

Matricea solară care captează lumina din orice unghi e în măsură să capteze chiar și lumina reflectată, indirectă, spre a o transforma in energie electrică. Unul din neajunsurile prezentate de sistemele de panouri solare îl reprezintă conformația plată a acestora, care le limitează eficiența, în funcție de poziția în care se afla față de soare.

S-a cautat proiectarea unui produs în măsură să reunească, într-o unică matrice, minuscule celule solare sferice, dispuse astfel încât conformația întregii unități să permită producerea unei cantități de energie net superioară panourilor solare clasice.

Aplicatii ale sistemelor fotovoltaice

Autovehicolul solar

Autovehiculul solar este un vehicul electric alimentat complet sau in mod semnificativ de catre energia solara.

Energia solara – cea mai mare resursa naturala de energie a omenirii

Solutii tehnologice eficiente- pentru transformarea energiei solare in energie electrica

AVANTAJE

POLUARE ZERO-prieten al mediului

FIABILITATE CRESCUTA

SIGURANTA

CONFORT

COST MENTENATA SCAZUT

DEZAVANTAJE

AUTONOMIE LIMITATA

COST DESTUL DE RIDICAT

Diagrama bloc unitate solara

Soare -> Panouri solare -> Acumulatori -> Motor de curent continuu -> Transmisie-Roti motoare vehicul

Descriere functionare :

Soarele este sursa principala de energie pentru functionarea vehiculului.

Energia de la Soare este captata de panourile solare și este convertită în energie electrică.

Energia electrica incarca bateriile de acumulatori care vor alimenta un motor de curent continuu ,conectat cu arborele motor si transmisia automobilului.

Bateriile sunt inițial incarcate, ajutand la completarea ciclului de incarcare-descarcare a bateriilor

Cea mai rapidă mașină solară

Cea mai rapidă mașină cu energie solară atinge 88 km/h. O mașină care folosește aceeași cantitate de energie ca un prăjitor de pâine (1400 W) este cel mai rapid autovehicul solar din lume. Numită ,,Sunswift", ea a fost creată de o echipă de studenți de la Universitatea New South Wales din Sidney, Australia. Aceasta a bătut un nou record această lună atingând viteza de 88 km/h, depășind cu aproape 10 km/h recordul anterior accare îi aparținea proiectului GM Sunraycer.

Energie solară la gătit

Studenții de la Facultatea de Știință și Tehnologia Materialelor a Universității Tehnice din Cluj-Napoca, în cadrul unei acțiuni ecologice „Materiale-responsabilitate-mediu” au prezentat tehnologii nepoluante, ecologice care pot fi folosite pentru gătit în aer liber. Campania a fost una de responsabilizare pentru a aborda un stil de „viață verde”. „Aparatura” folosită pentru a capta razele solare a constat într-o antenă de satelit acoperită cu vinil și umbrele acoperite cu folie de aluminiu autocolantă. „Gătitul ține un pic și de soare și durează puțin mai mult, dar merită” a spus o studentă. În cadrul demonstrațiilor respective studenții au prăjit cartofi și mititei cu ajutorul energiei solare. Folosind aceste tehnologii temperatura în vas poate ajunge până la 1000 de grade. Se poate folosi orice obiect rotund și material reflectorizant pentru a crea un „aragaz” ecologic. Antena care a fost folosită pentru prepararea cartofilor, avea circumferința de 2 metri și cu ajutorul ei se poate prepara orice tip de mâncare. Celelalte „aparate” mai mici, precum umbrelele, se folosesc pentru prepararea lucrurilor simple, cum ar fi ochiurile de ou.

În aprilie 2009 un norvegian cu studii în Statele Unite (Berkeley, California) și care trăiește în Kenya, Jon Bohmer, a luat un premiu „verde” de 75 000 de dolari (568 000 coroane norvegiene) pentru un cuptor solar foarte ieftin: costă doar 6,6 dolari (5 euro). Cu ajutorul cuptorului se poate găti mâncare în caserole, fierbe apă sau chiar coace pâinea. Este alcătuit din două cutii, una în alta, acoperite cu un geam acrilic, care lasă radiația solară să intre, dar împiedică radiația din interior să iasă. Cutia interioară este vopsită în negru iar folia argintie din exterior facilitează concentrarea căldurii, în timp ce un strat de paie sau ziare dintre cele două asigură izolarea. Cuptorul se adresează celor trei miliarde de persoane care folosesc lemne de foc pentru a găti în țările în curs de dezvoltare. Barbara Kerr and Sherry Cole au fost primii promotori serioși ai cutiei solare de gătit în anii 70 iar planurile acesteia puteau fi găsite într-o carte publicată de Peace Corps în anii 60.

Cuptoarele solare permit purificarea apei prin încălzirea acesteia. O apă încălzită la 65 grade îndepărtează bolile întâlnite în cazul apei de proastă calitate, prezentă adeseori în țările în curs de dezvoltare și responsabilă pentru milioane de decese. Pe de altă parte fumul degajat de gătirea cu lemne dă naștere unor boli respiratorii responsabile de decesele a 1,6 milioane de persoane/an în întreaga lume. De asemenea, prin folosirea cuptoarelor solare sunt evitate despăduririle și emisiile de dioxid de carbon în atmosferă.

Obiceiul de a pune o cutie la soare pentru a coace pâine sau a prepara alte alimente era întâlnit și în România (în special în sudul țării: Dobrogea, Bărăgan, Oltenia)

Primul tren de mare viteză european alimentat cu energie solară

Primul tren din Europa alimentat cu energie produsă de panouri solare a fost trenul internațional de mare viteză de pe ruta Paris-Amsterdam. Energia sa provine de la panourile solare instalate pe tunelul care acoperă calea ferată. Tunelul, lung de 3,5 kilometri, situat lângă Antwerp, nordul Belgiei, este acoperit cu 16 000 de panouri solare pe o suprafață de 50 000 metri pătrați. Instalația solară produce 3300 de megawatt. Cantitatea de energie electrică ar putea acoperi consumul mediu anual a 1000 de gospodării. Proiectul, denumit „Enfinity”, a implicat costuri de 15,6 milioane de euro și reduce emisiile de CO2 cu 2400 de tone pe an.

Corturi solare

Armata Statelor Unite a decis să doteze corturile cu trei tipuri de panouri solare fotovoltaice în incercarea de a optimiza și de a îmbunătăți eficienta soldaților aflați in misiune. Corturile vor profita de condițiile solare favorabile în zonele de conflict pentru a alimenta dispozitivele electronice atât de necesare soldaților pe teren. Capacitatea acestor panouri variază intre 200 si 300 de watti per cort. Sistemul va ușura situația soldaților, care nu vor mai fi nevoiți să-și care peste tot baterii de rezervă.

În 2009 Orange în parteneriat cu firma americană Kaleidoscope au creat un concept ultra-modern de cort. Acesta are o instalație de panouri solare prin care este captată suficientă energie pentru ținerea în funcțiune timp de mai multe ore a câtorva aparate electrice personale sau încărcarea bateriilor lor dacă utilizatorii au rămas fără acumulatori. Celulele își ajustează singure poziția astfel încât să fie cât mai mult timp expuse razelor solare. Energia este stocată până când utilizatorii decid să o folosească fie prin punerea în funcțiune a laptop-ul ui, a telefonului sau a altor gadget-uri. O altă funcție utilă constă în sistemul "glo-cation" care transmite un semnal către telefonul mobil, astfel încât poziția în care a fost amplasat cortul să poată fi reperată. Cortul solar are, de asemenea, un display LCD flexibil care afișează energia generată sau consumată și puterea semnalului de internet. În plus, sistemul permite încălzirea interiorului dacă temperatura scade sub valoarea setată

STOCAREA ENERGIEI

Stocarea energiei se face in baterii reîncărcabile sau acumulatori .

Acumulatorii sunt echipamente ce transforma energia chimica in electricitate . Acumulatorii sunt un mod eficient de a face electricitatea portabila. In plus,acumulatorii furnizeaza energie in scopul de a inlocui energia electrica furnizata de reteaua electrica. 

Pe masura ce intregul glob devine dependent de electricitate, mobilitatea bateriilor joaca un rol si mai important in viata de zi cu zi.

Caracteristicile unui acumuator de calitate :

– curba de descărcare sa aibe un platou cat mai mare (să poata furniza aceasi tensiune de-a lungul întregii perioade de funcționare)

– sa poată fi încărcat de căt mai multe ori

– durata de încărcare căt mai scurtă

-să nu se autodescarce ăn timp (dacă nu este folosit) , adică autodescprcarea să aibe o valoare foarte mică

-să conțină cât mai puține substanțe toxice și să fie reciclabil

Acumulatorii utilizeaza diferite combinatii chimice precum : plumb-acid, nichel-cadmiu (NiCd), nichel-metal hibrid (NiMH), litiu-ion (Li-ion) și litiu-polimer ion (Li-ion polimer).

Baterii NiCd

Bateriile NiCd sunt disponibile ca produse comerciale de mai multe decenii demonstrând-și performanțele. Ele 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 minus 20°C iar cele proiectate pentru condiții speciale pot funcționa chiar sub minus 50°C. Totuși bateriile NiCd au o problemă de imagine datorită conținutului de cadmiu, care este cunoscut ca un element neacceptat din punct de vedere al protecției mediului.

Pe piață sunt diferite tipuri de baterii NiCd diferențiate prin tehnologia de realizare a plăcilor și cea de tratare a degajărilor de gaze.

Reacțiile de bază sunt aceleași pentru toate variantele constructive de baterii NiCd.

2NiOOH + 2H2O+ Cd 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 (1)

Pe parcursul descărcării, NiOOH care este trivalent este redus prin consumul apei la Ni(OH)2 ce este bivalent. Cadmiu este oxidat la Cd(OH)2. Reacția reversibilă inversă are loc în procesul de încărcare.

Electrolitul care este hidroxidul de potasiu (KOH) nu suferă, în timpul procesului de încărcare sau descărcare, modificări semnificative de concentrație sau densitate. Numai apa, care este prezentă în concentrație ridicată, participă la reacție. Densitatea electrolitului este de aproximativ 1,2 g/cm3.

Bateriile NiCd sunt disponibile cu electrolit lichid și sub formă de gel pentru cele fără întreținere.

Tensiunea nominală a unei celule NiCd este 1,2 V. Cu toate că rata de descărcare și temperatura influențează semnificativ comportamentul la descărcare a tuturor celulelor electrochimice, acest efect este mult mai puțin pronunțat la bateriile NiCd decât la bateriile plumb-acid. În consecință bateriile NiCd pot fi descărcate la rate de descărcare ridicate fără ca valoarea capacității să se modifice mult sub capacitatea nominală. Chiar și pentru rate de descărcare de 5 x C5, bateriile NiCd de înaltă performanță pot furniza de la 60% până la 80% din capacitatea nominală. De asemenea, influența temperaturii asupra capacității este relativ mică deoarece procesul de difuzie are un impact mai mic asupra cineticii reacției decât în cazul bateriilor plumb-acid.

Temperaturile ridicate, de 40°C sau peste, trebuie evitate deoarece randamentul de încărcare devine foarte scăzut iar rata de autodescărcare crește semnificativ. La 20°C rata de autodescărcare este de ordinul 20%/lună. Randamentul energetic este de 60 până la 70%, cu mult mai mic decât cel al bateriilor plumb-acid.

Bateriile NiCd pot suporta, fără a se deteriora, șocuri precum: rezistență ocazională la descărcare profundă, inversare de polaritate sau înghețarea celulelor.

Celulele NiCd au o rezistență internă mică. Valorile uzuale ale rezistenței interne în curent continuu variază între 0.4 și 2 m pentru o celulă de 100 Ah complet încărcată. Rezistența internă, pentru toate tipurile de celule, variază invers proporțional cu dimensiunea celulei. Temperaturile scăzute și diminuarea stării de încărcare conduc la creșterea rezistenței interne, dar rezistența internă rămâne aproximativ constantă dacă profunzimea descărcării (DOD) rămâne sub 60 – 80 % și doar pentru valori mai ridicate ale DOD aceasta crește semnificativ. Astfel, rezistența internă nu este un parametru pe baza căruia să se poată determina starea de încărcare.

În condiții normale de funcționare, o baterie NiCd poate atinge până la 2000 de cicluri de descărcare complectă (100% DOD) 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. Bateriile de pornire pentru generatoarele diesel ating o durată de viață de aproximativ 15 ani iar bateriile staționare au durata de viață de 15 până la 25 de ani. Pentru a se asigura o durată de viață mare este necesar să se realizeze o încărcare corespunzătoare (la factori de încărcare de aproximativ 1,2), dese supraîncărcări precum și descărcări totale frecvente.

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. De asemenea, reactanții implicați nu sunt foarte corozivi în raport cu electrozii și celelalte componente din celulă.

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 ciclare în care a funcționat o perioadă lungă de timp. Astfel dacă pentru o perioadă prelungită de timp, bateria a efectuat cicluri până la un anumit nivel de profunzime a descărcării (DOD) ea tinde să-și limiteze descărcarea la acel nivel al DOD chiar dacă se dorește o descărcare mai accentuată la curenți de descărcare mari. Acest efect poate fi eliminat prin descărcarea repetată a bateriei cu valori scăzute ale curentului. De remarcat că “efectul de memorie” nu mai este așa de pronunțat la bateriile NiCd moderne.

Cu toate că bateriile NiCd au caracteristici electrice bune, ele nu sunt foarte prezente în sistemele autonome de furnizare a energiei datorită costurilor ridicate. Costurile de investiții pentru bateriile NiCd sunt de aproximativ 3 ori mai mari decât cele pentru bateriile plumb-acid.

Baterii Nichel- Hidrură Metalică (NiMH)

Materialul activ pentru electrozii pozitivi ai bateriilor nichel-hidrură metalică (NiMeH sau NiMH) în starea sa încărcată este NiOOH același ca în cazul bateriilor NiCd. Materialul activ negativ în starea încărcată este hidrogenul ca un constituent al hidrurii metalice. Aliajul de metal asigură procesul reversibil de absorbție/eliminare a hidrogenului pe parcursul încărcării și respectiv a descărcării celulei. Reacția pentru procesul reversibil de încărcare/descărcare este prezentată mai jos.

NiOOH + MH Ni(OH)2 + M (2)

Componenta principală a electrolitului este o soluție apoasă de hidroxid de potasiu. În celulele nichel-hidruri metalice cu gel se utilizează o cantitate mică de electrolit, ce este în cea mai mare parte absorbit în separator și de electrozi. În celulă oxigenul poate fi transportat de la electrodul pozitiv la cel negativ unde se recombină cu hidrogenul formând apa. Astfel, celula poate fi utilizată ca o celulă uscată și poate fi astfel instalată în orice poziție dorită.

Caracteristica de descărcare a celulelor nichel-hidrură metalică cu gel este foarte similară cu cea a celulelor NiCd cu gel. Tensiunea la funcționarea în gol este cuprinsă între 1.25 și 1.35 V/celulă iar tensiunea nominală este de asemenea 1.2 V.

Caracteristicile electrice sunt aproape identice cu cele ale bateriilor NiCd cu deosebirea că randamentul energetic este de 80 până la 90% iar puterea maximă disponibilă este mai mică decât a bateriilor NiCd. Ultimul aspect are mai puțină relevanță în cadrul sistemelor autonome de furnizare a energiei. Efectul de memorie este mai puțin pronunțat decât la bateriile NiCd. Autodescărcarea la 25°C este de asemenea de ordinul 20%/lună dar la 45°C ea este mai mare de 60%/lună.

Bateriile nichel-hidrură metalică nu sunt la fel de robuste ca și bateriile NiCd la inversarea polarității. Dacă electrodul pozitiv preia un potențial negativ, la electrodul se generează la electrodul pozitiv. O parte din gaz poate fi absorbit de metalul electrodului negativ, dar restul rămâne în stare gazoasă în celulă. Dacă descărcarea continuă, se formează oxigen la electrodul negativ ce produce creșterea suplimentară a presiunii gazului și conduce la oxidarea metalului electrodului. Când suprapresiunea este suficient de mare, se deschid ventilele de siguranță și presiunea scade din nou. Pentru a elimina acest inconvenient, mai ales în cazul în care sunt utilizate șiruri cu multe celule serie, se impun luarea unor măsuri corespunzătoare. Bateriile nichel-hidrură metalică au înlocuit bateriile NiCd pe piața 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 (Figura 6). Totuși, bateriile NiMH nu sunt disponibile comercial la capacitățile mari necesare sistemelor autonome de furnizare a energiei. Motivul principal îl reprezintă costul care este de aproximativ de 5 ori mai mare decât al bateriilor plumb-acid. În prezent, nu sunt indicii ca bateriile NiMH să joace un rol major ca unități de stocare în cadrul sistemelor autonome de furnizare a energiei, excepție făcând aplicațiile de mici de ordinul zecilor de Wați. Este mult mai probabil ca bateriile cu litiu să poată intra pe această piață iar bateriile NiMH reprezintă mai mult o tehnologie intermediară între bateriile NiCd și cele cu litiu.

Baterii alcaline cu mangan reîncărcabile (RAM)

Pentru multe decade celulele alcaline cu mangan au fost binecunoscute ca baterii primare. Această tehnologie a intrat pe piața bateriilor secundare în urmă cu puțin timp. Inițial, bateriile primare erau utilizate și reîncărcate. Mult mai recent, au apărut pe piață celule RAM special proiectate ca baterii secundare. Tensiunea nominală este 1.5 V/celulă și deci cu 25% mai mare decât a bateriilor NiCd sau NiMH. În prezent pe piață se găsesc numai baterii mici cu capacitate de până la 5Ah. Ele sunt semnificativ mai ieftine în comparație ce bateriile NiCd. Celule RAM au rezistență internă mai mare decât a celorlalte baterii analizate în lucrare. Comparativ cu bateriile NiCd, bateriile RAM 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 complecte (100% DOD). Totuși, dacă bateria funcționează în cicluri ușoare (de 1 până la 5% DOD) atunci se pot atinge câteva mii de cicluri încărcare/descărcare. Chiar dacă celulele RAM un sunt în prezent destinate sistemelor de alimentare autonome, ele 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.

Baterii Litiu Ion și Litiu Polimer

Bateriile cu litiu reprezintă tehnologia ce a cunoscut în ultimii ani cea mai rapidă creștere. Bateriile primare cu litiu sunt deja binecunoscute datorită densității foarte mare de energie și a duratei de depozitare de până la 10 ani fără ca să se autodescărcarce semnificativ. În prezent, bateriile litiu ion și litiu polimer au acaparat piața aparaturii portabile precum telefoanele mobile, camere foto sau video, laptop-uri, etc. Deși nu este încă dezvoltată pentru aplicațiile autonome de alimentare cu energie, acestei tehnologii i se acordă tot mai multă atenție. Proprietățile electrice cu privire la randament și caracteristicile de încărcare/descărcare sunt bine adaptate aplicațiilor de alimentare autonomă. Costul foarte ridicat al bateriilor cu litiu, fac ca ele să nu fie utilizate în prezent decât acolo unde densitatea gravitmetrică de energie foarte ridicată, caracteristică acestor baterii, este un parametru esențial (ex. automobil electric). Totuși, fiind vorba de o tehnologie în dezvoltare este de așteptat scăderea costurilor de fabricație și ca urmare, în viitorul apropiat, bateriile cu litiu ar putea juca un rol important în cadrul sistemelor de alimentare autonome.

Procesul electrochimic al bateriilor litiu ion reîncărcabile (acumulatoarelor) este foarte “simplu” bazându-se pe migrarea ionilor de litiu între catod și anod. Totuși acumulatoarele litiu ion sunt total diferite de bateriile ne-reîncărcabile cu litiu precum și de alte baterii secundare precum plumb-acid sau NiCd deoarece forma de bază a materialelor ce alcătuiesc catodul și respectiv anodul nu se modifică în procesul încărcare/descărcare.

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.

Reacția procesului reversibil încărcare / descărcare este indicată aici.

Li1-xCoO2+CnLix LiCoO2+Cn (tip cobalt) (3)

Li1-xMn2O4+CnLix LiMn2O4+Cn (tip mangan) (4)

Bateriile Li-ion din tipurile moderne vândute astăzi au o tensiune nominală de 3.6 V. Cum aceasta este departe de tensiunea electrolizei apei de 1.23 V, electrolit pe bază de apă nu poate fi nicidecum folosit. Aici, electrolitul este un solvent organic cu sare de litiu dizolvată. Materialul catodului este cobaltita de litiu (LiCoO2) sau oxidul manganat de litiu (LiMn2O4) spinel. Materialul anodului este grafitul (carbon grafitizat).

Bateriile reîncărcabile Litiu-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 intr-o formă eliptică. Aceste materiale sunt impregnate cu un electrolit și etanșate în carcasă 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. Principalele diferențe între bateriile litiu-ion și litiu-polimer pot fi descrise astfel. Bateriile litiu-ion au un electrolit fluid organic în timp ce electrodul negativ este alcătuit dintr-o intercalare de litiu/carbon. Electrolitul are o mare conductivitate. Electrodul nemetalic crește siguranța în comparație cu electrodul Li-metal. Ce se vinde astăzi ca fiind baterie litiu-polimer este de fapt o combinație între electrolit polimer și un electrod intercalat litiu/carbon. Utilizarea polimerului simplifică producția. Vorbind strict, așa numitele baterii litiu-polimer sunt baterii polimer litiu-ion.

Celulele litiu-polimer sunt noi intrate pe piață. Pe termen lung, este de așteptat ca bateriile litiu-polimer să poată fi produse la prețuri mai mici decât bateriile litiu-ion. Mai mult, ele permit proiectarea foarte flexibilă a bateriei. Aceasta face din bateriile litiu-polimer o soluție interesantă pentru integrarea în chip sau cartele inteligente dar de asemenea sunt disponibile la demonstrații și capacități mari pentru aplicații de putere.

Comparate cu bateriile NiCd sau NiMH, un dezavantaj al bateriilor cu litiu este acela că sunt mai puțin tolerante în operarea la curenți mari, ceea ce face ca descărcarea la curenți mari să fie mult mai dificilă. De asemenea ele nu pot atinge același ciclu de viață ca bateriile NiCd sau NiMH. Oricum, ambele puncte fac subiectul C&D și în special referitor la nivelul puterii, vor fi făcuți pași semnificativi înainte.

Bateriile cu litiu necesită încărcare la curent constant / tensiune constantă. Caracteristica de reîncărcare este foarte bună. Încărcarea completă a bateriei nu este așa de importantă ca la bateriile plumb-acid în scopul atingerii timpului de viață adecvat. Oricum, tensiunea limită trebuie observată cu acuratețe. Tensiunea de terminare a încărcării este limitată la 4.1V și nu trebuie să se depășească cu mai mult de 50mV. Tensiunea prea mare cauzează formarea de litiu metalic. Pentru celule conectate în serie, va trebui să se asigure că limitele tensiunii sunt menținute pentru fiecare celulă individuală.

Figura 7: Tensiunea în timpul descărcării la o baterie Li-ion cu capacitatea C5 = 1350 mAh ca funcție de capacitatea descărcată la diferiți curenți de descărcare și temperatura de 20°C. Încărcarea a fost efectuată în regim de curent constant / tensiune constantă (cc tc sau IU), cu un curent de încărcare de 1 C și tensiunea de definitivare de 4.1 V

Descărcarea bateriilor cu litiu trebuie limitată la tensiunea de terminare a descărcării specifică materialului. Din nou, supradescărcarea conduce la formarea de litiu metalic. Pentru tipul cu cobalt, tensiunea de terminare a descărcării este de 2.3V/celulă, iar pentru tipul cu mangan este de 2.7 V/celulă. Figura 7 arată curbele de descărcare a bateriei litiu-ion la diferiți curenți de descărcare. În plus, Figura 8 arată dependența de temperatură a curbelor de descărcare. Cum migrarea ionilor depinde foarte mult de temperatură, performanța la temperaturi scăzute nu este foarte satisfăcătoare.

Figura 8: Tensiunea în timpul descărcării la o baterie Li-ion cu capacitatea C5 = 1350 mAh, ca o funcție de capacitate de descărcare la diferite temperaturi ale bateriei la curentul de descărcare de 0.2 C. Încărcarea efectuată ca în Figura 7

Condensatoare dublu-strat

Condensatoarele convenționale au un dielectric între electrozi. Capacitatea lor este determinată de coeficientul dielectricului și de suprafața electrozilor. Așa numitele 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. Spre deosebire de bateriile secundare, nu are loc nici vreo 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. Oricum, spre deosebire de condensatoarele clasice, unde numai electronii se deplasează în dielectric, în condensatoarele dublu-strat apare o deplasare de ioni și așadar o deplasare de masă semnificativă. Din aceasta rezultă o constantă de timp limitată de difuzie în timpul descărcării și încărcării condensatorului dublu-strat.

Capacitatea este aprox. de la 20 la 40 F/cm2, depinzând de materialul electrozilor. Materialele electrozilor sunt de obicei din carbon cu o foarte mare suprafață de aprox. 2000 m2/g. Numărul purtătorilor de sarcină în stratul dublu este limitat datorită creșterii potențialului odată cu creșterea densității purtătorilor de sarcină. Dacă potențialul este prea mare, purtătorii de sarcină sunt forțați să penetreze interfața electrod / electrolit, rezultând o reacție electrochimică la fel ca în bateriile secundare. Oricum, aici este un efect ireversibil și distructiv al condensatorului dublu-strat. O problemă suplimentară este că electroliții pe bază de apă sunt utilizați în multe condensatoare dublu-strat și gazefierea trebuie neapărat evitată (începerea electrolizei apei are loc la 1.23 V). Așadar, tensiunea maximă necesită limitare la aprox. 1.5…2.0 V. Pentru rezolvarea problemei electrolizei, sunt utilizați electroliți organici care permit tensiuni maxime de la 3 la 4V, dar aceștia au conductivitatea semnificativ mai scăzută decât a electroliților cu apă. Așadar, condensatoarele cu electroliți pe bază de apă se utilizează în aplicații de foarte mare putere. Dacă este nevoie de o densitate mare de energie și putere mică, se pot utiliza electroliți organici. Pentru că supraîncărcarea condensatoarelor dublu-strat le distruge, este necesar un bun control la nivel de celulă singură în șirurile de celule conectate în serie.

Condensatoarele dublu-strat sunt adesea cunoscute prin numele lor de marcă ca SuperCaps sau GoldCaps. Autodescărcarea proprie a condensatoarelor dublu-strat este în jurul a 5%/zi la 20°C. În special la temperaturi ridicate, autodescărcarea (care aproape se dublează cu fiecare creștere de 10K a temperaturii, ca în toate sistemele electrochimice) este foarte greu acceptată pentru sistemele de alimentare autonome.

Caracteristicile electrice sunt dominate pe de o parte de rezistența internă foarte scăzută (rezultată la putere mare), iar pe de altă parte de scăderea liniară a tensiunii odată cu starea de încărcare. De altfel, aceasta permite o estimare ușoară a stării de încărcare, dezavantajul constă în căderea de tensiune foarte mare și creșterea complexității părții de electronică sau limitarea energiei utilizate din condensatorul dublu-strat (ex. Condiții de lucru numai între 1.7 și 2 V).

Astăzi, condensatoarele dublu-strat sunt disponibile în unități de până la câteva mii de farazi. Densitatea lor gravimetrică și volumetrică este foarte mică (Figura 6) dar totuși ele pot avea o densitate de putere de până la 5000 W/kg. Așadar, condensatoarele dublu-strat se potrivesc foarte bine în aplicații de putere foarte mare dar cu nevoie redusă de energie. Cum condensatoarele dublu-strat sunt o tehnologie emergentă, este dificil de dat o reprezentare definită a costurilor. Pentru orientare, un preț de aprox. 50.000 euro/kWh poate fi estimat astăzi. Oricum, pentru a alimenta cu un curent de 200A la 2V pentru 2 secunde costul este de numai 10 euro pentru unitatea de stocare.

Condensatoarele dublu-strat sunt o tehnologie interesantă pentru sistemele de alimentare autonome în aplicații care cer putere de vârf sau pentru uniformizarea fluxului de putere. Acestea sunt spre exemplu sistemele de pompare, în care pompele au o nevoie de putere foarte mare pentru a învinge inerția inițială. Altă aplicație ar putea fi invertoarele conectate la rețea ce au funcții de control al calității puterii. Ele sunt mult mai eficiente cu un sistem de stocare de ordinul milisecundelor. Ca o regulă primară, condensatoarele dublu-strat își găsesc locul în aplicații cu timp de descărcare mai mic de 10 secunde pe ciclu pentru „stocare de putere” sau în combinație cu baterii convenționale. Marele avantaj a condensatoarelor este numărul de cicluri de viață aproape nelimitat (câteva sute de mii).

Bateria plumb-acid

Bateriile plumb-acid au fost utilizate comercial de mai mult de 100 de ani în stocarea electricității. Ele au fost cele mai răspândite sisteme de stocare a energiei electrice de câteva decenii și încă sunt și astăzi. O gamă largă de aplicații este acoperită de bateriile plumb-acid, de la baterii SLI (Starting, Lighting, Ignition) în automobile și camioane la surse de alimentare neîntreruptibile, de la baterii pentru uniformizarea consumului în stabilizarea rețelei până la baterii de tracțiune (motostivuitoare și altele) și ultimele dar nu cele din urmă, sistemele de alimentare autonome. Diferite proiecte de baterii au fost dezvoltate pentru diferitele aplicații realizate, cu scopul acoperirii variatelor cerințe.

În conformitate cu lista din tabelul 1, bateria plumb-acid este de departe cea mai ieftină în comparație cu toate celelalte sisteme de stocare disponibile cu caracteristici similare. Un inconvenient major a bateriei plumb-acid este conținutul gravimetric de energie specific scăzut datorită greutății moleculare ridicate a plumbului. Oricum, acesta nu este un parametru de importanță majoră în sistemele de alimentare autonome, pentru că bateriile sunt staționare. Este de așteptat că bateria plumb-acid va rămâne „calul de lucru” pentru sistemele de alimentare autonome timp de mai mulți ani, probabil decenii.

Bateriile plumb-acid în starea de încărcare constau dintr-un electrod pozitiv cu dioxid de plumb (PbO2) și un electrod negativ cu plumb (Pb), ca materiale active. Ambii electrozi conțin o rețea suport, care e făcut dintr-un aliaj tare de plumb. Acidul sulfuric (H2SO4) diluat la 4M sau 5M este utilizat ca electrolit. Următoarea ecuație descrie principala reacție:

Pb + PbO2 + 2H+ + 2HSO4- 2PbSO4 + 2H2O (5)

Ambele PbO2 și Pb sunt convertite în sulfat de plumb PbSO4 în timpul descărcării (teoria dublului sulfat). Acidul sulfuric ca electrolit este utilizat în timpul descărcării bateriei. Așadar concentrația acidului sulfuric descrește liniar cu starea de încărcare. Aceasta este o diferență importantă ținând cont de aproape toate tipurile de baterii. La celelalte, electrolitul are numai funcția de conductor de ioni. În bateriile plumb-acid el este de asemenea sursă de ioni pentru balansul sarcinii dizolvate în electrolit, în cadrul procesului electrochimic. Așadar, electrolitul face subiectul schimbărilor de structură, cum sunt materialele proprii electrodului. Acesta este un factor important pentru câteva caracteristici ale bateriei și efecte de îmbătrânire, ce vor fi discutate ulterior. Duratele de viață a acumulatoarelor plumb-acid sunt în gama de la 100 la 1000 de cicluri încărcare / descărcare și de la 1.5 la 10 ani, în cadrul costurilor de la 50 la 250 euro/kWh pentru diferite tehnologii.

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

Bateriile cu plumb-acid rămân principala opțiune de stocare a energiei .

Deși curba de descărcare și energia specifică este inferioară unui acumulator (nichel-cadmiu) Ni-Cd sau NiMh (30 Wh/kg față de 80 – 100 Wh/kg) totuși acumulatorul cu plumb este extrem de robust putând furniza curenți de intensitate mare . Spre exemplu o baterie auto standard de 54Ah poate da curenți de până la 300A pentru perioade scurte de timp .

Temperatura optimă la care a acestui tip de acumulator cu plumb-acid este de este de 20°C – 25°C care influențează in mod direct durata de viață a bateriei . În cazul depășirii acestor valori durata longevității 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 temperatura. Curentul de încărcare al unei baterii de acumulatori trebuie sa se încadreze în domeniul 10% pâna la 20% din capacitatea ei nominală.

4.3. Încărcarea bateriilor

Încărcarea ca și descărcarea corectă a unui acumulator condiționează performanțele și durata lui de viața. Dacă descărcarea în timpul funcționării depinde esențial de utilizator, de sarcina electrică pe care o alimentează, de alegerea corectă a tipului si capacitații 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 viașa 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 imposibilitații acestora de a converti chimic caldura.

Determinarea încărcarii pe baza măsurarii tensiunii celulei.

Măsurarea tensiunii pe celula neconectata poate fi utilizată pentru determinarea stării de încărcare a bateriei pe baza 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 utilizeaza limitarea de tensiune și nu de curent.

Fig. 4.1.

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 încarcare poate fi redus la 10 ore sau mai puțin. Un acumulator Pb se încarca într-un timp de 5 ori mai mare decât cel în care se descarcă. Un încărcator în etape pentru baterii Pb va incepe încărcarea la un curent constant până când celula atinge o tensiune prestabilită. Această prima etapă dureaza cam 5 ore și încarca bateria la 70% din capacitate. A doua etapă prezintă o reducere treptatăă 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 incarcă la capacitatea nominală.

Aceasta etapa durează cam 5 ore. Încarcarea 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 si 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 si dezavantajele tensiunii de încărcare la bateriile cu Pb sunt date în tabelul de mai jos.

Tensiunea maximă variaza, 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.

Stabilizatoare de tensiune

Stabilizatorul de tensiune este un circuit electronic care, ideal, asigura la iesire o tensiune constanta,si care nu depinde de alti parametrii ca: tensiune de intrare, temperatura ambianta, curent de sarcina.În realitate tensiunea de iesire e dependenta de acesti parametri, dar variatia ei poate fi controlata siminimizata printr-o proiectare atenta.Cele 2 marimi de interes ce caracterizeaza un stabilizator sunt tensiunea de iesire V ( se doreste a fio constanta ) si rezistenta de iesire R ( se doreste a fi cât mai mica ).Marimile fizice ce definesc independenta stabilizatorului de influentele mediului extern sunt:

-tensiunea minima de alimentare la intrarea stabilizatorului Vimin-

curentul maxim de iesire Iomax

factorul de stabilizare S =

deriva termica a tensiunii de iesire.

Circuitele pe care le vom studia în aceasta lucrare vor folosi stabilizatorul liniar integrat LM723( ßA723 ) a carui schema bloc e data mai jos:

IV Invertoare de tensiune

Convertorul push-pull (în contratimp)

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.

1) Pe intervalul t[0, dT] se comandă să conducăla 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:

2) 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 polaritășile din paranteze. Va conuce 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 3, 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

V CONSIDERAȚII PRACTICE ȘI REZULTATE EXPERIMENTALE

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

Invertor sinuisoidal de putere (partea practică)

In cazul inverotului cu forma de undă la ieșire dreptunghiulară sau sinuisoidal modificat se foloseste un circuit lucrând în comutatie în contratimp comform schemei de principiu de mai jos .

Fig 1

Forma de undă la ieșirea înfasurarii L3 este dreptunghiulara

fig 2a

fig 2b

Circuitul pare la prima vedere mai simplu , dar in realitate apar cateva probleme care complica realizarea practica .

Frecventa fiind joasa (50Hz) inductantele L1 si L2 rezulta de valoare mare . Aceasta se realizeaza pe un miez de tola silicoasa (tole) si cu un gabarit mare .

Forma de unda dreptunghiulara nu este acceptata de unele aparate casnice (de regula cele care utilizeaza motoare de curent alternativ cum ar fi frigiderele , bormasinile etc) .

Se poate folosi forma de unda "sin modificat" ca in figura 2b unde timpul de conductie pentru cei doi tranzistori , Tc este mai mic decat T/2 . Se obtine astfel o fundamentala sinuisoidala (de 50 Hz) de amplitudine mai mare decat in cazul figurii 2a .

Evitarea acestor incoveniente se face prin adaugarea la schema de principiu din fig 1 a inca unei parti utilizand o schema de "punte H" cu modulatie PWM .

Se obtine schema din figura 3 compusa din doua sectiuni care asigura la iesire o tensiune sinuisoidala pastrand randamentul ridicat al lucrului in comutatie .

Sectiunea I Sectiunea II

––––––––––––––––––- –––––––––––––

| | | |

FIG 3

In continuare se prezinta detaliat Sectiunea I

Convertorul ridicator de tensiune

Pentru partea de putere s-a folosit urmatoarea schema

Date de proiectare

– Putere de iesire 1500 – 2000 W

-Tensiune de intrare 24V (acumulatori) +10% -20%

-Tensiune de iesire 400 V +10% – 20%

FIG 4

Se observa ca fata de figura 1 (de principiu) in figura 4 sunt folosite doua convertoare push-pull in paralel . Secundarele sunt legate in serie .

Ramura din fig 1 notata cu Q1 in fig 4 este implementata cu tranzistoarele Q1 in paralel cu Q2 si Q5 in paralel cu Q6 . La fel Q2 din fig 1 este implementat Q3,Q4,Q7,Q8 .

Explicatia este urmatoarea :

Pentru puterea propusa de maxim 2000 W considerand randamentul η=1 . Ser va absorbi de la sursa un curent de :

I=P/U = 2000 W /24 V = 83,3 A

Pentru fiecare tranzistor revine un curent de 83,3 A / 4 = 20,8 A

S-au ales tranzistori MOS IRF540 cu dioda de protectie antiparalel . (se da in anexa cu datele de catalog) .

N-CHANNEL 100V – 0.055  – 22A TO-220 LOW GATE CHARGE STripFET™ II POWER MOSFET

TYPICAL RDS(on) = 0.055

EXCEPTIONAL dv/dt CAPABILITY

100% AVALANCHE TESTED

LOW GATE CHARGE

APPLICATION ORIENTED CHARACTERIZATION

DESCRIPTION

This MOSFET series realized with STMicroelectronics unique STripFET process has specifically been designed to minimize input capacitance and gate charge. It is therefore suitable as primary switch in advanced high-efficiency, high-frequency isolated DC-DC converters for Telecom and Computer applications. It is also intended for any applications with low gate drive requirements.

APPLICATIONS

HIGH-EFFICIENCY DC-DC CONVERTERS

UPS AND MOTOR CONTROL

3

2

1

TO-220

INTERNAL SCHEMATIC DIAGRA

Frecventa de lucru este in intervalul 20 KHz – 50 KHz.

S-a ales valoare de 35 KHz . Acest lucru se face prin alegerea corespunzatoare a unui element RC in schema de comanda care va fi prezentata mai jos .

S-a optat pentru doua transformatoare , cu toate ca s-a incercat si varianta cu un singur transformator de putere mai mare , din urmatoarele consideratii :

-numarul de spire pentru realizarea inductantei necesare priamrului este mai mic

-repartitia bobinajului pe straturi este mai buna

-capacitatile parazite intre spire sunt mai mici

In final se obtin supratensiuni in drenele tranzistoarelor mai mici . Se precizeaza faptul ca supratensiunile (care apar in timpul comutatiei din starea saturat in starea blocat) sunt principalele cauze care conduc la defectarea montajului .

Se dau mai jos supratensiunile din drena lui Q in cazul folosirii unui singur transformator si in cazul folosirii a doua transformatoare (la mers in gol).

FIG 5

S-a utilizat un miez E … cu sectiunea de … . Inductanta calculata a primarului () este de 0,03 mH. Avand in vedere constanta a feritei utiizate (…) rezulta pentru 5 spire o inductanta de de 0,04 mH mai mare decat minimul calculat . Se va adopta pentru infasurarea primara un numar de 4 spire pentru 24 V tensiune de alimentare .

Bobinajul se executa cu 5 spire de CuEm in paralel . Acestea ocupa un strat din carcasa bobinajului . S-a tinut cont de … densitatii de curent j < 6A / . Pentru secundar minimul de spire se calculeaza pentru o … tensiunea de 200 V . Rezulta n3=(200*4)/24 = 34 spire bobinate cu doua conductaore CuEm si in paralel .

Se da mai jos o imagine cu cele doua tranzistoare montate pe placa de baza .

POZA

Transformatoarele au incorporate diode Zenner de protectie . Acestea se deschid la o tensiune de cca 100 V. Este de dorit sa nu se ajunga la aceste valori respetitiv deoarece pto distruge dispozitivul .

Supracreșterile apar datorita diferentelor dintre cele doua ramuri . Pentru eliminarea totala a supracresterilor se actioneaza asupra timpului de comutare .

Se stie din datele de catalog ca tranzistorii poseda o capacitate parazita mare (circa 1,5 nF) care trebuie eliminata intr-un timp cat mai scurt .

Totusi acest timp poate fi controlat prin inserierea rezistorlor R1-R2 in grilele de comanda .

Se prelungeste astfel cu cateva zeci de ns comutarea saturat – blocat , suficient pentru a absorbi supracresterea . S-a ajuns astfel (prin testări succesive) la valoarea de 58 Ω pentru rezistorii . Supracresterea este peste zero si se mentine la cel mult 20 V daca se cupleaza sarcină maximă .

Pentru schema de comanda se foloseste un integrat specializat si anume SG3525 pentru care se si da mai jos prima pagina din datasheet .

Circuitul este un modulator PWM pentru care tensiunea modulatoare are valoare fixa si avem 0V ceea ce impune un factor de umplere de 50% .

SS

Schema integratului SG3525A

Frecventa de lucru este fixata de de la pinii 6 si 5 . Un stabilizator intern to produce la pinul 16 o tensiune de referinta (stabilizator de …V) .

Iesirile modulate PWM (in cazul nostru nemodulate , cu factor de umplere 50%) sunt la pinii 11 si 14 .(Out A si Out B) . Acestea sunt in opozitie de faza . Pentru a asigura o disponibilitate mare de curent , capabil sa descarce suficient de repede capacitatea grilă – sursă a tranzistorului MOS se introduce grupul suplimentar cu tranzistori de tipul BD135,136 . Acștia au un curent maxim de colector de circa 2A .

Circuitul cu o intrare de soft start care asigura la pornire un factor de umplere lent crescător pâna la valoarea de 50% . Acest lucru se realizează prin legarea condensatorului de 22µ la pinul 8 . Pentru cazul detecției unei avarii prin aplicarea unei trepte de tensiune la pinul 10 (Shut Down) circuitul blochează ieșirea out A și out B .

Pe acset pin se va aplica printr-un circuit "SAU cablat" semnale de la circuitul de protecție .

Descrierea circuitelor de protecție

Principala pretecție este la supracurent .

Curentul din circuitul primar circulă prin traseul (realizat cu conductor suplimentar peste căștigul imprimat) care unește toate sursele tranzistoarelor către borna (-) a acumulatorului printr-un traductor de curent (o rezistență obținută din cablaj de valoare de circa 0,06 Ω ) pentru aceste valori și pentru un curent de 100A se obține o tensiune circa 0,12 V . Această tensiune depășește valoarea pragului dat de divizorul (100KΩ cu 1KΩ) de 0,12 V . Divizorul este alimentat cu tensiune de alimentare de 12 V . În acest moment circuitul operational… basculează cu ieșirea în plus , prin D6 va bascula și circuitul următor … cu ieșirea în plus .

Iar prin histerezisul introdus de acesta rămăne basculat in starea plus si după dispariția supracurentului . Ieșirea comandă prin intermediul diodei (care formează circuitul "SAU cablat" cu ) , pinul 10 (shut down) al modulatorului SG3525 și ieșirile out A și out B se blochează .

BIBLIOGRAFIE

1. Attenuation of solar radiation: a climatological study. Monteith, JL. 1962, Q J Meteorol Soc, pg. 508–21.

2. Solar energy in progress and future research trends. Sen, Z. 2004, Progress in Energy and Combustion Science, pg. 367–416.

3. Iqubal, M. An intoduction to solar radiation. Ontario : Academic Press, 1983.

4. Solar radiation modeling and measurements for renewable energy applications: data and model quality. Myers, D. 2005, Energy, pg. 1517–1531.

5. A method for improving global pyranometer measurements by modeling responsivity functions. Lester, A. și Myers, D.R. 2006, Solar Energy, pg. 322–331.

6.Kipp & Zonen. http://www.kippzonen.com. http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

[Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

7. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. [Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.eppleylab.com/.

8. Forecasting based on neural network approach of solar potential in Turkey. Sozen, A., și alții. 2005, Renewable Energy, pg. 1075–90.

9. Photovoltaic materials, history, status and outlook. Goetzberger, A., Hebling, C. și Schock, H.W. 2003, Materials Science and Engineering, pg. 1-46.

10. Crystal growth and materials research in photovoltaics: progress and challenges. Surek, T. 2005, Journal of Crystal Growth, pg. 292–304.

11. High efficiency photovoltaic cell. Sakata, H., și alții. Anchorage, Alaska, : s.n., 2000. Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. p. 7.

12. Simplified method for predicting photovoltaic array output. Evans, DL. 1981, Solar Energy, pg. 555–60.

13. Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy

balance. Mattei, M., și alții. 2006, Renewable Energy, pg. 553–567.

14. Cabaret-Massei, S. Etude Experimentale d’un Champ Photovoltaique Connecte au Reseau Electrique: Modelisation Phsique, Dimensionnement et Analyse des Performances. Ajaccio : Universite Pasquale Paoli, 2001.

15. PV review: World Solar PV market continues explosive growth. Maycock, P. 2005, Refocus, Volume 6, Issue 5,, pg. 18-22.

16. Howell, D. Your solar energy home. New York : Pergamon Press, 1986.

17. Dunn, PD. Renewable energies: sources, conversion and application. s.l. : Peter Peregrinus Ltd, 1986.

18. European Committe for Standardisation. European Standard Draft prEN 12975-2. 1997.

19. Ellehauge, Klaus. A solar combisystem Based on a Heat Exchanger Between the Collector Loop and Space – Heating Loop. s.l. : International Energy Agency, 2002.

20. Teză de doctorat – Creșterea productivității energetice a panourilor fotovoltaice Ing. Ionuț-Răzvan CALUIAN București, 2011

21. http://www.solar-electric.com/solar-charge-controller-basics.html

22. http://thesolarstore.com/charge-controllers-c-40.html

23. http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_controller

24. http://www.brightgreenenergy.co.uk/solar-regulator-information.asp

25. http://thesolarstore.com/charge-controllers-charge-controllers-c-40_42.html

26.http://www.solarpaneltalk.com/showthread.php?2716-Off-grid-solar-charge-controllers

http://en.wikipedia.org/wiki/Differential_(mechanical_device) 

http://en.wikipedia.org/wiki/Ackermann_steering_geometry 

http://en.wikipedia.org/wiki/Leaf_spring

http://www.ncert.nic.in/html/learning_basket/electricity/electricity/machine/motor.htm 

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_solar%C4%83

BIBLIOGRAFIE

1. Attenuation of solar radiation: a climatological study. Monteith, JL. 1962, Q J Meteorol Soc, pg. 508–21.

2. Solar energy in progress and future research trends. Sen, Z. 2004, Progress in Energy and Combustion Science, pg. 367–416.

3. Iqubal, M. An intoduction to solar radiation. Ontario : Academic Press, 1983.

4. Solar radiation modeling and measurements for renewable energy applications: data and model quality. Myers, D. 2005, Energy, pg. 1517–1531.

5. A method for improving global pyranometer measurements by modeling responsivity functions. Lester, A. și Myers, D.R. 2006, Solar Energy, pg. 322–331.

6.Kipp & Zonen. http://www.kippzonen.com. http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

[Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

7. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. [Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.eppleylab.com/.

8. Forecasting based on neural network approach of solar potential in Turkey. Sozen, A., și alții. 2005, Renewable Energy, pg. 1075–90.

9. Photovoltaic materials, history, status and outlook. Goetzberger, A., Hebling, C. și Schock, H.W. 2003, Materials Science and Engineering, pg. 1-46.

10. Crystal growth and materials research in photovoltaics: progress and challenges. Surek, T. 2005, Journal of Crystal Growth, pg. 292–304.

11. High efficiency photovoltaic cell. Sakata, H., și alții. Anchorage, Alaska, : s.n., 2000. Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. p. 7.

12. Simplified method for predicting photovoltaic array output. Evans, DL. 1981, Solar Energy, pg. 555–60.

13. Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy

balance. Mattei, M., și alții. 2006, Renewable Energy, pg. 553–567.

14. Cabaret-Massei, S. Etude Experimentale d’un Champ Photovoltaique Connecte au Reseau Electrique: Modelisation Phsique, Dimensionnement et Analyse des Performances. Ajaccio : Universite Pasquale Paoli, 2001.

15. PV review: World Solar PV market continues explosive growth. Maycock, P. 2005, Refocus, Volume 6, Issue 5,, pg. 18-22.

16. Howell, D. Your solar energy home. New York : Pergamon Press, 1986.

17. Dunn, PD. Renewable energies: sources, conversion and application. s.l. : Peter Peregrinus Ltd, 1986.

18. European Committe for Standardisation. European Standard Draft prEN 12975-2. 1997.

19. Ellehauge, Klaus. A solar combisystem Based on a Heat Exchanger Between the Collector Loop and Space – Heating Loop. s.l. : International Energy Agency, 2002.

20. Teză de doctorat – Creșterea productivității energetice a panourilor fotovoltaice Ing. Ionuț-Răzvan CALUIAN București, 2011

21. http://www.solar-electric.com/solar-charge-controller-basics.html

22. http://thesolarstore.com/charge-controllers-c-40.html

23. http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_controller

24. http://www.brightgreenenergy.co.uk/solar-regulator-information.asp

25. http://thesolarstore.com/charge-controllers-charge-controllers-c-40_42.html

26.http://www.solarpaneltalk.com/showthread.php?2716-Off-grid-solar-charge-controllers

http://en.wikipedia.org/wiki/Differential_(mechanical_device) 

http://en.wikipedia.org/wiki/Ackermann_steering_geometry 

http://en.wikipedia.org/wiki/Leaf_spring

http://www.ncert.nic.in/html/learning_basket/electricity/electricity/machine/motor.htm 

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_solar%C4%83