Obtinerea Energiei Electrice cu Ajutorul Panourilor Fotovoltaice

LUCRARE DE DISERTAȚIE

OBȚINEREA ENERGIEI ELECTRICE CU AJUTORUL PANOURILOR FOTOVOLTAICE

CUPRINS

Introducere

1. Caracteristicile Radiației Solare

1.1. Declinația solară

1.2. Factori care influențează radiația solară

1.2.1 Influența factorului meteorologic

1.2.2. Influența factorului geometric

1.3. Harta solară a României

1.4. Potențialul solar al României

2. Conversia fotovoltaică

2.1. Generalități

2.2. Descrierea efectului fotovoltaic

2.3. Eficiența celulelor fotovoltaice

2.4. Curentul de scurtcircuit

2.4. Celula fotovoltaică

2.5. Materiale și tipuri de celule fotovoltaice

3. Sistemele Fotovoltaice

3.1. Echipamente aferente sistemelor fotovoltaice

3.1.1. Bateriile de acumulatoare

3.1.2. Invertorul

3.1.3. Controlerul de sarcină

3.1.4. Sisteme de urmărire a puterii maxime

4. Simularea funționării instalațiilor fotovoltaice

4.1. Simulare cu programul RETScreen considerând orientarea panoului

4.2. Simulare RETSCreen – SFV cu panou fix

5. Concluzii

Bibliografie

OBȚINEREA ENERGIEI ELECTRICE PRIN CONVERSIE FOTOVOLTAICĂ

INTRODUCERE

Soarele este sursa vieții pe Pământ; datorită fenomenelor care se petrec în interiorul ei este sursa principală de căldură și de lumină – rezultată din radiația solară -.

În compoziția masei solare într-o proporție destul de mare intră hidrogenul, reprezentând aproximativ 74% din masa totală, heliul 25% și 1 % elementele grele. Pentru că în atmosfera exterioară a Soarelui există temperaturi foarte ridicate – peste 999.727  C – iar în masa ei predomină temperaturi de peste 5.500 oC, masa solară este în stare gazoasă și plasmă. Steaua principală își generează energia prin fuziune – nucleul de hidrogen se transfomă în heliu, astfel, Soarele rămâne în echilibru adică nu se dilată dar nici nu se contractă.

Energia solară este transportată spre Pământ, în compoziția acesteia fiind radiații:

ultraroșii 50%,

radiații luminoase 41%,

radiații ultraviolete 9 %.

Ca să se poate determina cantitatea de energie care ajunge pe suprafața Pământului, s-a introdus constanta solară fiind aceea cantitate de energie care este primită în unitate de timp de la Soare pe suprafața de 1 cm2, așezată perpendicular pe direcția radiațiilor solare. Această constantă solară în afara atmosferei are o valoare aproximativă de 1370 W / cm2, iar pe Pământ din această cantitate ajunge doar 1000 W/m2, dacă soarele se află la zenit, dar și în aceste condiții energia solară care ajunge pe Pământ este de 15.000 ori mai mare decât consumul actual de energie primară de pe glob.

Razele soarelui este utilizată de natură, dar și în mod artificial de către om; în natură raza solară este baza fotosintezei, ea având rol în conversia CO2 din aer în O2 și alți compuși. Energia radiației solare în mod direct poate fi utilizată pentru încălzire și în mod artificial această energie poate fi convertită în electricitate sau în căldură. Cu ajutorul panourilor fotovoltaice energia solară poate fi convertită în energie electrică, apoi folosită în funcționarea diferiților consumatori.

Posibilitatea obținerii energiei electrice și termice din radiația solară, dar și din alte surse de energie regenerabilă, cum ar fi energia mareelor, energia valurilor, energia eoliană, energia geotermală, a biomasei are o importanță deosebită, datorită faptului că sursele de combustibili fosili sunt pe calea dispariției, însă populația Terrei se află într-o creștere continuă și cerințele trebuie satisfăcute, care și ele prezintă ridicare permanentă.

Utilizarea energiei solare are și ea niște dezavantaje, dat fiind faptul că prezintă randament redus, nu este continuă, instalațiile folosite pentru convertirea radiațiilor solare sunt scumpe.

Totuși utilizarea acestei formă de energie prezintă o tendință de creștere privind aplicația ei la nivel global și este considerată ca fiind pe locul 2 după energia eoliană.

Strategia energetică a României pentru perioada 2007 – 2020, propune drept obiectiv ca energia din surse regenerabile, să reprezinte 33% din consum în 2010, 35% în anul 2015 și 38% în anul 2020.

Cel mai mare avantaj al utilizării surselor regenerabile este însă reducerea impactului asupra mediului (apă, sol, aer, ecosistem) și mai ales reducerea emisiilor de gaze responsabile de efectul de seră (CO2, CR4, N2O), gaze ce rezultă automat la utilizarea combustibililor fosili.

CAPITOLUL I

CARACTERISTICILE RADIAȚIEI SOLARE

La trecerea prin atmosfera terestră radiațiile solare suferă o serie de fenomene printre care cele mai importante sunt:

reflexia difuză: radiațiile datorită moleculelor de gaz, cristalelor de gheață sau particulelor de praf existente în atmosferă sunt reflectate în toate direcțiile conducând la diminuarea cantitatății de radiație care ajunge la suprafața solului;

absorbția: o parte din gazele din atmosferă (vapori de apă, dioxidul de carbon, etc.) absorb radiațiile cu anumite lungimi de undă.

În funcție de comportamentul față de radiațiile solare, corpurile din natură se pot clasifica astfel:

corpuri albe: reflectă toate radiațiile solare;

corpuri colorate: absorb o parte din radiațiile solare, iar o parte sunt reflectate;

corpuri negre: absorb toate radiațiile solare.

Fig. 1 – Radiația solară. a. directă b. difuză c. reflectată [5]

În consecință, pentru captarea radiațiilor solare se vor utiliza corpuri cu suprafețe negre care, teoretic, permit absorbția tuturor radiațiilor solare. Radiațiile solare absorbite de către un corp, se transformă în căldură ca urmare crește temperatura acestuia în timp.

Radiația solară (fig.1) este un flux de particule, fotonii, care se propagă cu viteza luminii, purtând energia de h, (h este constanta lui Planck, iar este frecvența radiației) [1,2].

h = 6.6256 x 10-34 J/s (1)

c = h=co/n (2)

unde: co – este viteza luminii în vid,

n – este indicele de refracție al mediului respectiv.

Pentru utilizarea acestei cantități de energie solară este nevoie de conversia energie solare într-o altă formă de energie. Conversia energiei solare se clasifică în funcție de tipul de conversie:

– conversie fotomecanică;

– conversie fototermică (centrale termice solare);

– conversie fotoelectrică (centrale electrice solare);

– conversie fotochimică (stocarea energiei solare).

Radiația solară cuprinde trei domenii spectrale: ultraviolet 7%; vizibil luminos 47% și infraroșu 46%. Dintre acestea radiația termică cuprinde domeniul vizibil și infraroșu apropiat.

Din fluxul inepuizabil al energiei solare care depășește 1011 MW, pe sol ajunge sub 20%, cu lungimea de undă de 0,4 – 2,5 m. Din această categorie, 16% este folosită la evaporarea apelor, 3% la fotosinteza vegetațiilor terestre, 0,16% pentru fotosinteza vegetațiilor subacvatice, 0,02% pentru formarea de combustibili fosili [1].

În condițiile României densitatea de putere radiantă poate varia în limite foarte largi [3]:

valoarea minimă – 50 W / m – pentru zilele de iarnă și cer acoperit, când nu există decât radiație difuză;

valoarea maximă – 800 W / m2, pentru zilele senine cu Soarele aflat în poziția cea mai înaltă.

Evident că în condițiile în care modificările de climă din ultimii ani sunt din ce în ce mai imprevizibile, limitele de mai sus pot fi depășite.

1.1 Declinația solară

Pământul (axele polare) are o înclinație de 23 o45 față de axa eliptică care este o normală pe planul ecliptic (fig 2). Planul ecliptic este orbita pământului, formând un plan în jurul Soarelui. Pământul se rotește în jurul Soarelui așa cum axele polare se mișcă în raport cu Soarele. Declinația solară este distanța unghiulară a razelor solare nordice (sau sudice) de la ecuator declinația nordică fiind considerată pozitiv.

Fig.2 – Mișcarea anuală a Pământului în jurul Soarelui [5]

Variația declinației solare de-a lungul anului, are loc conform figurii 2. Declinația solară , în grade pentru fiecare zi a anului (N) se aproximează cu ajutorul ecuației [2].

(3)

1.2. Factori care influențează radiația solară

Purtătorii fosili de energie reprezintă combustibilul economiei mondiale. Însă utilizarea cărbunelui, țițeiului, gazului și uraniului prezintă o transformare și o epuizare a resurselor, cu efecte catastrofale asupra mediului și omului. Noua economie ar trebui să mizeze asupra energiei inepuizabilă a Soarelui și a celor regenerabile, fiind baza unui model civilizat și durabil, ceea ce privește sursele de energiefolosite în viitor.

În multe zone, Soarele oferă o alternativă posibilă la soluționarea crizei de energie, din ce în ce mai accentuată odată cu creșterea populației globului și ridicarea standardului de viață, simultan cu epuizarea combustibililor fosili.

Dezavantajele principale ale acestor surse de energie sunt constituite de randamentele scăzute ale tuturor instalațiilor solare și costurilor relativ ridicate, la care se adaugă faptul că radiația solară este difuză ceea ce presupune existența unor subsisteme de stocare a energiei, precum și dependența acestuia de o serie de factori meteorologici, geometrici și geografici.

Energia solară poate fi convertită direct în energie electrică utilizând efectul fotoelectric – mai precis, un caz particular al acestuia: efectul fotovoltaic. Deși efectul fotovoltaic e cunoscut de mult timp –descoperit în 1839 de Bequerel – realizarea unui dispozitiv cu caracteristici convenabile pentru conversia directă a energiei solare este de dată relativ recent: în 1954.

1.2.1 Influența factorului meteorologic

Climatul României este continental-temperat, caracterizat de un potențial energetic considerabil: mai mult de jumătate din teritoriul țării noastre beneficiază de un număr de ore însorite mai mare de 1800 ore/an, ceea ce reprezintă limita inferioară necesară la realizarea instalațiilor de captare și stocare a energiei solare.

1.2.2. Influența factorului geometric

Datorită mișcării diurne aparente a Soarelui pe bolta cerească, razele solare (radiația solară) cad asupra Pământului sub un unghi ce diferă de la un loc la altul, ceea ce face necesară la proiectarea instalațiilor solare, precizarea poziției relative a Soarelui față de un anumit sistem de coordonate,

Soarele, o stea de mărime mijlocie, cu diametrul D = l,39 x 106 km, se rotește în jurul axei sale având o rotație la 25 de zile.

Mișcarea Pământului se poate descompune în două componente principale:

o mișcare de rotație în jurul axei proprii;

o mișcare de revoluție în jurul Soarelui.

Mișcarea de revoluție în jurul Soarelui are loc pe o traiectorie eliptică ceea ce determină o variație de ± 1,7% a distanței medie Soare – Pământ și o variație de ± 3 % a densității de putere radiantă. La 4 iulie Soarele se găsește în poziția cea mai apropiată de Pământ și această poziție se numește afeliu, iar pe 8 ianuarie este în periheliu, poziția cea mai îndepărtată de aceasta.

Axa de rotație a Pământului are un unghi de 23o47’ cu planul eliptic, ceea ce implică variația unghiului de incidență a radiației solare față de planul ecuatorial terestru, unghi numit declinație.

1.3. Harta solară a României

România se află în zona europeană de însorire „B” .

Se observă din harta solară a României (fig.3) că în zona roșie, din partea de Sud a României – 1450 – 1750 kwh/m2 an este cea mai bună pentru instalațiile solare.

zona roșie (>1450 kWh/m2/an), coincide cu zona de sud: Oltenia, Muntenia, Dobrogea și sudul Moldovei;

zona galbenă (1300 – 1450 kWh/m2/an), include regiunile carpatice și subcarpatice ale Munteniei, toată Transilvania, partea de mijloc și nord a Moldovei și tot Banatul;

zona albastră (1150 – 1300 kWh/m2/an), include, în principal, regiunile de munte.

Fig 3 – Harta solară a României [8]

1.4. Potențialul solar al României

Harta cuprinde distribuția fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente pe suprafața orizontala pe teritoriul României.

Sunt evidențiate 5 zone, diferențiate prin valorile fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente. Se constată că mai mult de jumătate din suprafața țării beneficiază de un flux de energie mediu anual de 127 României (fig.3) că în zona roșie, din partea de Sud a României – 1450 – 1750 kwh/m2 an este cea mai bună pentru instalațiile solare.

zona roșie (>1450 kWh/m2/an), coincide cu zona de sud: Oltenia, Muntenia, Dobrogea și sudul Moldovei;

zona galbenă (1300 – 1450 kWh/m2/an), include regiunile carpatice și subcarpatice ale Munteniei, toată Transilvania, partea de mijloc și nord a Moldovei și tot Banatul;

zona albastră (1150 – 1300 kWh/m2/an), include, în principal, regiunile de munte.

Fig 3 – Harta solară a României [8]

1.4. Potențialul solar al României

Harta cuprinde distribuția fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente pe suprafața orizontala pe teritoriul României.

Sunt evidențiate 5 zone, diferențiate prin valorile fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente. Se constată că mai mult de jumătate din suprafața țării beneficiază de un flux de energie mediu anual de 1275 kWh/m2.

Zonele de interes (areale) deosebit pentru aplicațiile electroenergetice ale energiei solare în țara noastră sunt:

Primul areal, care include suprafețele cu cel mai ridicat potențial acoperă Dobrogea

și o mare parte din Câmpia Română

Al doilea areal, cu un potențial bun, include nordul Câmpiei Române, Podișul Getic,

Subcarpații Olteniei și Munteniei o bună parte din Lunca Dunării, sudul și centrul Podișului Moldovenesc și Câmpia și Dealurile Vestice și vestul Podișului Transilvaniei, unde radiația solară pe suprafață orizontală se situează între 1300 și 1400 MJ / m2.

Cel de al treilea areal, cu potențialul moderat, dispune de mai puțin de 1300 MJ /m2 și acoperă cea mai mare parte a Podișului Transilvaniei, nordul Podișului Moldovenesc și Rama Carpatică (Tabelul 1).

Îndeosebi în zona montană variația pe teritoriu a radiației solare directe este foarte mare, formele negative de relief favorizând persistența ceții și diminuând chiar durata posibilă de strălucire a Soarelui, în timp ce formele pozitive de relief, în funcție de orientarea în raport cu Soarele și cu direcția dominantă de circulație a aerului, pot favoriza creșterea sau, dimpotrivă determina diminuarea radiației solare directe.[4], tabelul 1.

Tabel 1 – Valorile energiei solare pentru diferite orașe ale României

Tabel 2 – Influența numărului mediu anual și durata de zile însorite asupra potențialului energetic amenajabil:

CAPITOLUL II

CONVERSIA FOTOVOLTAICĂ

2.1. Generalități

În anul 1839 Becquerel a descoperit în seleniu efectul fotovoltaic. Eficiența de conversie a energiei din celula fotovoltaică de siliciu, elaborat în fost 11%, având un cost mare (1000 $ / W). Primele aplicații practice a celulelor fotovoltaice erau pentru spațiu, unde costul nu era un obstacol deoarece alte surse de energie nu stăteau la dispoziția cercetătorilor. Cercetările făcute în anii 1960 au rezultat descoperirea altor materiale fotovoltaice, cum ar fi de exemplu arseniura de galiu (GaAs). Acest material poate lucra la temperaturi mai mari decât siliciul, însă, au fost mult mai scumpe [4,5].

Capacitatea totală instalată a celulelor fotovoltaice în anul fost aproape de 2 GWp (Lysen 2003). Celulele fotovoltaice sunt elaborate dintr-un număr variat de semiconductoare, confecționate din materiale care au o conductibilitate electrică mai redusă. Cele mai des utilizate materiale sunt siliciul (Si) și compusul cu cadmiu sulfid (CdS), sulfid de cupru (Cu2S) și arseniura de galiu (GaAs) [4,5].

O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de materiale semiconductoare, cel mai întâlnit fiind siliciul. Straturile au o grosime cuprinsă între 0,001 și și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiunea „p” și „n”. Această structură este similară cu structura unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce „agitația” electronilor și se va genera curent electric. Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic însă combinația în serie sau în paralel ale celulelor poate să producă curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și la intemperii [3,4,5].

În fig.4 se reprezintă o celulă fotovoltaică tipică.

Fig. 4 – Celulă fotovoltaică

Panoul solar (modulul fotovoltaic MFV sau panoul fotovoltaic PFV) este un ansamblu de celule FV interconectate, fiind cunoscute sub denumirea de celule FV. Panoul solar este o componentă utilizată într-un sistem FV mai mare care oferă electricitate pentru aplicații comerciale și rezidențiale.

Deoarece, un singur panou produce numai o anumită cantitate de energie electrică, de aceea instalațiile conțin mai multe panouri solare legate între ele. Acestea sunt cunoscute sub denumirea de module FV.

2.2. Descrierea efectului fotovoltaic

Dacă o joncțiune p – n este iradiată cu o rază de lumină, se vor forma perechi de purtători imediat după absorbirea luminii. Câmpul puternic al joncțiunii atrage purtătorii minoritari, rezultând un flux de curent. Semiconductorul nu se află în echilibru termic, fapt care înseamnă că puterea electrică poate fi livrată către consumator. Acest mecanism, este de fapt mecanismul de bază al celulei solare [5].

Caracteristica poate fi dedusă din fizica solidului, cu formula:

(4)

unde,

UA – tensiune aplicată;

I – curentul care trece prin diodă la tensiunea UA aplicată;

UT– este o constantă, numită tensiune termică;

I0 – curentul de saturație al diodei, care depinde de tipul, densitatea și felul materialului din care este confecționată dioda, precum și de calitatea joncțiunii p-n.

Dacă joncțiunea p-n este iluminată, atunci se va genera un curent adițional IL, care va modifica expresia de mai sus în felul următor:

(5)

Semnul negativ în relația 5, rezultă din convenția polarităților [4,5]. În acest caz, curentul I numai este 0 la tensiune nulă, ci, tinde către IL. Astfel, poate fi livrată energia electrică spre consumator. Caracteristica I/U se reprezintă în fig. 5, cu și fără iluminare.

Fig.5 – Caracteristica I – U a celulei solare (CS) cu și fără iluminare(partea de sus). Um, Im și Pm sunt valorile la putere maximă

În figura (5), de asemenea, sunt determinate trei mărimi importante: UCD tensiunea de circuit deschis, Isc curentul de scurt circuit, identic cu IL, și punctul puterii maxime Pm unde, produsul I și U este maxim. Pm este punctul optim de funcționare al celulei solare. Tensiunea și curentul sunt Um, respectiv Im. Este evident, că celula solară ideală are o caracteristică care se aproprie de forma unui rectangular.

Factorul de umplere FF = Im Um / Isc UCD, va fi aproape de 1. Pentru celule solare de siliciu, factorul de umplere sunt peste 0,8, adică 80%. Din relația 5 se poate deduce importanța curentului de saturație I0. Tensiunea circuitului deschis se obține atunci când prin celulă nu trece curent [5, 6].

Atunci:

(6)

Chiar la densități mici de curent termenul IL / I0 este mare în comparație cu 1, astfel,

, adică, tensiunea circuitului deschis este proporțională cu logaritmul raportului Isc de I0. Înseamnă că, deși I0 este o mărime foarte mică în comparație cu IL, scăderea curentului de saturație este foarte importantă în privința creșterii eficienței.

Există trei surse pentru I0: a) curent de scurgere al purtătorilor minoritari din emitor; b) curent de scurgere al purtătorilor minoritari din regiunea de bază și c) curentul de recombinare al sarcinilor spațiali.

Fig. 6 – Circuitul echivalent cu două diode

Circuitul echivalent al celulei solare, conține toate componentele relevante, și anume: sursa de curent h induce curentul IL și pe cele două diode de saturație ale curentului ID1 și ID2. Celelalte componente au natură rezistivă, un șunt paralel RP și o rezistență RS. Evident că, RP va avea rezistența mai mare iar RS cât mai mică.

2.3. Eficiența celulelor fotovoltaice

Eficiența de conversie este cea mai importantă în cazul celulelor solare. Se determină raportul dintre puterea electrică generată la ieșirea celulei și puterea radiantă care o iluminează:

(7)

unde

FF – factorul de umplere

UmIm / UOCIsc

Fig. 7 – Tensiunea circuitului deschis și curentul de scurtcircuit în funcție de intensitatea radiației

2.4. Curentul de scurtcircuit

Curentul de scurtcircuit Isc este proporțional cu radiația solară, într-un larg domeniu (fig.7), precum și cu temperatura celulei. Temperatura, la celula cristalina de siliciu crește între 0,05 – 0,07 %/ K și în cazul modulului din siliciu amorf aceasta este 0,02 % )1 K corespunde de o diferență de temperatură de ). Coeficientul mai mic de temperatură al modulului amorf este unul din motivele ca în lunile de vară de ce se folosesc mai mult modulele cristaline.

Efectul fotovoltaic poate fi explicat ușor cu o joncțiune p-n dintr-un semiconductor. După cum este cunoscut, într-un semiconductor neomogen format din două părți – una de tip „p” și alta de tip „n” – cu o joncțiune în planul x = 0, densitatea sarcinilor libere – goluri și electroni – nu mai este identică cu cea pe care ar avea-o separat fiecare tip de semiconductor. În apropierea joncțiunii are loc o difuzie a purtătorilor de sarcină majoritari dintr-o regiune în altă regiune, unde sunt minoritari. Se stabilește astfel o regiune cu sarcină spațială – pozitivă în regiunea „n” și negativă în regiunea „p” – în imediata apropiere a joncțiunii, restul semiconductorului rămânând neutru. Ca urmare apare un câmp electric imprimat (intern), Ei, orientat de la semiconductorul „n” către semiconductorul „p”, și deci, o barieră de potențial U0 între semiconductorii „n” și „p”.

Bariera de potențial se redă cu ajutorul relatiei 8

U0 = Up + Un, (8)

unde, Up și Un sunt potențialele de difuzie pentru goluri și, respectiv, electroni, se opune trecerii purtătorilor majoritari dintr-o regiune în alta, favorizând însă trecerea purtătorilor minoritari.

Se presupune că joncțiunea p-n este expusă unei radiații incidente (fig. 8), această radiație putând fi echivalentă cu un flux de fotoni având energia:

Wf = h (9)

unde

Wf – energia fluxului de foton

h – constanta lui Planck,

– frecvența radiației.

Fig.8 – Joncțiunea p – n

Fig.9 – Referitor la efectul fotovoltaic interior

Dacă energia unui foton este superioară amplitudinii energetice a benzii interzise din semiconductor (Wf WB), coliziunea fotonului cu un electron din banda de valență face ca electronul să treacă în banda de conducție, devenind liber în rețea și punând totodată în libertate un gol în rețea, corespunzător locului rămas liber în banda de valență. Acesta este efectul fotovoltaic (interior).

Dispozitivele în care se realizează conversia energiei luminoase în energie electrică prin efect fotovoltaic sunt denumite generatoare fotovoltaice. Generatoarele fotovoltaice elementare se numesc celule fotovoltaice sau fotocelule.

2.5. Celula fotovoltaică

Dacă generarea pe cale fotovoltaică a unei perechi electron – gol are loc în regiunea neutră, atunci purtătorii rezultați se vor separa printr-un proces de difuzie lentă și se vor recombina rapid. Sarcinile produse pe cale fotoelectrică în regiunea de trecere, însă, sunt separate pe seama câmpului electric imprimat; recombinarea acestor sarcini cu purtătorii opuși nu are loc, deoarece regiunea e practic lipsită de sarcină electrică liberă [3,5].

Apare astfel un curent Is prin joncțiune, determinat de conversia fotovoltaică a radiației incidente. Acest curent, circulând prin joncțiune dinspre materialul de tip „n”' spre materialul de tip „p”, duce la o cădere de tensiune directă U pe sarcina externă R conectată la borne. Tensiunea U la rândul ei, determină prin joncțiune un curent direct Id, de sens opus curentului de natură fotovoltaică. Curentul net prin joncțiune va fi dat de relația (10):

(10)

în care Io este intensitatea curentului de saturație la polarizarea inversă a joncțiunii, iar UT este tensiunea termică echivalentă temperaturii de funcționare a joncțiunii, definită prin relația:

(11)

unde:

k – constanta lui Boltzman;

T – temperatura absolută;

e – sarcina electronului.

Creșterea temperaturii duce la scăderea tensiunii maxime furnizată de celulă. La variații largi ale insolației, tensiunea maximă furnizată de fotocelulă variază în limite foarte înguste (acest fapt stă la baza aplicațiilor „sisteme de tensiune constantă”).

Ecuației (3.7) a caracteristicii curent – tensiune a unei celule FV corespunde schema echivalentă reprezentată în figura 10.a.

Dacă se ține seama și de rezistența ri de scurgeri prin izolația celulei precum și de rezistența rs a regiunilor neutre și a bornelor, se poate întocmi schema echivalentă completă a celulei FV (fig. 10 b), modificând corespunzător ecuația caracteristicii curent – tensiune. Cu toate tehnologiile actuale, însă, se obțin celule cu și , încât schema echivalentă simplificată este satisfăcătoare.

a) b)

Fig.10 – Schemele echivalente ale celulei fotovoltaice a) simplificată, b) complexă

Din ecuația (3.7) rezultă:

– la funcționarea în scurtcircuit (U = 0)

Isc = Is (12)

la funcționarea în gol (I = 0)

Ug = UT in (Is / I0 + 1) (13)

iar dacă Is >> I0 – ceea ce se întâmplă de obicei când nivelul de iluminare este suficient de ridicat – rezultă:

Ug UT ln (I / I0) (14)

În lipsa iluminării se obține:

(15)

ceea ce justifică denumirea dată curentului Id de „curent la întuneric” al fotocelulei.

Caracteristicile I-U ale unei celule fotovoltaice au aspectul din figura 11.

Curentul de scurtcircuit Is, respectiv tensiunea de mers în gol Ug ale unei celule sunt dependente de nivelul de iluminare. Valoarea maximă limită a tensiunii de mers în gol este egală cu U0 (bariera de potențial), care – pentru grade mai mari de impurificare a materialelor semiconductoare – se apropie de lățimea benzii interzise WB/e. În practică, însă – chiar la niveluri ridicate de iluminare – doar o tensiune maximă de cca. 0,5WB/e este disponibilă la bornele fotocelelei. Oricum, se poate trage concluzia că, folosind semiconductoare cu bandă interzisă mai largă, se obțin tensiuni mai mari la bornele fotocelulelor.

Fig.11 – Caracteristica curent – tensiune ale unei celule fotovoltaice

Semiconductoarele cu bandă interzisă utilizează doar o mică parte din fotonii incidenți, ceea ce are ca rezultat obținerea unui curent foarte scăzut. De aceea, pentru obținerea unor performanțe ridicate ale fotocelulei, trebuie aleasă o valoare de compromis a lățimii benzii interzise.

Pentru o putere radiantă incidentă Pr dată,

Pr = Ec Sc (16)

unde

Ec este densitatea de putere radiantă la suprafața celulei, iar

Sc este aria suprafeței active a celulei,

Puterea electrică cedată sarcinii R a unei fotocelule este:

(17)

valoarea maximă a acestei puteri se obține într-un punct M al caracteristicii I – U a celulei, ale cărei coordonate – rezultate din condiția P / U = 0 – sunt date de ecuațiile:

(18)

În cazul unei sarcini pasive, valoarea optimă a rezistenței de sarcină va fi

(19)

această valoare variază în limite largi cu nivele de iluminare.

O cifră de merit importantă pentru celulele fotovoltaice este așa numitul factor de utilizare, definit prin relația

(3.17)

Cea mai importantă cifră de merit a unei celule FV o constituie, insă, randamentul conversiei. În condițiile maximului puterii electrice debitate la borne, PM, randamentul conversiei este

(20)

unde

PM – puterea maximă

PR – puterea radiantă incidentă

2.6. Materiale și tipuri de celule fotovoltaice

Semiconductorul este format din atomi individuali, legate într-o structură regulată și periodică, formând un aranjament unde fiecare atom este înconjurat de 8 electroni. Un atom are un nucleu format din protoni (acestea sunt particule cu sarcină pozitivă) și neutroni (particule fără sarcină). Numărul de protoni și de neutroni este egal, astfel, atomul tot timpul are sarcină neutră. Electronii ocupă anumite nivele de energie, bazate pe numărul de electroni din atomul respectiv, care număr este diferit pentru fiecare element din tabelul periodic.

Materialele mai des folosite în construcția celulelor fotovoltaice destinate conversiei energiei solare în energie electrică sunt:

siliciul, cu avantajul unor randamente atinse de cca 19%, la temperaturi de funcționare relativ reduse (randamentul maxim teoretic la 0oC fiind 23%);

arseniura de galiu (GaAs), cu randamente obținute de cca 23% (randamentul maxim teoretic la 0oC fiind 27%), cu posibilități de utilizare la temperaturi mai ridicatesiliciul;

sulfura de cadmiu (CdS), cu randamente atinse de cca 8% (randamentul maxim teoretic la 0oC fiind 19%);avantajul unei lățimi mari a benzii interzise, WB, ceea ce o recomandă pentru aplicații la temperaturi mai ridicate;

telura de cadmiu (CdTe), cu randamente obținute de cca 7%; este, teoretic, materialul care ar da randament optim maxim (28%) dar pentru care tehnologia nu este suficient de pusă la punct.

Alte materiale utilizate sunt: germaniul, fosfura de indiu (InP), fosfura de galiu (GaP).

Pentru mărirea eficienței celulelor fotovoltaice, trebuie ținut seama de faptul că radiația solară are un larg spectru de frecvență și o mare varietate de energii fotonice. Cea mai promițătoare metodă pentru folosirea cît mai eficientă a întregului spectru al radiației solare este aceea care utilizează materiale semiconductoare cu niveluri de energie în banda interzisă. Electronii pot să fie atunci – pentru un timp oarecare – pe astfel de niveluri, ceea ce face disponibile mai multe valori ale energiei fotonilor pentru a genera purtători de sarcină liberi. O asemenea metodă ar ridica mult randamentul energetic al celulelor fotovoltaice.

O creștere a randamentului se obține și prin folosirea unor tehnologii adecvate, de exemplu, pentru realizarea contactelor (imprimarea sub formă de grilaj) și a unor acoperiri antireflectante (de regulă, cu pelicule de oxid de siliciu). Acoperirile antireflectante reduc pierderile prin reflexie de la cca. 30% la mai puțin de 10%, reflectivitatea mare a suprafețelor semiconductoare datorându-se valorii ridicate a indicelui de refracție, pentru majoritatea acestora.

Conversia energiei fotovoltaice în celule solare se realizează în două etape importante: prima etapă constă în absorbția luminii care generează perechea electron – gol, care vor fi separate, și anume, electronii către polul negativ, iar golul de borna pozitivă, astfel, generându-se energia electrică.

CAPITOLUL 3.

SISTEMELE FOTOVOLTAICE

3.1. Echipamente aferente sistemelor fotovoltaice

Modulele fotovoltaice pot fi montate pe sol sau pe clădiri, sau pot fi încorporate în structura clădirilor, în general, pe fațada acestora. Vântul și zăpada consideră probleme majore în proiectare. Perioada de viață a modulelor PV, în general, este 25 ani, astfel clădirea și structura de suport de asemenea este proiectată pentru această perioadă de viață. Printre echipamentele aferente face parte bateria, controlerul de sarcină, invertorul și sistemul de urmărire al puterii maxime.

3.1.1. Bateriile de acumulatoare

Bateriile sunt componentele necesare ale sistemelor FV, care asigură alimentarea consumatorului cu energie în timpul nopții sau în cazul în care sistemul PV nu poate să satisfacă cerințele. Bateriile trebuie să fie plasate într-un loc unde temperatura nu este foarte mare și în același timp, spațiul, unde se află bateria trebuie să fie bine ventilat [5].

Tipurile cele mai importante care sunt folosite în sistemele FV, sunt cele cu plumb – acid, nichel – cadmiu, nichel hibrid și litiu. Bateriile de plumb-acid, au mare ciclu de viață, sunt cele mai des utilizate. Acestea sunt reglate cu supape și sunt găsibile în diferite mărimi. Bateriile uscate sau cele umede, necesită mentenanță mai mare, pe când bateriile cu reglare prin supape au nevoie de mai puțină mentenanță.

Cerința principală față de bateria folosită în sistemul FV este de a putea accepta și rezista încărcările și descărcările repetate, fără deteriorări. Pentru obținerea capacității mai mari, ele se conectează în paralel.

Bateriile, în general, sunt utilizate în sistemele FV separate – stand alone – pentru acumularea energiei electrice de a lungul orelor când sistemul FV acoperă complet sarcina și este în surplus sau când este soare, dar nu este consum. Nopțile, sau în timpul perioadelor cu iradiere redusă bateria poate transmite energie către sarcină.

Bateriile se clasifică prin capacitatea lor nominală (qmax), unitatea de măsură este Ah, care poate fi obținut la maxim în condiții de descărcare predefinită. Eficiența depinde de starea încărcării și de curentul de încărcare și descărcare. Starea încărcării (SOC) este raportul dintre capacitatea actuală a bateriei și capacitatea nominală, adică:

(21)

SOC poate avea valoarea între 0 și 1. Dacă SOC = 1, atunci, bateria este complet încărcată, și dacă SOC = 0, bateria este complet descărcată.

Fig 12 – Diagrama schematică a bateriei [5]

Alți parametri legați de baterie, sunt regimul de încărcare și de descărcare precum și perioada de viață a bateriei. Regimul de încărcare (sau de descărcare), exprimat în ore, este acel parametru care reflectă relația dintre capacitatea nominală a bateriei și curentul la care este încărcată (sau descărcată) – de exemplu, regimul de descărcare de 40 Ah pentru o baterie cu capacitatea nominală de 200 Ah înseamnă că se descarcă la . Durata de viață a bateriei, este numărul de cicluri de încărcare – descărcare.

În general, o baterie poate fi privită ca o sursă de tensiune E, înseriată cu o rezistență internă Ro, conform figurii de mai sus, în care caz, tensiunea la borne, U, este dată de relația:

U = E – IRo (22)

3.1.2. Invertorul

Invertorul este folosit pentru convertirea curentului continuu în curent alternativ. Ieșirea invertorului poate fi monofazic sau trifazic. Invertoarele sunt caracterizate de capacitatea lor totală, avînd un domeniu larg de la sute de wați la megawați. Unele au o bună capacitate de pornire, altele însă nu. Proiectantul invertorului specifică ambele, atât tipul cât și sarcina maximă a invertorului.

Invertorul se caracterizează prin eficiența lui de dependență de putere, inv. Pe lângă convertirea curentului continuu în curent alternativ, o altă funcție importantă a invertorului, constă în menținerea tensiunii constante pe partea curentului alternativ și convertirea puterii de intrare Pin în putere de ieșire, Pout, cu eficiență cât mai mare posibilă, calculată cu relația :

(23)

unde

cos() – factor de putere

Icc – curentul necesar invertorului, în funcție de curentul continuu de la convertor [A];

Ucc – tensiune de intrare în invertor curentului continuu, de la controler, [V].

Multe tipuri de invertoare sunt disponibile, dar nu toate sunt potrivite pentru alimentarea rețelei sistmeului.

3.1.3. Controlerul de sarcină

Controlerul are rol de reglare al puterii modulelor FV, ca să protejeze bateria de supraîncărcare. Controlerul poate fi cu șunt, sau în serie, funcționează la tensiune joasă a bateriei pe care o deconectează, fiind o protecție de la supradescărcare. Controlerul se alege pentru capacitatea corectă și pentru caracterisitici cerute [6].

Controlerul permite determinarea tensiunii de funcționare a sistemului FV. Totuși, tensiunea bateriei poate să nu fie la valoarea optimă a tensiunii de funcționare. Unele pot optimiza tensiunea de funcționare a modulului FV, independent de tensiunea bateriei, astfel, PB funcționează la punctul maxim de putere – maximum power point-.

Oricare sistem energetic are un controler și o strategie pentru funcționarea controlerului, care descrie interacțiunile între componente. În sistemul FV, utilizarea bateriilor ca un mediu de înmagazinare, implică utilizarea controlerului de sarcină. Acesta se utilizează pentru direcționarea fluxului de energie de la sistemul FV către baterie și sarcină utilizând tensiunea bateriei și valorile lor maxime și minime. Cea mai mare parte a controlerelor, au două moduri de funcționare:

Condiții normale de funcționare, când tensiunea bateriei variază între valorile maxime și minime acceptabile.

Condiții de supraîncărcarea sau supra-descărcare, situație care apare atunci când tensiunea bateriei atinge valoarea critică.

Cel de al doilea mod de funcționare se obține atunci când se folosește un comutator având ciclu de histereză, așa cum ar fi un aparat electromecanic. Funcționarea comutatorului se prezintă în figura 3.41[4,5].

b)

Fig 13 – Principiul de funcționare al protecției de supraîncărcare sau descărcare

supraîncărcare, b) supra-descărcare [5]

3.1.4. Sisteme de urmărire a puterii maxime

Conform celor spuse mai sus, o celulă are un singur punct de funcționare, unde valoarea curentului (I) și a tensiunii (U) a celulei rezultă într-o ieșire a punctului maxim de putere. Valorile corespund unei rezistențe particulare, care este egală cu U / I, conform legii lui Ohm. Celula PV are o relație exponențială între curent și tensiune, și există numai un singur punct optim de funcționare, denumit punct maxim de putere – maximum power point – MPP- pe curba de putere, tensiune sau de curent, conform fig din 14.

Fig.14 – Curba de putere – tensiune a celulei FV

b)

Fig. 15 – Influența radiației solare și a temperaturii asupra caracteristicile FV

a) efectul iradierii crescute b) efectul temperaturii crescute [5]

MPP se schimbă în funcție de intensitatea radiației solare și în funcție de temperatură conform fig. 15. Sistemele de urmărire a MPP utilizează unele tipuri de circuite de comandă sau circuite logice pentru a putea determina acest punct, care permite convertorului să extragă din celulă puterea maximă disponibilă. De fapt, sistemele de urmărire MPP optimizează tensiunea de funcționare a sistemului PV ca să maximizeze curentul. În mod tipic, tensiunea în sistemul PV se încarcă automat. Sisteme simple de MPP pot avea seturi de puncte selectate.

MPPT este o metodă care permite controlerului să funcționeze la punctul de funcționare optimă. MPPT compensează tensiunea aflată în schimbare în funcție de caracteristica curentului celulei solare. MPPT monitorizează tensiunea și curentul de ieșire al panoului solar și determină punctul de funcționare care va asigura livrarea unei puteri corespunzătoare căttre bateri și sarcină.

MPPT este de mare eficiență la convertor de CC – care funcționează ca o sarincă electrică optimă pentru un modul sau panou solar și care convertește puterea la un nivel de curent sau de tensiune mult mai eficientă decât valoare la care a fost proiectat sistemul.

Controlerele de MPPT sunt dezirabile pentru sisteme în afara rețelei. Beneficiul regulatorului de MPPT-urilor sunt foarte bune când vremea este caldă, noroasă, sau când bateria este descărcată. În toate cazurile, totuși, costul și complexitatea de a include sistemul MPPT se echilibrează față de câștigul puterii preconizate și impactul lui asupra fiabilitatea sistemului.

CAPITOLUL IV

SIMULAREA FUNȚIONĂRII INSTALAȚIILOR FOTOVOLTAICE

Utilizarea programului “RETSCREEN INTERNATIONAL”[9], cu referire la simularea funcționării SFV, permite evaluarea cu ușurință a:

producției pe oră și anuală de energie,

analiza tehnico-economică a investiției proiectului pe toată durata lui de funcționare,

analiza emisiilor poluante.

Prin utilizarea acestui program se realizează nu numai calculul optim al necesarului de energie electrică momentană și anuală, ci și detaliile tehnice de funcționare ale sistemului de încălzire, climatizare și prepararea apei calde menajeră, calculul costurilor și analiza economică, precum și estimarea impactului asupra mediului.

“RETSCREEN INTERNATIONAL” este un program elaborat și realizat de Institutul Canadian al Resurselor Naturale cu contribuția a numeroși experți de la Ministerul Industriei și Guvernului Canadian, finanțat de Fondul Mediului Global al Băncii Mondiale. Programul conține mai multe posibilități de evaluare a diferitelor surse de energie regenerabilă, pentru diferite domenii de aplicație ale acesteia [9]:

biomasă,

energia eoliană,

energia geotermală,

energia solară (preparare apă caldă menajeră, încălzire aer, producere curent electric).

Software-ul RETScreen aplicat în modelul fotovoltaic – FV -, se folosește pentru evaluarea producerii de energie electrică și pentru determinarea performanțelor financiare ale proiectului, de la sistemele de pompare pe scară mică până la sistemele legate la rețea și cele izolate. Cu modelul FV se poate evalua trei aplicații de bază:

Aplicații on-grid (cu conectare la rețea) care acoperă atât rețelele centrale cât și cele izolate;

Aplicațiile off-grid (neconectate la rețea) acoperind sistemele de rețele centrale cât și cele izolate;

Aplicațiile off grid, care conțin sistemele stand- alone (izolate) (baterii – FV) și sisteme hibride;

Aplicații de pomparea apei, cu sisteme de pompare și FV

Această parte a modelului FV este utilizat pentru specificarea sistemului și pentru calcularea consumului lunar. De asemenea, se calculează, intensitatea solară anuală pentru un modul FV luând în considerare orientarea modulului, cu ajutorul valorilor lunare ale radiației solare pe o suprafață orizontală.

Sistemele fotovoltaice au relativ puține componente, funcționarea acestora este neliniară și interacțiunea lor este complexă. Software-ul folosește algoritmi relativi simpli, cu scopul reducerii numărului datelor de intrare, urmând ca viteza de calcul să se reducă considerabil, dar totuși să fie menținută acuratețea la un nivel acceptabil [9].

Programul RETScreen are o bază de date complexă, cu posibilitatea de a obține datele necesare privind caracterizarea zonei pentru care se face simularea prin introducerea unor parametri geografice.

Există posibilitatea de studiere a următoarelor situații cu sisteme de panouri fotovoltaice pentru care ca și variabile s-au considerat următorii parametri:

orientarea panoului

fixat

poziționare la 30o

poziționare la 45o

poziționare la 60o

uniaxial

poziționare la 30o

poziționare la 45o

poziționare la 60o

biaxial

tipul celulei

mono siliciu

poli siliciu

siliciu amorf

CdTe

tipul panoului din punct de vedere al fabricantului

eficiența economică.

În cadrul acestei lucrări m-am ocupat cu sistemele fixe având 3 posibilități de orientare în cadrul programului RETscreen și anume poziționarea la 30o, poziționare la 45o și poziționare la 60o.

4.1. Simulare cu programul RETScreen considerând orientarea panoului

S-au efectuat 10 simulări; cu panouri fotovoltaice fixe.

4.1.1. Simulare RETSCreen – SFV cu panou fix

În sistemele cu panouri fixe, acestea au posibilitatea de a putea fi reglate la un anumit unghi față de orizontală și anume la 30o / 45o / 60o, în scopul obținerii unei cantități de energie electrică suficientă care apoi poate fi utilizată; de exemplu cantitatea de energie electrică se folosește pentru iluminatul străzilor, sau pentru alimentarea locuințelor sau caselor în zonele izolate.

În prima etapă a analizei, am ales, după ce s-a determinat locația – pentru care se fac simulările – , tipul proiectului, el fiind realizat pentru producere de energie electrică. Tehnologia aplicată este cea fotovoltaică pentru rețea izolată.

În următoarea etapă, am ales locul geografic, Oradea, caracterizat prin datele geografice în urma cărora se pot determina datele meteorologice care au mare importanță privind rezultatul utilizării panourilor fotovoltaice, (tabelul 3).

Într-o primă etapă, voi reda o analiză completă de obținere de energie electrică cu ajutorul unui sistem cu panouri fotovoltaice.

Într-un prim pas se determină denumirea proiectului și se va alege tipul proiectului, el fiind în acest caz, de producere de energie electrică. Tehnologia aplicată este cea a PV-ului, iar tipul rețelei este considerat ca fiind o rețea izolată.

Tabel 3 – Reprezentarea datelor geografice și meteorologice ale orașului Oradea

La simulări am folosit software-ul RETScreen, cu ajutorul căruia am realizat mai multe tipuri de simulări pe care le voi prezenta prin simulările împărțite pe mai multe categorii.

În cele ce urmează, va fi prezentată funcționarea programului pentru analiza proiectului de energiei curată. În fig.16 este redată o captare de ecran din programul RETscreen, unde se poate observa că sunt zone colorate cu gri și cu galben. În zonele colorate cu gri pot fi înscrise de la tastatură diferite informații privind proiectul. În zona colorată cu galben, din mai multe opțiuni poate fi aleasă, selectată, acea opțiune de care avem nevoie.

Fig.16 – Date despre proiect

În tabelul 4. sunt redate datele folosite în program, adică, următoarele date pentru fiecare lună din an:

temperatura aerului [oC];

umiditatea relativă [%];

radiația solară zilnică [kWh/m2/zi];

presiunea atmosferică [kPa];

viteza vântului [m/s];

temperatura solului [oC];

grade-zile lunare pentru încălzire [oC-z];

grade –zile pentru răcire[oC-z].

Datele din captarea ferestrei intitulată “Date fundamentale ale proiectului” (Tabelul 4.2) sunt primite prin internet, de aceea este necesar că la folosirea acestui program să există conexiune la internet.

Tabelul 4 – Date fundamentale ale proiectului

Datele prezentate în tabelul de mai sus, sunt constante și sunt folosite în fiecare caz de simulare.

4.1.2. Modelul energetic – proiect producere de energie electrică

Pentru analiza panourilor fotovoltaice, am folosit baza de date existentă în software-ul RETScreen.

Pentru o primă analiză am ales celula fotovoltaică cu următoarele caracteristici, prezentate în tabelul 5:

Tabelul 5 – Caracteristicile panoului fotovoltaic

Performanțele sistemului: factorul de disponibilitate / capacitatea sistemelor fotovoltaice conectate, este puternic influențat de elementele convenționale de producere (clasice).

Principial, energia electricǎ produsǎ de microgeneratoarele, sub forma de tensiune continuǎ, se aplicǎ invertoarelor de putere, care realizează conversia din tensiune continuǎ în tensiune alternativǎ.

În figura de mai jos, fig.17, sunt redate ferestrele utilizate în proiectarea sistemului. S-a ales un sistem compus din 5 unități, eficiența FV-ului fiind de 7,8%.

Fig.17 – Ecranul modelului energetic Retscreen pentru producere de energie electrică

Se observă că, în cazul sistemului fotovoltaic ales, panoul este fixat în poziția de 45o, obținând o radiație solară anuală – pe orizontală – 1,25 MWh/m2, și radiație solară cu înclinație de 1,42 MWh/m2. S-a introdus valoarea de 240 dolari / MWh pentru prețul energiei electrice exportată. Energia electrică livrată în rețea are valoare pe un an de 0,047 MWh. Analiza costurilor este prezentată în fig.18.

Fig.18 – Fereastra pentru evidențierea analizei costurilor privind cazul analizat

În acest caz al analizei costurilor, se studiază fezabilitatea proiectului, dezvoltarea în cursul funcționării sistemului, ingineria, sistemul de producere de energie electrică, care cuprinde panoul sau panourile FV, căile de acces, liniile electrice, postul de transformare, măsurile de eficiență electrică. De asemenea, se ia în considerare echilibrarea sistemului, care cupriinde piesele de schimb, transportul.

Costurile inițiale conțin costurile anuale, exploatarea și întreținerea precum și costurile periodice definite de utilizator.

Următorul pas este analiza emisiilor, fig.19. Pentru analiza emisiilor poluante, există 3 posibilități. Prima posibilitate este analiza simplificată a emisiilor poluante, a doua metodă ia în considerare mai mulți parametri predefiniți, iar cea de a treia metodă implică aplicarea acestor parametri. Se va aplica prima metodă, în care sunt cunoscuți factorii emisiilor generate prin producerea de energie electrică. Programul conține pentru fiecare stat emisia de GHG – emisia gazelor de seră – .

Fig 19 – Reducerea emisiilor GES

Se observă că, s-a făcut o echivalare a conținutului gazelor de seră – metan și N2O – cu bioxidul de carbon , astfel pentru 21 t CO2 se obține echivalentul de 1 t de CH4, și pentru 310 t CO2 1 t de N2O.

În fig.20. se prezintă analiza financiară a proiectului, (calculele s-au efectuat în dolari), în care s-au calculat valorile parametrilor financiari, costurile proiectului și economiile generate, viabilitatea financiară, graficul cash-flow-ului monetar.

Fig.20 – Analiza financiară

Costurile inițiale totale sunt 15.117 $, costurile anuale și plata datoriilor este de 380 $, raportul cost – beneficiu este 2.63, care înseamnă că acest tip de sistem este profitabil.

Din analiza financiară rezultă că instalația va fi profitabilă după 17 ani, ajungând în anul al 25-lea la valoarea de 325.270 $.

4.1.3. Simulare RETScreen cu sistemul de poziționare la 30o

În urma simulărilor efectuate cu ajutorul programului RETscreen,

Pentru acest tip de analiză am mai efectuat 10 simulări; în tabelul 6, sunt redate valorile referitoare la energia livrată în funcție de numărul unităților.

Tabelul 6 – Valorile puterii instalate, energiei livrate la 30o

Valorile sunt redate grafic în fig 21.

Fig. 21 – Valorile energiei livrate în cazul poziționării la 30o

Producerea energiei livrate în cazul sistemului PV la o înclinație de 30o crește în funcție de numărul unităților. Am ales înclinație de 30o față de orizontală pentru că, la această înclinație atinge cantitatea de energie livrată valoarea maximă.

4.1.4. Simulare RETScreen cu sistemul de poziționare la 45o

În tabelul de mai jos – 7 – sunt redate valorile obținute din simulările efectuate cu sistemul fixat la 45o.

Tabel 7 – Valorile puterii instalate, energiei livrate la poziționare de 45o

Fig.22 – Energia livrată în funcție de puterea instalată

Din acest set de simulări se poate observa, că valoarea energiei livrate este de 0,406 MWh/an, folosind 45 de unități, dar, care sunt fixate la 45o față de orizontală.

4.1.5. Simulare RETScreen cu sistemul de poziționare la 60o

În tabelul 8, sunt prezentate valorile energiei electrice livrate, puterile instalate, numărul de unități dintr-un sistem fotovoltaic în cazul poziționării acestuia la 60o după soare

Tabelul 8 – Valorile puterii instalate, energiei livrate la 60o

Fig.23 – Valorile energiei livrate în cazul poziționării la 60o

Din al treilea set de simulări, unde unitățile sunt fixate la 60o față de orizontală, reiese că energia livrată este de 0,429 MWh / an.

În tabelul 9 – sunt reprezentate valorile energiei electrice livrate în rețea, obținute din simulările efectuate.

Tabel 9 – Valorile energiei livrate la 30o, 45o, 60o

În fig. 24 se prezintă grafic valorile obținute pentru energia livrată în funcție de puterea instalată.

Fig.24 – Reprezentarea celor trei tipuri de simulări

Din simulările efectuate în cazul sistemului cu poziționare fixă, care nu conține sistem de urmărire, poate fi reglat la 30o, 45o și 60o. Toate simulările au fost făcute în aeleași condiții cu același număr și tip de panouri. În cazul simulărilor efectuate la 45o, valoarea energiei livrate este 0,406 MWh / an, la un număr de 45 de panouri fiecare panou având 50 W Pi.

Din cele de mai sus rezultă că în cazul sistemului cu poziționare fixă, cea mai eficientă poziție este reglarea unităților la 30o, din punct de vedere al obținerii energiei electrice.

Eficientizarea sistemului din punct de vedere al obținerii energiei electrice, se obține prin mărirea numărului de unități montate, însă acest lucru are dezavantajul creat de spațiul mare ocupat prin panourile solare, precum și cheltuielile care cresc cu creșerea numărului unităților folosite.

CAPITOLUL 5

CONCLUZII

Comisia Europeană estimează că aproximativ 34% din cererea de electricitate a Uniunii Europene va rezulta din surse regenerabile până în 2020 pentru a îndeplini obiectivul global de energie.

Dezvoltarea potențialului din Europa, pentru utilizarea energiei regenerabile va contribui la securitatea aprovizionării cu energie, va reduce importurile și dependența de combustibil, va reduce emisiile de gaze cu efect de seră, va îmbunătăți protecția mediului, va crea noi locuri de muncă, și va consolida eforturile spre o societate bazată pe cunoaștere.

Sursele de energie regenerabile (RES) joacă un rol tot mai important în cadrul sistemului european de energie electrică.

Energia solară a devenit un subiect foarte important din momentul în care omenirea a realizat că energia constituie o componentă vitală a existenței sale în condițiile civilizației moderne. Soarele oferă o alternativă posibilă la soluționarea crizei de energie, care a devenit din ce în ce mai accentuată cu creșterea populației, ridicarea standardului său de viață, cu epuizarea combustibililor fosili și nucleari de fisiune.

Resursele ieftine de energie se vor termina peste circa 20 de ani, când obligatoriu se va trece la surse alternative, estimează WEC. În plus, dacă economiile țărilor în curs de dezvoltare vor crește în ritmurile de până acum, până în 2050 pe Terra se va produce suficient petrol pentru satisfacerea nevoilor lor.

Soarele este o sursă prodigioasă de energie, într-o secundă Soarele radiază în spațiu mai multă energie decât a consumat omenirea de la apariția sa pe Pământ și anume 3,86 1026 J. O mare parte din aceasta se pierde din spațiu, dar totuși, cantitatea ajunsă asigură necesitățile energetice ale omenirii.

În localități mari, la distanță de sistemul public de distribuție, chiar și mici cantități de energie electrică devin disponibile, numai la costuri considerabile. În aceste circumstanțe, sistemele fotovoltaice conjugate cu bateriile de depozitare sunt o soluție atractivă și ieftină.

Pentru moment, folosirea sistemelor fotovoltaice în astfel de locații, poate fi preferată pentru impactul redus asupra mediu, corelat cu creșterea performanțelor bateriilor de stocare (acumulatori) sau pentru promovarea energiei electrice în alimentarea serviciilor izolate de tip informații și comunicație (radio, TV, telefon). Cererea de energie pentru iluminarea minimală casnică sau pentru alte servicii de putere electrică scăzută, cum ar fi refrigerarea poate fi satisfăcută de către astfel de sisteme fotovoltaice.

Producția de energie electrică pe bază de panouri fotovoltaice este oportună în contextul actual din România.

Conform cadrului legislativ care susține energiile regenerabile (4 certificate verzi plus valoarea energiei electrice produse / MWh produs cu panouri fotovoltaice) perioada de recuperare a investiției este între 5 – 14 de ani. În acest sens este necesară sprijinirea producției de energie electrică pe bază de panouri fotovoltaice în România, care la nivelul european este de aproximativ 2 – 3 euro / Wp.

Din punct de vedere al eficienței sistemelor cu panouri fotovoltaice se poate afirma următoarele:

Considerând sistemele de poziționare fixă se poate spune următoarele: din cele studiate reiese că eficiența cea mai bună o are instalația, când modulul fotovoltaic este reglat la 30o.

Creșterea numărul unităților fotovoltaice, atrage după sine creșterea cantității de energie electrică livrată în rețea.

Bibliografie

Alcubilla, R., Pons J. and Castaner, L., 1992. Superposition solution for minority carrier current in the emitter of bipolar devices, Solid State Electronics, Vol. 35, pp. 529-533.

Anderson, R.L., 1962. Experiments on Ge-As heterojunctions, Solid State Electronics, Vol. 5, pp. 341-351.

Chenni R., M. Maklouf, T. Kerbache, A. Bouzid, A detailed modelling for photovoltaic cells, Solar Energy 32, 2007

Dănescu Al., Bucurenciu S., Petrescu St., Utilizarea energiei solare, Ed. Tehnică, Bucureșto, 1980

Goetzberger A. V.U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer Series in Optical Sciences, 2005

Kalogirou S., 2009, Solar Energy Engineering: processes and systems, Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights Department in Oxford, UK

www.issues.org

http://ecoenergo.ro/imagini/harta_solara_a_romaniei.jpg

http://www.retscreen.net/ang/version4.php

Bibliografie

Alcubilla, R., Pons J. and Castaner, L., 1992. Superposition solution for minority carrier current in the emitter of bipolar devices, Solid State Electronics, Vol. 35, pp. 529-533.

Anderson, R.L., 1962. Experiments on Ge-As heterojunctions, Solid State Electronics, Vol. 5, pp. 341-351.

Chenni R., M. Maklouf, T. Kerbache, A. Bouzid, A detailed modelling for photovoltaic cells, Solar Energy 32, 2007

Dănescu Al., Bucurenciu S., Petrescu St., Utilizarea energiei solare, Ed. Tehnică, Bucureșto, 1980

Goetzberger A. V.U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer Series in Optical Sciences, 2005

Kalogirou S., 2009, Solar Energy Engineering: processes and systems, Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights Department in Oxford, UK

www.issues.org

http://ecoenergo.ro/imagini/harta_solara_a_romaniei.jpg

http://www.retscreen.net/ang/version4.php