Lucrarea este structurată în patru capitole, introducere, concluzii și 23 referințe bibliografice. [303489]

INTRODUCERE

Lucrarea de față reprezintă un studiu privind eficiența energetică a [anonimizat] a energiei solare pentru transformarea acesteia în energie electrică.

Energia solară reprezintă o sursă de bază a [anonimizat] o sursă de energie regenerabilă și ecologică. [anonimizat]-se o durată a existenței radiației solare de încă aproximativ 4 – 5 [anonimizat].

Utilizarea energiei solare presupune o [anonimizat]. Astfel, [anonimizat].

România este localizată în zona europeană B [anonimizat] 210 zile însorite pe an și un flux anual de energie solară cuprins între 1000 kWh/mp/an și 1300 kWh/mp/an. România se află pe locul 13 între cele mai atractive țari din lume în ceea ce privește investițiile în acest domeniu. Potențialul energetic solar s-a reflectat în ultimii ani prin creșterea investițiilor în centrale solare: în 2007 centralele solare din România aveau o capacitate de producție de 0.30 MW, crescând în 2011 la 2.9 MW și ajungând la 5 MW în 2012. [16]

Potrivit evidențelor de la  Agenția pentru Protecția Mediului (APM) Dolj, [anonimizat], acesta se întinde pe aproape 30 de hectare și are o putere de 9,91 MW. Firma Izvor de Lumină SRL are parcul cu cea mai mare putere din județ (14 MW), care se întinde pe 28,5 ha, [anonimizat] o putere de 7,5 MW, iar investiția se întinde pe mai mult de 13 hectare. [14]

[anonimizat]-se în zona de radiație I cu intensitatea radiației solare mai mare de 1350 kWh/m2/an.

[anonimizat]. [anonimizat] a [anonimizat], în curent eletric.

Scopul lucrării este acela de a [anonimizat].

[anonimizat], concluzii și 23 referințe bibliografice.

În Capitolul I se prezintă principalele tehnologii de valorificare a energiei solare. [anonimizat]. [anonimizat], fiind folosiți în aplicațiile industriale sau casnice de mică putere.

[anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], regulatoare și regulatoare de sarcină.

În Capitolul III se prezintă eficiența panourilor fotovoltaice, se evidențiază conversia energiei solare în energie electrică prin prezentarea efectului fotovoltaic. Se face o analiză a randamentului panourilor fotovoltaice în funcție de tipul celulei. Acest capitol mai cuprinde descrierea măsurătorilor, datele experimentale, înregistrările și comparațiile realizate.

În Capitolul IV se prezintă potențialul fotovoltaic în zona Craiovei ținând cont de zona de radiație solară, intensitatea radiației solare și climă. Estimarea consumului pe lună se face prin alegerea unei locuințe din această zonă pentru care se deduce un consum lunar în funcție de consumatorii electrici, în final a rezultat un consum de 5.19 kWh/zi, respectiv 1868.4 kWh/an. Sistemul ales trebuie sa facă față acestui consum, de aceea s-a ales sistemul fotovoltaic cu puterea nominală de 1800 W (1.8 kW), durata de amortizare fiind de 7 ani.

Doresc să-i mulțumesc Domnului Prof.univ.dr.ing Ivanov Iuri Sergiu pentru îndrumarea și susținerea care mi-au fost de mare folos în elaborarea și finalizarea acestei lucrări.

CAPITOLUL I

TEHNOLOGIA DE VALORIFICARE A ENERGIEI SOLARE

1.1 Tehnologia de mare putere

Centrale solare termice cu concentrarea radiației solare directe

(CSP – Concentrating Sun Power)

Centrale solare termice cu concentrarea radiației solare directe concentreaza razele solare pe suprafața absorbantă a oglinzilor concave care își modifică orientarea în raport cu poziția soarelui.

În cazul centralelor solare cu oglinzi parabolice energia este colectată de către oglinzile întinse pe suprafețe mari și radiația se concentrează pe suprafețele absorbante aflate în centrul focal al fiecărei oglinzi. [5]

Pentru această conversie există trei tehnologii importante:

Power Tower;

Oglinzi parabolice liniare;

Oglinzi parabolice cu motoare Stirling sau cu generator de aburi.

Tehnologia Power tower – utilizează sisteme cu turnuri solare.

Turnul solar este alcătuit dintr-o rețea de reflectoare de urmărire cu ax dublu (heliostate) și un receptor central unde se concentrează lumina solară. În receptor există un fluid (apă de mare) care este încălzit la 500 – 1000 0C fiind utilizat ca sursă de căldură generând energie electrică, dar mai poate fi utilizat și ca un sistem de stocare a energiei.

Acest turn este mai eficient și are o capacitate de stocare a energiei mai bună. [12]

Figura 1.1 Instalție solară de generare a energiei electrice cu turn solar

Tehnologia cu oglinzi parabolice liniare

Această tehnologie este o altă metodă de captare a radiației solare. Concentratorul parabolic sau captatorul solar este prezentat în figura 1.2.

Figura 1.2 Captator solar cu oglinzi parabolice liniare

Concentratorul parabolic este realizat dintr-o oglindă parabolică având o formă de jgheab unde se concentrează radiația solară pe un receptor aflat de-a lungul liniei focale a reflectorului.

Receptorul are forma unui tub poziționat deasupra oglinzii parabolice în care există un lichid de lucru. Prin rotirea în jurul unei singure axe reflectorul urmărește soarele în timpul zilei.

Fluidul de lucru (care poate fi sare topită) curge prin receptor și se încălzește la o temperatură de 150 – 350 0C, apoi este utilizat ca sursă de căldură pentru producerea de energie electrică. Concentratorul își modifică poziția în funcție de poziția soarelui.

Această tehnologie solară cu oglinzi parabolice este cea mai bine dezvoltată. [12]

O altă variantă a concentratorului parabolic o reprezintă concentratoarele Fresnel.

Concentratoarele Fresnel cu concentrare liniară folosesc în loc de oglinzi parabolice multe fâșii subțiri de oglinda pentru ca lumina soarelui să fie concentrată pe două tuburi umplute cu fluid de lucru.

Această instalație folosește oglinzi plane care sunt mai ieftine decât cele parabolice, prezintă avantajul că se pot monta mai multe reflectoare în același loc și astfel se va utiliza mai mult din lumina solară disponibilă.

Reflectorul liniar Fresnel este utilizat în instalații de dimensiuni mari și compacte. [12]

Tehnologia cu oglinzi parabolice și motoare Stirling

Sistemul Stirling sau sistemul cu farfurie este format dintr-un reflector parabolic independent. Reflectorul concentrează lumina solară pe un receptor poziționat în punctul focal al reflectorului care urmărește soarele pe două axe. Prin receptor circulă fluidul de lucru încălzit la 250 – 700 °C care este utilizat de un motor Stirling pentru a genera energie electrică.

Sistemele parabolice cu motor Stirling au o eficiență solar-electrică mare față de celelalte tehnologii termice-solare cu concentrare, iar stabilitatea este dată de faptul că sistemele sunt modulare. [12]

Figura 1.3 Oglindă cu motor Stirling cu capacitatea de 10 kW

1.2 Tehnologia de mică putere

Captatori de mică putere

Captatori de mică putere sunt destinați pentru obținerea apei calde și sunt utilizați pe scară redusă în aplicații casnice sau industriale de mică putere.

În utilizarea casnică, în cazul locuințelor izolate care nu sunt racordate la rețeaua de curent alternativ panourile solare au o importanță foarte mare. [4]

În sistemele mai evoluate, pe lângă panouri se mai montează:

baterie de acumulatore care în lipsa luminii solare să poată livra energie;

un regulator de tensiune pentru evitarea supraîncărcării bateriei;

un dispozitiv de deconectare când acumulatoarele se descarcă sub limită;

un dispozitiv de măsurare care indică direcția de alimentare și cantitatea de energie produsă/consumată;

când se utilizează consumatori de curent alternativ, este necesar și un invertor.

Figura 1.4 Aplicație casnică – panouri fotovoltaice

1.3 Celulele fotovoltaice

Valorificarea energiei solare constă în găsirea unor tehnologii eficiente și sunt necesare cunoștiințe avansate în acest domeniu. Lumina soarelui este larg răspândită astfel încât au apărut instalații și echipamente pentru captarea și utilizarea energiei solare.

Celulele fotovoltaice sunt cele mai cunoscute și oferă un mod de exploatare și de valorificare a energiei solare, acestea sunt cunoscute și sub numele de celule solare.

Celulele solare sunt alcătuite din semi-conductori, de obicei din siliciu, care absorb lumina de la soare. Atunci când radiația solară lovește suprafața din siliciu se creează noi electroni. Când electronii sunt trimiși afară din siliciu curentul electric este creat. [23]

Generatorul fotovoltaic este alcătuit sub forma câmpului fotovoltaic care are în componență elemente de interconectare (cablaj), elemente de protecție (diode antiretur) și/sau subansamble (sisteme de acționare, dispositive de orientare automată). [21]

Figura 1.5 Panou fotovoltaic (PV)

În cazul celulelor solare există două tipuri de funcționare:

Funcționare fără stocaj (cu racordare la rețea);

Funcționare cu stocaj (sistem autonom).

CAPITOLUL II

STRUCTURA UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC

2.1 Alcătuirea unui sistem fotovoltaic

Celulele sau panourile fotovoltaice nu reprezintă singurele componente ce alcătuiesc un sistem fotovoltaic. Pentru a alimenta continuu consumatorii cu energie electrică, majoritatea sistemelor fotovoltaice au în structură acumulatoare de energie electrică.

Modulul fotovoltaic poate fi reprezentat de un generator de curent continuu (c.c.), dar de cele mai multe ori consumatorul de energie poate fi și de curent alternativ (c.a).

Energia electrică fotovoltaică prezintă un caracter variabil datorită următorilor factori: alternanța zi – noapte, cer senin – cer acoperit; aceștia pot provoca variația într-o gamă mare a fluxului de energie și a tensiunii generate de modulul fotovoltaic.

Condiționarea fluxului de energie se face folosind convertoare electronice care pot fi de curent continuu – curent continuu (c.c/c.c) care au rolul de a monitoriza procesul de încărcare/descărcare a acumulatorilor și convertoare de curent continuu – curent alternativ (c.c/c.a) care transformă curentul continuu în curent alternativ.

Sistemul fotovoltaic se poate supradimensiona, de aceea se folosește o sursă auxiliară de energie, fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiar rețeaua electrică publică.

Toate componentele sistemului trebuie să fie interconectate, dimensionate și specificate pentru funcționarea într-un sistem unic care se numește sistem fotovoltaic. În figura 2.1 este reprezentată structura unui sistem fotovoltaic.

Principalele componente din structura sistemului fotovoltaic sunt:

• modulul, panoul și câmpul de module (generatorul fotovoltaic);

• bateria de acumulatoare;

• subsistemul pentru condiționarea energiei electrice (elemente de măsurare, monitorizare și protecție;

• sursa auxiliară de energie sau un grup electrogen (back-up generator), funcționând cu benzină sau motorină. În acest caz, sistemul fotovoltaic se mai numește sistem fotovoltaic hibrid. [20]

Figura 2.1 Structura unui sistem fotovoltaic

Sistemul fotovoltic hibrid poate fi un sistem autonom sau un sistem conectat la rețea care poate conține alte surse de energie electrică. Acest sistem hibrid este alcătuit dintr-un generator electric acționat de un motor cu ardere internă de tip Diesel și dintr-un redresor pentru încărcarea acumulatorilor.

Figura 2.2 Sistem fotovoltaic hibrid

Acest generator electric poate să producă atât curent continuu cât și curent alternativ, rolul său este de a asigura puterea electrică atât în perioadele de vârf ale sarcinii cât și în perioadele în care radiația solară nu este suficient de intensă.

Generatorul Diesel pornește atunci când bateriile sunt aproape de a se descărca, el asigură necesitățile consumtorilor și reîncărcarea bateriilor. [22]

Sistemele fotovoltaice se împart în două categorii principale:

– conectate la rețea (grid-connected) funcționând în paralel cu rețeaua electrică publică;

– sisteme fotovoltaice autonome (stand-alone photovoltaic system). [20]

Sistemele fotovoltaice conectate la rețea pot fi împărțite în:

– sisteme fotovoltaice unde rețeaua electrică publică are rolul de sursă auxiliară de energie (grid back-up);

– sisteme fotovoltaice unde excesul de energie fotovoltaică este furnizat direct în rețea (grid interactive photovoltaic system);

– centrale electrice fotovoltaice (multi MW photovoltaic system), furnizând toată energia produsă în rețea.

Sistemul fotovoltaic conectat la rețea funcționează în paralel cu unitatea care generează energie electrică în rețeaua publică de distribuție a energiei. Astfel surplusul de energie electrică produs de modulele fotovoltaice este debitat în rețea. Astfel pe timpul nopții sau atunci când radiația solară este insuficientă consumatorul consumă energie electrică direct din rețea și în acest caz nu se mai utilizează bateriile.

Utilizând panourile fotovoltaice sistemul pentru producerea de energie de curent alternativ permite folosirea directă a energiei din sistem, dar și furnizarea în rețeaua publică de alimentare cu energie electrică (figura 2.3). [22]

Figura 2.3 Sistem fotovoltaic conectat la rețeaua de curent alternativ

2.2 Descriere celulă fotovoltaică

Siliciu este disponibil în cantități suficiente fiind al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră, reprezentând circa 25% din aceasta, fiind un material ieftin. Deși celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, în general, peste 95% dintre celulele solare sunt realizate din siliciu (Si) care nu este agresiv cu mediu ambiant în timpul proceselor tehnologice de prelucrare.

În figura 2.4 este reprezentată structura energetică a materialelor semiconductoare, deci și a siliciului.

Figura 2.4 Structura energetică a materialeor semiconductoare

Schema energetică arată condițiile în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric.

În general, electronii ocupă diferite nivele energetice în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, aceste nivele energetice se mai numesc și straturi sau benzi energetice. Aceste benzi energetice pot fi separate de benzi energetice interzise care vor reprezenta adevărate bariere energetice prntru electroni.

Nivelul energetic cel mai ridicat ocupat cu electroni se numește bandă energetică de valență sau bandă de valență. Următorul nivel energetic este accesibil electronilor, fiind neocupat de electroni, se numește bandă energetică de conducție sau bandă de conducție. În funcție de materialele utilizate nivelele energetice ale benzii de valență sunt diferite de cele ale benzii de conducție. [9]

ΔE este diferența de potențial energetic dintre banda de conducție și banda de valență și reprezintă valoarea barierei energetice dintre cele două straturi, deci diferența dintre nivelurile energetice Ec al benzii de conducție și Ev al benzii de valență ΔE = Ec – Ev.

Valoarea barierei energetice este ΔE≈1eV în cazul siliciului monocristalin, iar ΔE≈1,7eV în cazul siliciului amorf. Valorile barierei energetice reprezintă cuante de energie care sunt transmise electronilor de pe stratul de valență, adică electronii devin liberi pentru a putea trece pe banda de conducție.

Fenomenul care se produce în celulele fotovoltaice este acela când materialele semiconductoare de tipul siliciului sunt supuse radiației solare, iar fotonii (cuantele de lumină) sunt capabili să transmită electronilor aflați pe banda de valență necesarul de energie pentru a depăși bariera energetică și pentru a putea trece pe banda de conducție.

În procesul de fabricare al celulelor fotovoltaice, siliciul trebuie să fie impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice, astfel se obține un surplus de sarcini electrice negative (electroni) sau sarcini electrice pozitive (goluri). În funcție se tipul sarcinilor care predomină se obțin straturi de siliciu semiconductoare de tip N și de tip P. [9]

Atunci când are loc alăturarea a două asemenea straturi de material semiconductor (având o predominanță diferită a sarcinilor electrice în zona de contact) se obține joncțiunea de tip P-N așa cum este reprezentată schematic în figura 2.5.

Figura 2.5 Joncțiune P-N

În zona de contact sub acțiunea diferenței de potențial, electronii din stratul N migrează către stratul P, deficitar în electroni. Golurile din stratul P migrează către stratul N, fiind deficitar în sarcină electrică pozitivă. Acestă migrație a sarcinilor electrice este reprezentată în figura 2.6.

Figura 2.6 Tendința de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncțiunii P-N

Migrația sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncțiunii P-N este limitată de nivelul energetic al purtătorilor de sarcini electrice. O reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice nu se poate realiza în profunzimea straturilor, dar o zonă superficială din stratul P este ocupată cu sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul N este ocupată cu sarcini electrice pozitive (goluri). [9]

În figura 2.7 se reprezintă redistribuirea sarcinilor electrice în zona joncțiunii P-N.

Figura 2.7 Apariția unei diferențe de potențial electric în zona joncțiunii P-N

Această redistribuire are ca efect apariția unei diferențe de potențial local, la nivelul joncțiunii. Diferența internă de potențial reprezintă bariera care împiedică deplasarea sarcinilor electrice negative din stratul N spre stratul P și a sarcinilor pozitive din stratul P spre stratul N. Sarcinile electrice libere sunt respinse din zona joncțiunii spre suprafețele straturilor, opuse joncțiunii P-N.

Lumina prezintă un caracter dual cu caracteristici de undă și caracteristici corpuscular (conform teoriei ondulatorii și teoriei corpusculare). Dacă ținem cont de efectul fotovoltaic este mai bine să considerăm lumina ca având caracter corpuscular.

Dacă joncțiunea P-N este supusă radiației solare, fotonii cu un nivel energetic suficient de ridicat (este cu atât mai ridicat cu cât intnsitatea radiației solare este mai mare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflați pe straturile de valență ale atomilor, pentru a face posibilă treacerea pe straturile de conducție și apoi să devină electroni liberi.

Sub acțiunea diferenței interne de potențial aplicată la nivelul joncțiunii P-N, electronii liberi formați în stratul N sunt respinși spre suprafața stratului N al joncțiunii, iar electronii liberi formați în stratul P sunt atrași spre zona de joncțiune, traversează această zonă și ajung în stratul N unde sunt respinși spre suprafața acestui strat.

Electroni liberi care vor trece pe stratul de conducție vor lăsa în structura atomului pe care l-a părăsit un gol (sarcină electrică pozitivă). Astfel, sub acțiunea radiației solare nu vor apărea doar electroni liberi ci perechi de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri).

Sub acțiunea diferenței interne de potențial aplicată la nivelul joncțiunii P-N, golurile formte în stratul P sunt respinse spre periferia stratului P al joncțiunii, iar golurile formate în stratul N sunt atrase spre zona de joncțiune, traversează această zonă și ajung în stratul P unde sunt respinși spre suprafața acestui strat. [9]

Când sarcinile electrice se deplasează în cele două straturi și în zona joncțiunii P-N se produce polarizarea electrică la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii P-N, așa cum este reprezentat în figura 2.8.

Figura 2.8 Polarizarea suprafețelor exterioare ale joncțiunii P-N

Suprafețele exterioare ale joncțiunii P-N sun acoperite cu un strat metalic care reprezintă fiecare câte un electrod, iar între aceștia se manifestă diferența de potențial, care într-un circuit închis va da naștere unui curent electric. Diferența de potențial și curentul electric se mențin la un nivel constant atâta timp cât există radiație solară. Variația intensității radiației solare va produce variații ale diferenței de potențial și ale intensității curentului electric.

Joncțiunea P-N și cu cei doi electrozi formează o celulă fotovoltaică sau o celulă electrică solară având construcția reprezentată în figura 2.9.

Figura 2.9 Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

Celula fotovoltaică are grosimea totală de circa 0,3 mm, iar grosimea stratului N este de circa 0,002 mm. Deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice este amplasat un strat antireflexie, având rolul de a împiedica reflexia radiației solare incidente pe suprafața celulei electrice solare, astfel încât cantitatea cea mai mare de energie să fie transferată electronilor de valență din cele două straturi semiconductoare.

Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzuale de 10×10 cm și mai recent de 15×15 cm. [9]

2.3 Tipuri uzuale de celule fotovoltaice

Siliciul este materialul cel mai utilizat la fabricarea celulelor fotovoltaice în domeniul industrial. Dacă este supus proceselor tehnologice industriale rezultă siliciul metalurgic având o puritate de 98%, iar dacă este supus unei etape de purificare chimică se obține siliciu sub formă lichidă, de calitate electronică. Pentru obținerea materialelor de tip P și de tip N are loc doparea siliciului. Celulele fotovoltaice trebuie să funcționeze între 2 – 3 ani producând energia necesară procesului său de fabricație.

Celule cu siliciu monocristalin

Atunci când are loc răcirea, siliciul cristalizează, formând un singur cristal. Acesta se taie în fâșii subțiri pe care se aplică celelalte straturi componente ale unei celule fotovoltaice. Culoarea celulelor este albastru uniform.

Cel mai important avantaj al acestora este randamentul foarte bun.

Ca dezavantaje avem: costul ridicat de producție și randament scăzut atunci când iluminarea este slabă.

Celule cu siliciu policristalin

În urma cristalizării se formează mai multe cristale care se decupează în fâșii și rezultă celule compuse din mai multe cristale având culoarea albastră.

Avantaje: randamentul bun al celulelor și preț de producție mai scăzut.

Dezavantaj: randamentul scăzut în cazul unei iluminări slabe.

Aceste celule cu siliciu policristalin sunt cele mai folosite la nivel industrial, pentru realizarea de panouri fotovoltaice, având un raport calitate-preț foarte bun.

Celule cu siliciu în stare amorfă

În cazul siliciului amorf nu are loc cristalizarea, acesta se depune pe o foaie de sticlă. Culoarea sa are tentă de gri.

Avantaje: randament bun în cazul unei iluminări slabe și costul scăzut de producție.

Dezavantaje: randament scăzut în cazul intensităților mari ale radiației solare și degradarea materialului într-un timp de funcționare relativ scurt.

Figura 2.10 Celule cu siliciu (monocristalin, policristalin și amorf)

Celule tandem

Celule tandem sunt realizate prin asocierea celulelor monocristaline, policristaline și amorfe sub formă de straturi. Astfel are loc absorbția unui spectru mai larg al radiației electromagnetice pentru producerea de energie electrică. În acest caz are loc ameliorarea randamentului de conversie față de o celulă simplă. În acest caz costul de producție este mai ridicat.

Celule cu film subțire

Tehnologia cu film subțire are ca scop reducerea cantității de material folosită la realizarea celulelor fotovoltaice și în acest fel conduce la scăderea randamentului de conversie. Din punct de vedere al costurilor reduse de fabricație și al greutății reduse a panoului acest tip de celule este des utilizat. Din această categorie fac parte celulele CdTe, CIGS și GaAs.

Celule din polimeri

Celulele din această categorie sunt realizate din polimeri organici reprezentând cea mai nouă tehnologie fotovoltaică. Celulele sunt realizate din film de 10 nm, polifenilen-vinil și fulerene de carbon. [11]

2.4 Principiul de funcționare al instalatiei fotovoltaice

Schema funcționării instalației fotovoltaice este reprezentată în figura 2.11.

Figura 2.11 Principiul de funcționare a instalației fotovoltaice

Utilizând un regulator de încărcare a acumulatorilor (controller) radiația solară captată de celulele fotovoltaice este convertită în curent continuu. În continuare are loc eliberarea de purtători de sarcină pozitivi și negativi într-un corp solid (principiul efectului fotoelectric), această eliberare se produce în urma acțiunii radiației solare.

Curentul electric continuu obținut are tensiuni relativ mici (12 V48 V) în funcție de montarea panourilor în serie sau în paralel, când se dorește mărirea tensiunii panourile se cuplează în serie, iar pentru obținerea unui amperaj mare panourile se cuplează în paralel.

Energia de curent continuu este înmagazinată în acumulatori de mare capacitate care rezistă la un număr mare de cicluri de încărcare/descărcare și stochează energia pentru a fi folosită atunci când radiația solară nu există (2 – 3 zile ploioase sau înnorate). În continuare se pot alimenta consumatorii de curent continuu care funcționează la aceste tensiuni (radio, CD player, TV, becuri economice).

Pe lângă acest circuit mai există un circuit care prin utilizarea unui invertor de tensiune sinusoidal transformă curentul continuu de tensiune mică (12 / 24 / 48 V) în curent alternativ de 220 V la frecvența de 50 Hz, aceasta este tensiunea la care funcționează majoritatea echipamentelor electonice, casnice și electrocasnice prezente într-o locuință. [13]

2.5 Componentele unui sistem fotovoltaic

Componentele unui sistem fotovoltaic depind de aplicațiile folosite: locuințe izolate sau locuințe aflate în apropierea rețelei, se poate utiliza doar baterii sau doar energia solară și se mai pot utiliza și convertoare statice de putere.

Un sistem fotovoltaic cuprinde:

Celulele solare;

Baterii de acumulatoare;

Regulatoare;

Regulatoare de sarcină;

Convertoare statice;

Invertoare;

Alte componente.

A. Celulele solare nu pot fi asimilate cu un generator clasic de energie electrică de curent continuu, deoarece celula fotovoltaică nu este sursă de tensiune și curent constantă. Randamentul conversiei energiei solare în energie electrică este scăzut (sub 12%). Spre exemplu, dacă într-o zonă cu expunerea nominală de 1000 W/m2, avem nevoie de 12 m2 de panouri fotovoltaice pentru furnizarea de 1 kWv, aceasta determină un cost ridicat al wattului-vârf.

B. Bateriile de acumulatoare

Pentru buna funcționare a sistemelor autonome se folosesc baterii de acumulatoare pentru asigurarea stocării energiei. Aceste elemente de stocare a energiei reprezintă 13 – 15% din investiția inițială, având o durată de exploatare de 20 de ani.

Bateriile sunt utilizate atunci când nu există alt aport de energie acumulând excesul de energie produs de sistemul fotovoltaic. Bateriile se descarcă rapid și acestea pot produce mai mult curent ca sursă de încărcare. Pentru obținerea celui mai bun echilibru al capacității de stocare se utilizează bateriile cu plumb-acid, acestea fiind baterii comune și utilizate în sistemele autonome de putere. [22]

Bateriile de acumulatoare de tipul plumb-acid se împart în două categorii:

• Baterii cu electrolit lichid;

• Baterii cu electrolit stabilizat.

Baterii cu electrolit lichid

Aceste baterii sunt formate dintr-un recipient unde se alternează plăci pozitive și negative, care sunt separate de distanțoare izolante. Recipientul este închis cu un dop evitând corodarea internă și scurgerea electrolitului.

Avantaj: Construcție simplă, deci ieftine.

Dezavantaj: Bateriile trebuie să fie păstrate și utilizate în poziție orizontală, altfel există posibilitatea ca electrolitul să se scurgă prin orificiul de egalizare a presiunii din dop, plăcile rămânând nescufundate în electrolit.

Baterii cu electrolit stabilizat

În cazul acestor baterii, electrolitul numai este lichid, ci sub formă de gel. Acestea se mai numesc baterii cu recombinare a gazului.

Avantaje: nu necesită întreținere, pe toată durata de viață, asigură etanșeitate totală, deci nu există degajări de gaze.

Dezavantaj: Produsul folosit este mai tehnic (gelul), deci sunt mai scumpe.

Acest tip de baterii sunt utilizate atunci când nu care există un decalaj între perioadele când este cerută energie și perioadele de însorite. Pentru o alegere corectă a tipului de baterie trebuie să se țină cont de puterea medie zilnică și de timpul necesar de stocare.

Figura 2.12 Caracteristicile generatoarelor fotoelectrice și a bateriei

În figura 3.12 este evidențiată caracteristica bateriilor care se adaptează foarte bine la generatoarele fotoelectrice, pentru că funcționează la tensiune cvasi-constantă. Dacă se dimensionează bateria punctul de funcționare este plasat în punctul de putere maximă, deoarece tensiunea Upmax se modifică în funcție de iluminare (Upmax este tensiunea corespunzătoare puterii maxime). [6]

C. Regulatorul

Regulatorul sau controlerul de încărcare (charge controller) are rolul de a stabiliza tensiunea de curent continuu obținută la ieșirea panourilor fotovoltaice. Acest regulator asigură controlul tensiunii și al curentului de încărcare a acumulatorilor precum și al tensiunii de alimentare a consumatorilor care funcționează în curent continuu.

Regulatorul solar îndeplinește și alte funcții precum:

alimentarea consumatorilor de curent continuu;

detectarea automată a tensiunii bateriei;

protecție la conectare polaritate inversă;

protecție la descărcare excesivă și la supraîncarcarea bateriei;

deconectarea sarcinii în funcție de starea de încărcare a bateriei;

reconectare automată a sarcinii;

compensarea automată în funcție de temperatură;

comutarea automată pentru iluminat pe timpul nopții.

Regulatorul se folosește pentru a alimenta direct consumatorii de curent continuu, sau funcționând în paralel cu un invertor de baterii pentru a alimenta consumatorii de curent alternativ și astfel se formează sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu. Acest regulator se utilizează numai în cazul sistemelor fotovoltaice neconectate la sistemul energetic național și sunt indicate pentru puteri mici de ordinal zecilor de wați până la câțiva kilowați. Se disting două clase mari de regulatoare solare:

regulatoare clasice de tip PWM (cu modulație în impuls);

regulatoare MPPT (cu urmărirea punctului de putere maximă).

Regulatoarele PWM sunt utilizate în sisteme de putere mică și randamentul lor este cu circa 15 – 30% mai mic decât cel al regulatoarelor MPPT.

Figura 2.13 Explicativă privind zona de operare a regulatoarelor

În figura 2.13 este prezentată diagrama curent-tensiune a unui panou fotovoltaic și diagrama de putere unde se figurează punctul de putere maximă (Pmppt) și cu galben se figurează zona de lucru a unui regulator clasic PWM. [22]

D. Regulatoarele de sarcină

În sistemele fotovoltaice se folosesc mai multe tipuri de regulatoare care controlează fluxul de energie asigurând supravegherea și siguranța instalației. Aceste regulatoare trebuie să protejeze bateria de supraîncărcare (solară) și de descărcare (consumatori).

Există trei categorii principale de regulatoare:

Regulatoare serie

conține un întreruptor static între generatorul fotovoltaic și bateria de acumulatoare, pentru întreruperea încărcării.

Figura 2.14 Schema de principiu a regulatorului serie

Întreruptorul de încărcare este montat în serie cu bateria și se deschide atunci când bateria este încărcată.

Avantaj: tensiunea aplicată la bornele întreruptorului este mică.

Dezavantaj față de regulatoarele de tip paralel: întreruptorul static determină o cădere de tensiune suplimentară între panouri și baterie.

Regulatoare paralel

care la finalul încărcării bateriei de acumulatoare are loc scurtcircuitarea generatorul fotovoltaic.

Figura 2.15 Schema de principiu a regulatorului paralel

Panourile solare sunt conectate direct la baterii pe durata încărcării, pe această durată panourile sunt scurtcircuitate. Dioda de separare are rolul de a asigura blocarea curentului nocturn care poate să apară între panou și baterie. Această diodă este prevăzută în schemă, pentru a nu scurtcircuita bateria când întreruptorul se închide. Întreruptorul static care se folosește poate fi un tranzistor MOSFET.

Dezavantaje:

– Apar probleme de protecție la supratensiuni atunci când întreruptorul este solicitat de întreaga tensiune a panoului solar;

– Solicitarea termică a întreruptorului static poate fi importantă la valori mari ale curentului.

c) Regulatoare ce urmăresc punctul de putere maximă (MPPT – Maximum Power Point Tracking) permit extragerea din panourile solare a maximului de putere și recuperează maximul de energie, indiferent de condițiile mediului ambiant (temperatură și iluminare).

Pentru deducerea puterii extrase din panou se măsoară, în permanență, tensiunea și curentul. Puterea se compară cu valorile anterioare ale acesteia și se observă dacă tensiunea la bornele panoului este crescută sau redusă.

Avantaj: Funcționarea are loc într-o plajă foarte largă de temperaturi și asigură recuperarea excesului de energie pe durata iernii.

Dezavantaj: Investiția devine rentabilă în urma analizei pierderilor induse de regulatorul MPPT și de convertoarele de curent continuu – curent continuu. [6]

E. Convertoarele statice se utilizează pentru a adapta puterea generată la necesitățile sarcinii.

Convertoarele statice se împart în: convertoare de curent continuu – curent continuu, care adaptează tensiunea de curent continuu furnizată de către panourile fotovoltaice la necesitățile sarcinii și convertoare de curent continuu – curent alternativ, care transformă energia de curent continuu în energie de curent alternativ, pentru alimentarea sarcinilor.

Convertoare de curent continuu – curent continuu (c.c.-c.c.)

Aceste convertoare se mai numesc și variatoare de tensiune continuă – VTC care transformă o tensiune continuă (care poate fi bateria), tot în tensiune continuă, dar cu valoarea medie diferită, pentru a alimenta sarcini de curent continuu.

Există două tipuri de astfel de VTC:

ridicător;

coborâtor.

VTC ridicător

Figura 2.16 Schema de principiu a unui VTC ridicător

Atunci când întreruptorul este închis are loc înmagazinarea bobinei cu energie de la baterie. Când întreruptorul este deschis, tensiunea de autoinducție a bobinei și cu sursa determină apariția unor supratensiuni care sunt transferate condensatorului și sarcinii.

Dioda (de separare) are rolul de a opri descărcarea condensatorului pe intervalele când întreruptorul este închis. Reducerea pulsațiilor se face cu ajutorul condensatorului care filtrează tensiunea continuă la ieșire.

Randamentul acestor convertoare este de 70%, iar pentru convertoare mai performante se poate atinge 85 – 90%.

VTC coborâtor

Figura 2.17 Schema de principiu a unui VTC coborâtor

În cazul acesta tensiunea la ieșire este mai mică decât cea a bateriei, se utilizează pentru a alimenta sarcini cu tensiunea mai mică decât cea a bateriei. Atunci când întreruptorul este închis, bateria debitează curent sarcinii, ce parcurge bobina. Când întreruptorul este deschis, energia înmagazinată în bobină, asigurând menținerea nenulă a curentului care se va închide pe aceste intervale, prin intermediul diodei (numită și diodă "de nul").

Randamentul acestor convertoare este de 80 – 90%. [6]

F. Invertorul

Invertorul transformă energia de curent continuu care este generată de modulele fotovoltaice sau este stocată în acumulatoare, în energie de curent alternativ având o frecvență prestabilită.

Invertoarele de baterii sunt, în general, unidirecționale asigurând conversia energiei de curent continuu de la bornele acumulatorilor în energie de curent alternativ pentru alimentarea consumatorilor.

Cerințele tehnice care se cer unui invertor dintr-un sistem fotovoltaic autonom sunt următoarele:

capacitatea de suprasarcină este de circa 30% , asigurând pornirea motoarelor;

stabilitate bună a tensiunii de curent alternativ la ieșire;

randamentul maxim pentru o largă variație a sarcinii este mai mare de 90%;

consum propriu minim de energie;

comutația este autonomă fără asistență din partea unei rețele publice.

Exista trei categorii mari de invertoare de baterii:

invertoare de baterii clasice;

invertoare de baterii cu regulator încorporat;

invertoare de baterii cu sincronizare la rețeaua electrică.

Sistemele autonome folosesc trei tipuri de invertoare în funcție de forma undei tensiunii la ieșire: undă dreptunghiulară, în trepte sau sinusoidală.

Invertorul cu undă dreptunghiulară are o schemă simplă și un cost scăzut.

Invertorul cu undă în trepte are o distorsiune armonică mai mică și se recomandă pentru majoritatea motoarelor. Distorsiunea armonică a tensiunii la ieșire este pronunțată, astfel are loc supraîncălzirea motoarelor. Acest invertor se recomandă în sisteme fotovoltaice de mică putere folosite pentru iluminare, încălzire la tensiuni diferite de cea de curent continuu, de asemenea intră în componența convertoarelor de curent continuu – curent continuu și al acționărilor electromagnetice.

Invertorul cu undă sinusoidală filtrează majoritatea armonicilor, având un factor de distorsiune mai mic de 5% și se utilizează pentru alimentarea oricărui consumator de curent alternativ, pote fi folosit și în circuitul interfeței modulului fotovoltaic – rețea electrică publică.

Această undă sinusoidală modificată nu este la fel ca cea de la sistemul energetic național. Invertoarele cu această undă modificată reprezintă o alegere bună pentru sisteme fotovoltaice de dimensiuni mai mici. [22]

Figura 2.18 Formele de undă ale invertoarelor

În figura 2.18 sunt reprezentate următoarele forme de undă:

forma de undă la intrarea invertorului 12 Vc.c;

forma de undă dreptunghiulară de la ieșire invertorului;

forma de undă sinusoidală modificată;

forma de undă sinusoidală pură.

G. Alte componente

În această categorie intră elementele conexe, dar fără care sistemul este indispensabil pentru buna funcționare a panourilor fotovoltaice, dintre aceste elemente conexe se numără protecțiile contra descărcărilor atmosferice, disjunctoarele și siguranțele fuzibile.

Panourile solare sunt echipamente costisitoare și de aceea ele trebuie sa fie protejate pentru evitarea deteriorării lor. Principalele pericole care se pot produce sunt:

• Perturbații induse de comutațiile elementelor din componența convertoarelor statice de putere. Pentru aceste peturbații se pot utiliza filtre pentru eliminarea armonicilor.

• Funcționarea sarcinii: panourile se deteriorează repede atunci când absorb putere electrică. Pentru a evita acest fenomen se pot utiliza diode care să împiedice circulația curentului în sensul nedorit.

• Descărcări atmosferice. [6]

CAPITOLUL III

STUDIUL EFICIENȚEI FOTOVOLTAICE

3.1 Conversia energiei solare în energie electrică

Efect fotovoltaic

În anul 1839, fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel a descoperit efectul fotovoltaic care constă în apariția unei tensiuni electromotoare sub acțiunea radiației solare. Această denumire provine din cuvântul grecesc phos=lumină și din numele fizicianului Allesandro Volta. Allesandro Volta a realizat prima baterie electrică din lume.

Efectul fotovoltaic se datorează eliberării de sarcini electrice negative numite electroni și pozitive numite goluri, într-un material solid, atunci când suprafața materialului interacționează cu lumina. Atunci când în semiconductor există un câmp electric intens are loc generarea de electroni ca urmare a absorbției radiației (fotoelectroni) care vor fi conduși într-un circuit exterior, generându-se, astfel, energie electrică. Echipamentele care funcționează pe baza acestui principiu, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare.

Celulele fotovoltaice funcționează legate în serie într-un număr mare pentru a permite furnizarea unei puteri electrice acceptabile, alcătuind panouri fotovoltaice sau panouri electrice solare. [9]

Conversia fotovoltaică

Conversia directă a energiei radiației solare în energie electrică se realizează cu ajutorul sistemelor fotovoltice, aceasta nu poluează fonic și nu emite gaze poluante în mediul înconjurător. La început sistemele fotovoltaice au fost folosite la echiparea sateliților, mai târziu pe scară largă au fost folosite la ceasurile electronice și la calculatoare.

Energia fotovoltaică reprezintă energia electrică rezultată din energia soarelui, direct și indirect, folosind elemente fotovoltaice.

Această energie se obține prin intermediul efectului fotogalvanic, bazându-se pe proprietatea siliciului de a elimina o cantitate mică de energie atunci când are loc contactul cu lumina solară. Față de alte materiale, siliciul este prioritar fiind ușor accesibil și constituie 28% din scoarța terestră.

Conversia energiei radiației solare în căldură sau energie electrică se face cu pierderi de până la 80 – 90% și acestea nu pot fi captate decât în timpul zilei și în așa fel energia trebuie să fie stocată pentru a putea fi furnizată și pe timpul nopții. [7]

Considerând consumul actual de energie electrică și populația la nivel mondial, radiația solară care atinge suprafața Pamântului poate asigura în orice moment aproximativ 20 GW pentru fiecare locuitor.

Dintre numeroasele tehnologii de conversie a radiației solare în energie electrică cea mai ușoară tehnologie constă în folosirea celulelor fotovoltaice, acestea realizează conversia directă în curent continuu prin utilizare de materiale semiconductoare care prezintă efect fotoelectric. Această tehnologie se poate utiliza în aplicații rezidențiale și se poate extinde până la parcuri de panouri fotovoltaice.

Conversia indirectă se realizează cu ajutorul concentratoarelor solare sau a sistemelor cu lentile. Radiația solară este concentrată asupra unui schimbător de căldură unde are loc transferul dintre energie și fluid, după se aplică un ciclu convențional de producere a energiei electrice (ca de exemplu: vapori – turbină – generator curent).

O altă categorie de conversie indirectă este folosirea în combinație a unui concentrator solar și un motor Stirling antrenând un generator electric. Aceste sisteme necesită orientarea automată a oglinzilor deoarece utilizează radiația solară directă.

În cazul acestor celule se impune existența unui process de întreținere specializată datorită complexității tehnice. Atunci când sistemul este implementat la nivel de producție centralizată de energie se obține o viabilitate tehnică și financiară substanțială atât în cazul investiției inițiale cât și în cazul costurilor de întreținere. [18]

3.2 Randamentul celulelor fotovoltaice

Randamentul unei celule fotovoltaice este definit ca raportul dintre puterea electrică furnizată la borne și puterea radiației incidente:

(3.1)

Puterea electrică aplicată la bornele unei celule fotovoltaice variază în funcție de următori parametrii:

intensitatea radiației solare;

temperatura celulei;

unghiul de incidență al razelor solare;

caracteristicile constructive ale celulei;

condițiile meteorologice (temperatura ambiantă, viteza vântului).

Tabelul 3.1 Randamentul celulelor PV și domeniul lor de aplicabilitate

Răspunsul spectral al unei celule fotovoltaice este dat de eficacitatea cu care aceasta transformă energia radiației solare în energie electrică.

Eficacitatea sa este dată în cea mai mare măsură de proprietățile materialului din care este fabricată.

Aceasta se definește ca fiind produsul dintre constanta lui Planck și frecvența radiației (relația 3.2).

(3.2)

Factorul de formă este definit ca raportul dintre puterea maximă furnizată de o celulă fotovoltaică și puterea livrată de o celulă ideală în condițiile de funcționare date.

(3.3)

La celulele cristaline factorul de formă variază între 0.75 și 0.85, iar la cele amorfe între 0.5 și 0.7. [11]

3.3 Descriere măsurători

În prima etapă se realizează schema din Figura 3.1 și se utilizează indicațiile și măsurătorile disponibile cu ajutorul regulatorului de încărcare a bateriilor.

Figura 3.1 Structura tipică a unui sistem fotovoltaic

Acest regulator permite afișarea succesivă a următoarelor informații:

Starea de încărcare a bateriei [%];

Tensiunea bateriei [V];

Curentul generat de panou [A];

Curentul de încărcare a bateriei [A];

Curentul absorbit de sarcină [A];

Contorul totalizator de energie transmisă acumulatorilor de la instalare [Ah];

Contorul totalizator de energie absorbită de sarcină [Ah].

În a doua etapă se măsoară curentul furnizat de panouri, iar cu un voltmetru suplimentar, se măsoară și tensiunea la bornele panoului fotovoltaic.

În a treia etapă, cu ajutorul piranometrului se măsoară radiația solară (W/m2) la nivelul solului atât în plan orizontal, cât și în planul panoului fotovoltaic.

Constanta de măsurare a piranometrului este de 10 mV / 1000 Wm2.

3.4 Date experimentale

Datele măsurate pentru diferite situații se trec în tabelul 3.2.

Dimensiunea panoului: 1.52 x 0.76. Suprafața panoului: 1.15 [m2]

Tabelul 3.2 Date măsurate pentru diferite situații

Calcularea puterii

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

(3.4)

unde: U – tensiunea [V]; I – intensitatea curentului electric [A].

Orientare fixă (S, 450):

Orientare fixă (S, 00):

Orientare variabilă (direcția Soarelui, 450):

Orientare variabilă (direcția Soarelui, ):

Calcularea randamentului

Randamentul energetic al unei celule fotovoltaice reprezintă raportul dintre puterea electrică maximă și puterea incidentă:

(3.5)

în care: E – iluminarea (radiația solară în planul panoului) [W/m²];

S – suprafața activă a panourilor [m²];

Pm – puterea maximă măsurată.

Orientare fixă (S, 450):

Orientare fixă (S, 00):

Orientare variabilă (direcția Soarelui, 450):

Orientare variabilă (direcția Soarelui, ): %

3.5 Înregistrări – comparații

În tabelul 3.2 se observă o variație a randamentului în funcție de orientarea panoului fotovoltaic, această orientare poate fi fixă (Sud, 450 sau Sud, 00) sau variabilă (direcția Soarelui, 450 sau direcția Soarelui, perpendicular).

Pentru orientarea fixă (S, 00) avem un randament scăzut de 4.72 %, randamentul cel mai ridicat este de 6.32 % pentru orientarea variabilă (direcția Soarelui, ).

CAPITOLUL IV

POTENȚIALUL FOTOVOLTAIC ÎN CRAIOVA

4.1 Potențialul energiei solare în România

Din punct de vedere al energiei solare, România se află în clasa europeană B de însorire având un potențial substanțial de utilizare a energiei solare.

Variațiile substanțiale de la un anotimp la altul sau de la o zi la alta în funcție de condițiile atmosferice reprezintă limita fundamentală a radiației solare. Din cauza acestor variații toate sistemele de captare a energiei solare necesită folosirea unui sistem energetic clasic. [15]

În figura 4.1 este reprezentată distribuția în teritoriu a radiației solare în România.

Figura 4.1 Distribuția radiației solare în România

Zonele specifice pentru aplicațiile electroenergetice ale energiei solare în România sunt:

Primul areal include suprafețe cu cel mai ridicat potențial (cuprinde Dobrogea și o mare parte din Câmpia Română);

Al doilea areal are un potențial bun (cuprinde nordul Câmpiei Române, Podișul Getic, Subcarpatii Olteniei și Munteniei, Lunca Dunării, sudul și central Podișului Moldovenesc, Câmpia și Dealurile Vestice și vestul Podișului Transilvaniei);

Cel de-al treilea areal are un potențialul moderat (cuprinde cea mai mare parte a Podișului Transilvaniei, nordul Podișului Moldovenesc și Rama Carpatică). [19]

4.2 Clima și potențialul energiei solare în Craiova

Clima

Regimul climatic al acestei regiuni este temperat continental specific de câmpie, cu influențe submediteraneene datorate poziției depresionare pe care o ocupă județul în sud-vestul țării. Valorile medii ale temperaturii sunt cuprinse între 10 – 11.5 °C, iar precipitațiile sunt mai scăzute decât în restul teritoriului. [10]

În figura 4.2 sunt specificate valorile privind temperatura aerului și solului, umiditatea, radiația solară, presiunea atmosferică, viteza vântului. Aceste date sunt generate prin utilizarea programului RETScreen. Acest program este un instrument software de gestionare a energiei solare, care permite utilizatorilor să verifice performanța energetică a instalațiilor folosite. [17]

În lunile mai, iunie, iulie și august se înregistrează cele mai mari valori ale radiației solare zilnice, luna iulie având valoarea de 6.29 kWh/m2/zi. Celelalte luni având valori mai mici, valoarea cea mai mică o înregistrează luna decembrie cu 1.24 kWh/m2/zi.

Din harta distribuției radiației solare în România rezultă că potențialul solar se încadrează în zona de radiație solară I, având intensitatea radiației solare mai mare de 1350 kWh/m2/an.

Figura 4.2 RETScreen – Climă Craiova

4.3 Estimare consum energetic

Acest subcapitol are ca scop demonstrarea posibilității de alimentare cu energie electrică a unei case izolate din zona Craiovei, folosind panouri fotovoltaice ca sursă de energie regenerabilă.

Astfel, se consideră o casă în orașul Craiova având suprafață construită de 80 m2. În funcție de consumatorii electrici utilizați se calculează necesarul de energie electrică și termică. Se estimează energia electrică medie lunară și se determină energia electrică pe care trebuie să o producă modulul fotovoltaic.

Tabel 4.1 Estimarea consumului energetic în funcție de consumatori

Ținând cont că pe lună avem un consum de 155.70 kwh rezultă consumul de 5.19 kWh/zi. Consumul energetic anual este de 1868.4 kWh.

Tabel 4.2 Estimare consum procentual

4.4 Alegerea sistem fotovoltaic

În cazul în care conectarea la rețeaua publică de distribuție a energiei electrice este scumpă sau nu este posibilă și se dorește obținerea independenței față de alți furnizori de energie electrică se utilizează sisteme fotovoltaice de producere a energiei electrice.

Sistemul fotovoltaic ales este alcătuit dintr-un generator fotovoltaic cu puterea nominală de 1800 W (1.8 kW), un încărcător de baterii, un invertor și bateria de acumulatori. [19]

Sistemul fotovoltaic are în structură 9 panouri fotovoltaice monocristaline Trina Solar model TSM-205DC80.08 cu puterea nominală de 205 Wp fiecare, acestea sunt montate în 3 șiruri paralele de câte 3 panouri conectate în serie. Acest sistem are în componență un controler de încărcare baterii (charger).

Panourile fotovoltaice conțin celule de siliciu monocristalin, având un randament de aproximativ 15% și care nu necesită măsuri de legare la pământ a bornelor de plus/minus. Cele 3 șiruri de câte 3 panouri fotovoltaice sunt conectate în paralel la intrarea încărcătorului MPPT. [19]

Panourile fotovoltaice pot fi montate pe acoperiș sau la sol. Unghiul de înclinare optim este de aproximativ 35°, dar pentru o eficiență mai bună pe timpul iernii se recomandă un unghi de aproximativ 45°, acest unghi asigură autocurățarea de praf și impurități.

Conectarea panourilor fotovoltaice la controlerul de încărcare Schneider XW-MPPT60-150 se face într-un cofret de joncțiune fiind echipat cu un descărcător la supratensiuni atmosferice, 6 separatoare manuale prevăzute cu siguranțe fuzibile de 15 A și 1 întreruptor manual de curent continuu permițând cuplarea și decuplarea în maximă siguranță a generatorului în timpul lucrărilor de montaj și verificare.

Controlerul de încărcare Schneider XW-MPPT60-150 se prevede cu un algoritm de determinare a punctului de putere maximă asigurând cantități de energie mai mare cu 15 -30% decât în cazul utilizării încărcătoarelor clasice. Controlerul se mai prevede și cu un ecran LCD, butoanele se folosesc pentru configurarea și monitorizarea parametrilor de funcționare.

Alimentarea consumatorilor de curent alternativ se face utilizând invertorul de baterii Victron Phoenix 48/3000 care se conectează la bornele bateriei de acumulatori prin intermediul unui cofret alcătuit din separatoare manuale și siguranțe fuzibile pentru protecția bateriei de acumulatori. Invertorul Phoenix 48/3000 este un invertor de undă pură asigurând o putere de ieșire de 3000 VA în regim continuu și 6000 VA în regim de vârf. [19]

Aceste caracteristici pe care le are sistemul îl recomandă pentru alimentarea motoarelor având curenți mari de pornire sau a consumatorilor cu regim de lucru intermitent precum frigiderele. Ieșirea invertorului de curent alternativ este cuplată în tabloul electric general prevăzut cu un contor electronic și o siguranță automată de 25 A la ieșirea căreia se cuplează circuitele de alimentare a consumatorilor.

Performanțele acestui sistem depind de nivelul radiației solare, unghiul de înclinare al acoperișului, capacitatea acumulatorilor și necesarul de energie electrică. Sistemul produce anual circa 2190 kWh energie electrică monofazată de curent alternativ care poate fi utilizată pentru alimentarea consumatorilor casnici.

Pentru a stoca energia generată pe timpul zilei se folosește o baterie formată din 8 acumulatori SOLAR 12-150 de 12 V, 150 Ah. Acumulatorii sunt conectați în două șiruri paralele pentru a forma o baterie de acumulatori de 48 V și 300 Ah, cu capacitatea maximă de 14,4 kWh asigurând o autonomie de aproximativ 3 zile la consumul mediu de 4 kWh/zi.

Acumulatorii SOLAR 12-150 sunt realizați în tehnologie AGM (Absorbent Glas Mat), electrolitul este din acid sulfuric diluat în nanogel și este reținut prin efectul capilar în separatoare din fibră de sticlă și suportă peste 1500 de cicluri de încărcare/descărcare la o adâncime a descărcării mai mică de 20%.

Separatoarele AGM sunt montate în interiorul bateriei, rezistând foarte bine la șocuri și vibrații, iar electrolitul nu se varsă nici dacă bateriile se răstoarnă. Pentru că acumulatorii nu conțin elemente care îngheață, pot fi utilizați și la temperaturi extrem de scăzute.

În funcție de numărul de cicluri de încărcare și de descărcare, temperatura de lucru și adâncimea descărcării rezultă că acumulatorii au o durată de viață cuprinsă între 5 și 8 ani.

Timpul de încărcare a bateriei de acumulatori la un curent constant de 30 A este de aproximativ 10 ore. În funcție de regimul de lucru al consumatorilor (care poate fi permanent sau intermitent), capacitatea sistemului poate fi mărită prin adăugarea de baterii de acumulatori de același tip. Sistemul poate fi folosit pentru alimentarea unor imobile medii (casă, cabană) construite în zone izolate care asigură iluminatul exterior și interior, alimentarea aparaturii electrocasnice (frigider, televizor, calculator, mașină de spălat).

Sistemul generează aproximativ 6 kWh/zi în funcție de nivelul radiației solare din zona considerată, și acesta poate fi extins pentru alimentarea unor consumatori mai mari. [19]

Avantajele sistemului:

Funcționare nepoluantă și de lungă durată (minimum 25 ani);

Posibilitatea de extindere a capacității prin adăugarea de echipamente suplimentare;

Alimentarea cu energie electrică la costuri reduse a consumatorilor izolați;

Nu există facturi lunare pentru energia consumată;

Asigură independența energetică.

Tabel 4.3 Parametrii tehnici

4.5 Estimarea producției generatorului fotovoltaic

Tabel 4.4 Estimare consum anual

Tabel 4.5 Prețuri echipamente

4.6 Amortizarea sistemului fotovoltaic

Durata de funcționare a sistemului fotovoltaic este de aproximativ 25 de ani.

Din punctul de vedere al investiției în panourile solare, durata de amortizare depinde de fiecare consumator în parte. Dacă acestea sunt montate și folosite corect, amortizarea se poate face în aproximativ 5 ani și sistemul se poate utiliza gratuit.

Ținând cont de puterea sistemului fotovoltaic ales și de prețul acestuia rezultă că investiția se va amortiza în 7 ani.

Venitul anual generat este de 1032.75 lei, 230.67 €, astfel, în 18 ani se va economisi o suma totală de 18589.5 lei, 4152.13 € .

Tabel 4.6 Rentabilitate și producție anuală de electricitate a unui sistem fotovoltaic on-grid

*Pierderile sistemului fotovoltaic on-grid sunt de până la 15% (invertor, cablu și raportul temperatură–performanță).
**În Europa Centrală și în Nordul Europei radiația solară este cuprinsă între 1200-850 W/m2, iar în Sudul Europei până la 2000 W/m2. Pentru România radiația solară este de 1450 W/m2. În zona considerată radiația solară este mai mare de 1350 kWh/m2/an. [8]

Tabel 4.7 Detaliere venit pe fiecare lună

CONCLUZII

Această lucrare de diplomă a avut în vedere aspecte legate de eficiența energetică a conversiei fotovoltaice utilizând diverse tehnologii de captare a radiației solare.

Interesul pentru sursele de energie regenerabilă a fost accentuat odată cu schimbările climatice și cu epuizarea resurselor de combustibili fosili. O direcție importantă de cercetare și dezvoltare pe plan global o constituie conversia fotovoltaică. Pentru aceasta se folosesc sisteme speciale de orientare a panourilor fotovoltaice și elemente optice speciale pentru concentrarea radiației solare pe suprafața fotovoltaică. Mărirea gradului de utilizare a radiației solare disponibile conduce la optimizarea eficienței conversiei fotovoltaice.

Potențialul solar la nivelul României este substanțial împărțindu-se în V zone în funcție de radiația solară. Nivelul intensității radiației solare ajungând la valori mai mari de 1350 kWh/m2/an, cea mai mică valoare fiind de 1200 kWh/m2/an. Zona Craiovei aleasă pentru studiul potențialului fotovoltaic se încadrează în zona de radiație solară I, având intensitatea radiației solare mai mare de 1350 kWh/m2/an.

Din perspectiva tehnologiilor de valorificare a energiei solare acestea se împart în două categorii: tehnologiile de mare putere (Power Tower, oglinzi parabolice liniare și oglinzi parabolice cu motoare Stirling sau cu generator de aburi) și tehnologia de mică putere (captatori de mică putere) folosiți în aplicațiile casnice sau industriale de mică putere.

Sistemele fotovoltaice se împart în două categorii principale: conectate la rețea (grid-connected) funcționând în paralel cu rețeaua electrică public și sisteme fotovoltaice autonome (stand-alone photovoltaic system).

Celule fotovoltaice sunt realizate din siliciu cu puritatea de 98%, existând mai multe tipuri uzuale. Celule cu siliciu monocristalin cu un randament foarte bun, celule cu siliciu policristalin folosite la nivel industrial și au un raport calitate-preț foarte bun și celule cu siliciu în stare amorfă cu un randament bun în cazul unei iluminării slabe. Celule tandem unde costul de producție este mai ridicat. Celule cu film subțire sunt des utilizate și din această categorie fac parte celulele CdTe, CIGS și GaAs.

În urma determinărilor experimentale s-a măsurat tensiunea, curentul și cu ajutorul unui piranometrului s-a măsurat radiația solară (W/m2) la nivelul solului atât în plan orizontal, cât și în planul panoului fotovoltaic. În funcție de aceste valori s-a calculat puterea și randamentul. Se poate observa cum orientarea panoului fotovoltaic influențează randamentul celulelor, cel mai bun randament s-a obținut cu orientarea variabilă după direcția Soarelui și perpendicular pe panoul fotovoltaic.

Alimentarea cu energie electrică și termică a unei locuințe aflată într-o zonă izolată folosind în exclusivitate surse regenerabile de energie poate constitui o soluție fezabilă tehnic și economic în condițiile în care această locuință se află amplasată într-o zonă cu un potențial solar bun. În acest sens s-a estimat consumul în funcție de consumatorii electrici utilizați și a rezultat un consum de 155.70 kwh/lună. Alegerea sistemului s-a făcut ținând cont de acest consum și astfel s-a ales sistemul fotovoltaic alcătuit dintr-un generator fotovoltaic cu puterea nominală de 1800 W (1.8 kW). În concluzie, amortizarea acestui sistem se face în 7 ani dacă se ține cont de puterea sistemului fotovoltaic și de prețul acestuia.

Tehnologia fotovoltaică este în permanență în curs de dezvoltare ca o soluție viabilă pentru problemele energetice din întreaga lume. Trebuie parcurs un drum lung până când energia fotovoltaică o să devină sursa principală de energie peste tot în lume. Tehnologia folosită de sistemele fotovoltaice este foarte dezvoltată și se aduc din ce în ce mai multe îmbunătățiri și modificări, în special în procesele de producție. Cercetările care se fac în acest sens sunt satisfăcătoare deoarece sistemele fotovoltaice pot fi eficiente comparative cu cheltuielile de întreținere a liniei electrice la care se adaugă și alte taxe.

Principalele avantaje ale utilizării panourilor fotovoltaice care se desprind din această lucrare sunt:

– nu contaminează mediul, investiție cu funcționare îndelungată, durabilitate îndelungată, costuri zero cât timp este soare indiferent de anotimp, durata de viață este de circa 25 de ani;

– consum foarte redus de energie pentru încălzire și, prin urmare, scăderea cheltuielilor;

– emisii reduse de noxe, asigurând protecția mediului înconjurător;

– dacă sunt dimensionate corespunzător, amortizarea investiției se face în 8 – 12 ani.

Concluziile și rezultatele obținute în cadrul acestei lucrări de diplomă recomandă utilizarea sistemelor fotovoltaice în zona Craiovei, și implicit, continuarea cercetării și dezvoltării acestora.

BIBLIOGRAFIE

[1] Dimitar Dimitrov, Vladimir Lazarov, Sourcesd’energierenouvelables, Edition de l’UniversitéTechnique de Sofia, 1999

[2] Ion Sobor ș.a., Surse regenerabile de energie, Universitatea Tehnică a Moldovei, 2006.

[3] Victor Lucian, Surse nepoluante de producere a energiei electrice, Editura AGIR, București, 2005.

[4] Aplicații cu panouri solare, http://www.naturalist.ro/stiinta-si-tehnologie/aplicatii-cu-panourile-solare-1/

[5] Centrală solară, https://ro.wikipedia.org/wiki/Central%C4%83_solar%C4%83

[6] Componentele unui sistem fotoelectric, http://ie.ucv.ro/elee/ro/realisations/Energies Renouvelables/FiliereSolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Principes/Composants.htm#regulateurs

[7] Conversia energiei solare în energie electrică, http://www.robotics.ucv.ro/flexform/ aplicatii_ser2/ite/ionila%20gabriela%20alice-limbajul% 20HTML/conversieM1.html

[8] Consultanță, proiectare și execuție instalații electrice, termice, hvac și sanitare, http://www.cheso.ro/calculator-panouri-fotovoltaice-baterii-centrale-electrice-solare.php

[9] Conversia energiei solare în energie electrică, http://www.termo.utcluj.ro/ regenerabile/5_1.pdf

[10] Craiova, https://ro.wikipedia.org/wiki/Craiova

[11] Creșterea productivității energetice a panourilor fotovoltaice, http://instal.utcb.ro /site/teza_ doctorat_Ionut_Caluianu.pdf

[12] Energia solară concentrată, http://www.rets-project.eu/UserFiles/File/pdf/respedia/ 09%20Concentrated%20solar%20power/09-Solar-energy–Part-III—Concentrated-Solar-Power_RO. pdf

[13] Modul de funcționare a instalațiilor fotovoltaice, http://www.energieverde.go.ro /functionare.html

[14] Parcurile fotovoltaice, http://www.gds.ro/Local/20140915/Cea+mai+profitabila+afacere %3A+parcurile+fotovoltaice/

[15] Potențialul energiei solare în România, http://www.energie-solara.com.ro/

[16] Potențialul energetic solar al României, http://www.construction21.org/romania/articles /ro/potenialul-energetic-solar-al-romaniei.html

[17] RETScreen, https://en.wikipedia.org/wiki/RETScreen

[18] Sisteme de energii regenerabile, http://isb.pub.ro/docs/Energii_regenerabile.pdf

[19] Sistem fotovoltaic 1,8 kW, http://www.tehnosat.ro/pdf/sistemepv/sistempv1,8kw.pdf

[20] Sisteme fotovoltaice, http://mircea-gogu.ro/pdf/Curs%20Conversia%20 neconventionala % 20a%20energiei%20electrice/sisteme_fotovoltaice.pdf

[21] Studiu privind evaluarea potențialului energetic actual al surselor regenerabile de energie în România, http://www.minind.ro/domenii_sectoare/energie/studii/potential_ energetic.pdf

[22] Studiul structurii unui sistem fotovoltaic, https://suleacosti.files.wordpress.com/…/l8-studiul-structurii-unui-sistem-fotovoltaic

[23] Tehnologii pentru valorificarea energiei solare, http://www.panosolare.com/tehnologii-pentru – valorificarea-energiei-solare-1/