Total Licenta (3) [304388]

UNIVERSITATEA POLITEHNCA din BUCUREȘTI

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

DEPARTAMENTUL DE SISTEME ELECTROENERGETICE

LUCRARE DE LICENȚĂ

Folosirea sistemelor fotovoltaice pentru alimentarea locuințelor izolate

Coordonator stiințific Absolvent: [anonimizat]. [anonimizat] 2019

Introducere

Tema aleasă pentru lucrarea de diplomă urmărește analiza posibilităților de utilizare a [anonimizat]. [anonimizat] a energie electrice. Motivația alegerii acestei teme este reprezentată de numărul tot mai mare al persoanelor care aleg sistemele fotovoltaice independente ( OFF – GRID) pentru alimentarea diferitelor construcții izolate (pensiuni, cabane, așezări din Delta Dunării etc.). În cazul de fată eu am ales să alimentez o casă aflată într – o zonă rurălă din județul Argeș.

Energia solară se referă la o sursă de energie regenerabilă care este direct produsă prin lumină și radiația solară. Aceasta poate fi folosită să genereze electricitate prin celule solare (fotovoltaice), [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] (cel puțin pentru cateva miliarde de ani) și este ecologică. Mijloacele de captare a [anonimizat], această problemă începe să fie luată în seamă de tot mai mulți oameni. [anonimizat] a [anonimizat].

Conținutul proiectului se bazează pe dimensionarea sistemului fotovoltaic și alegerea generatorului de avarie. [anonimizat], [anonimizat]. Funcționarea și dimensionarea sistemului fotovoltaic a fost verificată în programul PV syst.

[anonimizat]. [anonimizat], a calculatoarelor de buzunar și a ceasurilor. [1]

Panourile fotovoltaice exploatează energia soarelui, o sursă liberă și infinită de energie. Când razele de soare ating suprafața pământului conțin o energie de aproximativ 2.000 [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat] 100% energie produsă din surse regenerabile și o furnizare 100% [anonimizat]. [2]

Efectul fotovoltaic a fost descoperit de Henri Becquerel (1839), care a observat că prin iluminarea unei soluții chimice poate fi produs curent electric. Efectul este observat ulterior în legătură cu seleniul (1877), însă celule solare funcționale au apărut abia în anii 1950, când tehnologia epocii a permis utilizarea sa eficientă. Einstein (1950) și Schottky (1930) au formulat principiul conversiei fotovoltaice. Descoperirea materialelor semiconductoare și producerea primei joncțiuni p-n (Shockley) au condus la construcția primelor celule solare2 , în cadrul programelor spațiale (de exemplu sateliții orbitali, 1958), cu o eficiență de conversie a luminii în electricitate de doar 5%. Chapin, Pearson și Fuller (1954) produc o celulă solară pe bază de siliciu, utilizată pentru început în aplicații speciale, care convertea 6% din lumina incidentă în electricitate. Celulele contemporane au o eficiență de conversie a luminii incidente în electricitate de aproxmativ 18% la o fracțiune din prețul de fabricație de acum 30 de ani. În condițiile de laborator, eficiența celulelor foto fabricate din siliciu ajung la 25%. [3]

Principalul material utilizat în fabricara celulelor fotovoltaice este în continuare siliciul. Există o gamă largă de tehnologii de producție a celulelor solare din siliciu (amorfe, cristaline, policristale) sau din alte materiale (cupru-indiu diseleniu, cadmiu teluric etc.). Deși costurile au scăzut, energia electrică produsă pe această cale este, în prezent, încă scumpă față de aceea produsă convențional. [3]

Convertoarele fotovoltaice sunt modulare, permitând fabricarea unor surse fotovoltaice pentru puteri de la ordinul miliwatt-ilor până la ordinul megawatt-ilor. Mai mult, sursele fotovoltaice pot fi înglobate în dispozitive sau echipamente, asigurând independența lor energetică – de la ceasuri și telecomenzi până la sisteme de telecomunicații sau centrale solare domestice. [3]

Începând cu anul 1990 au fost instalate zeci de mii de sisteme conectate la rețea. Teoretic, sistemele fotovoltaice pot asigura întregul necesar de energie pentru majoritatea țărilor. În particular, în România se derulează programe naționale pentru dezvoltarea și instalarea centralelor fotovoltaice, inclusiv cu conectare la rețelele de alimentare electrice, publice. Figura 2.1 arată un exemplu de sistem fovoltaic, integrat acoperișului, instalat în anul 2000, în București. Alte exemple sunt sistemul fotovoltaic de 337 kWp instalat (1984) la Universitatea Georgetown din Washington, SUA, sau sistemul fotovoltaic de 1 MW, instalat (1997) la târgul expozițional de la München, Germania alcătuit din 7812 module fotovoltaice defășurate pe o suprafață de 38100 m2 și care generează circa 1 milion kWh de electricitate annual, acoperind echivalentul a 340 gospodării germane. [3]

Fig.2.1 Centrala fotovoltaică de 34 kWp instalată pe acoperișul facultății de Inginerie Electrică, la Universitatea POLITEHNICĂ din București [4]

Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice

Într-un semiconductor omogen iluminat de un fascicul luminos intensitatea luminii scade, de la suprafață spre interior, conform legii Beer-Bouquer-Lambert (fig.2.2) după[3] :

(2.1)

unde este coeficientul de absorție, o proprietate de material .

Apariția unui câmp electric (imprimat) într-un semiconductor omogen, iluminat, se numește efect fotovoltaic. [3]

Fig.2.2 Interacțiunea lumină-materie [3]

Fenomenele de transmisie și atenuare care însoțesc programarea fasciculului de lumină într –un medu material saut caracterizate cantitativ de transmitanță și absorbție, definite prin (fig.2.2). [3]

Transmitanță , Absorbanța= , unde =/2,303, iar c este concentrația luminii sunt produși purtători de sarcină, a căror rată de generare scade exponențial cu distanța de la suprafața iluminată a materialului [3] :

G(x)=G(0), G(0)= ηαզ(0). (2.2)

Modelul atomic Bohr

În modelul atomic Bohr, utilizat pentru explicarea efectului fotovoltaic, electronii cu masa de repaus me = 9,1093897·kg se rotesc în jurul nucleelor pe o arbită de rază rn, cu viteza unghiulară . Acestei mișcări orbitale îi corespunde forța centrifugă după [3]:

În mișcarea lor în jurul nucleului atomic, care conține Z protoni încărcați pozitiv și neutroni neîncărcați electric, electronii- fiecare cu sarcina electrică elementară e=1,60217733 A·s- sunt supuși acțiunii forței de atracție electrice Coulomb (=8,85418781762· A·s/V·m este permitivitatea, sau constanta dielectrică a vidului) după [3]:

(2.4.)

Echilibrul dintre forțele centrifugă și electrică menține electronii pe orbite pentru care, conform teoremei lui Plank, momentul unghiular (orbital) este un multiplu întreg de ħ=h/2, unde h=6,6260755 J·s este constanta lui Plank.

Cuantificarea momentului orbital, nħ=n, permite determinarea razelor orbitelor, a vitezelor unghiulare admisibile și energia pe care o are un electron de pe orbita n (indicele n este numărul orbitei) după [3]:

, , = (2.5.)

Energia electronului de prima orbită a atomului de hidrogen cu Z=1 protoni este E1,Z=1=13,59 eV. Pentru deplasarea unui electron de pe orbita n pe orbita n+1 este necesară energia ΔE=En – En+1 furnizată din exterior.

Fiecare obită poate conține un număr maxim limitat de electroni; pe prima orbită (n=1), 2; pe a doua orbită (n=2), 8; pe a treia orbită (n=3), 18; apoi 32, 50 . . . . Energia descrește cu creșterea indicelui n. Pentru n, rezultă Eα=0.

Efectul fotoelectric

Pentru explicarea efectului fotoelectric, un fenoment de tip interacțiune câamp-substanță, este convenabil să se considere că lumina este o colecție materială, imponderabilă, de fotoni, respectiv de particule care posedă energie numite fotoni. Fotonii au suficientă energie pentru a dizloca, prin ciocnire, un electron de pe un nivel inferior pe un nivel superior. Energia unui foton cu lungimea de undă este (c=2,99792458108m/s) după [3]:

E=hc/ (2.6)

Dacă un foton cu energia de 13,59 eV ciocnește (interacționează cu) un electron de prima orbită, îl poate deplasa de pe această orbită , separându-l de nucleu. Această cantitate de energie se numește energie de ionizare, iar extracția electronului reprezintă efectul fotoelectric extern.

Pentru ionizarea atomului de hidrogen fotonul incident trebuie să aibe o lungime de undă corespunzătoare, mai mica decât nm, ceea ce îl situează în domeniul radiației X. Celulele fotovoltaice convertesc lumina din spectrul vizibil (de la ultraviolet la infraroșu), iar energiile fotonilor sunt mai mici decât energia razelor X. Prin urmare, efectul fotoelectric extern nu este present, iar celulele fotovoltaice funcționează folosind efectul fotoelectric intern [3].

Fig. 2.3. Stări energetice în atomi,molecule și corpuri solide [3]

Electronii moleculelor cu mai mulți atomi prezintă stări energetice diferite de cele ale electronilor atomilor cu un singur electron. Interacțiunile între electronii moleculelor cu mai mulți atomi ,,distribuie’’ stările energetice pe niveluri energetice învecinate, mai înguste (fig.2.3). Într-un corp solid cu k atomi aceste niveluri sunt atât de apropiate încât nu mai este disponibilă separarea lor. În aceste împrejurări, nivelurile energetice devin benzi de energie. Benzile de energie pot accepta însă doar un număr finit de electroni.

În modelul benzilor de energie electronii populează benzile succesiv, una după alta, începând cu prima bandă, corespunzătoare nivelului energetic minim. Banda de nivel maxim complet ocupată se numește bandă de valență (BV). Următoarea bandă, care poate fi parțial ocupată sau poate fi complet goală, se numește banda de conducție (BC). Intervalul dintre BV și BC este alcătuit din niveluri de energie interzise și este numit bandă interzisă (BI). Ecartul de energie, corespunzător BI, este notan Eg (energy gap) [3].

Materialele solide se clasifică în conductori, semiconductori și izolanți, în funcție de dispunerea și gradul de ocupare a benzilor de energie (fig.2.4.).

Fig. 2.4. Benzi de energie în conductoare, semiconductoare și izolante. [3]

În corpurile conductoare electronii ocupă doar parțial BC; BC și BV se pot suprapune, iar electronii pot circula în solid, contrinuind la conducția electronică. Macroscopic, materialele conductoare prezintă o rezistivitate electrică foarte mică (m), cele mai multe dintre ele fiind metalice.

Corpurile izolatoare au rezistivitate electrică foarte mare (). În cazul lor BC este complet goală și este necesară o cantitate relativ mare de energie pentru a ,,ridica’’ electroni din BV în BC, datorită ecartului, Eg ,mare (Eg).

Materiale semiconductoare sunt importante în constucția celulelor fotovoltaice. Rezistivitatea lor este între 10-5 și 107 m, iar BC sunt goale (similar izolatorilor). Datorită unui Eg mic ( Eg 5 eV) electronii pot fi ușor deplasați din BV în BC, de exemplu prin efect fotoelectric intern (fig.2.5) [3].

Dacă energia unui foton incident care ,,ciocnește’’ un semiconductor este mai mică decât Eg, atunci electronul extras nu poate fi deplasat din BV în BC. Dacă însă energia fotonului este mai mare decât Eg atunci electronul este deplasat din BV în BC, cu o parte din această energie. Surplusul de energie este ,,pierdut’’ deoarece electronul revine la limita inferioară a BC (fig. 2.5).

Cele mai importante aplicații ale efectului fotoelectric intern sunt celulele fotovoltaice și fotorezistențele.

Fig. 2.5. Deplasarea electronilor din BV la BC într-un semiconductor, datorită acțiunii luminii (efect foto intern) [3]

Principiul de funcționare al celulei fotovoltaice

Materialele semiconductoare sunt elemente din grupa a IV-a a tabelului periodic – de ex. Si, Ge, Sn. În construcția celulelor fotovoltaice se utilizează și compuși formați din câte două elemente- compuși III-V (unul din grupa III și unul din grupa V), sau compuși II- VI- sau din diferite alte combinații care pot prezenta patru electroni de valență: de exemplu GaAs ( III-V), sau CdTe (II-VI) [3].

Cele mai multe celule fotovoltaice sunt fabricate din siliciu. Este materialul cel mai abundent din natură, dar care nu se găsește în stare pură.

Fig. 2.6. Structura cristalină a Si; conducția intrinsecă în laticea cristalină datorată unui electron ,,defect’’ (stânga, P) și unui gol ,,defect’’ (dreapta, B) [3]

Siliciu are, în medie, patru electroni de valență. Pentru o configurație electronică stabilă este necesar ca doi electroni din atomi vecini în laticea cristalină să formeze o pereche legată covalent. Cei doi atomi folosesc împreună perechea de electroni (fig. 2.6). Legăturile covalente între patru atomi vecini dau siliciului o stabilitate electronică similară cu aceea a argonului (Ar). În modelul benzilor de energie BV este complet ocupată, iar BC este goală. Furnizarea unei cantități suficiente de energie – de exemplu prin iluminare, încălzire etc. –poate ridica electroni din BV în BC, care devin astfel liberi să se circule în latice. Un electron ,,defect’’, sau un ,, gol’’, rămâne în BV. Formarea electronului defect sau a golului explică conducția intrinsecă în semiconductori. [3]

Electronii și golurile sunt generați în perechi: sunt tot atât de multe goluri și electroni, respectiv n=p. Produsul dintre densitățile de goluri și electroni este numit densitatea de purtători de sarcină intrinseci. Această mărime depinde de temperatură, T, și de ecartul de energie, Eg (k=1,380658 J/K este constanta Boltzmann, iar pentru Si, nio= cm-3 K-3/2) după [3]:

(2.7)

Dacă cristalului de Si i se aplică o tensiune electrică atunci electronii (încărcați negativ) migrează sper anod. Electronii aflați în vecinătatea unui gol pot să ajungă în golul creat de acest curent așa încât golurile și electronii se mișcă, aparent, în direcții opuse. igMobilitățile electronilor și golurilor, și , pentru siliciu sunt după [3]:

= (2.8.)

unde, la T0=300 K, cm2/(Vs) și cm2/(Vs).

Conductivitatea electrică este inversul rezistivițății electrice (după [3]):

(2.9)

Atomii din grupa a V-a (de exemplu, P,Sb) prezintă cinci electroni de valență (fig. 2.7.). Dacă acești atomi sunt înglobați într-o latice de siliciu, doar patru electroni sunt legați covalent – al cincelea electron rămâne liber, și o cantitate mică de energie îl poate trece în BC.

Fig. 2.7 Conducția defectelor în siliciul dopat n, respectiv p. [3]

Descrierea electrică a modulelor fotovoltaice

Conexiunea serie a celulelor fotovoltaice

Celulele fotovoltaice nu sunt folosite independent deoarece tensiunile individuale sunt, în general, prea mici. Sistemele (modulele) fotovoltaice sunt construite prin conectarea în serie a celulelor fotovoltaice individuale (fig.2.8) după [3]:

(2.10)

Fig.2.8. Conexiunea serie a celulelor fotovoltaice [3]

O mare parte dintre module sunt proiectate cu 32 – 40 celule fotovoltaice (Si) conectate în serie, și funcționeze în tandem cu baterii reîncărcabile (de ex., baterii de tip plumb – acid). Pentru conectare la rețea se construiesc module fotovoltaice cu mult mai multe celule individuale.

Caracteristica U – I a unei celule fotovoltaice individuale generează caracteristica U – I a modulului (fig.2.9.) – pentru iradianța , la temperatura de lucru .

Fig.2.9. Caracteristica electrică a unui modul cu 36 celule fotovoltaice [3]

Datele de catalog prezintă un număr limitat de parametri doar – de exemplu, tensiunea de mers în gol, , curentul de scurtcircuit, , tensiunea și curentul la PPM, , , iradianța , temperatura pentru tensiunea și curent, și . Parametrii modulelor, pentru diferite temperaturi de lucru, , și diferite iradianțe, E, sunt:

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

Relația tensiune – curent pentru modul este aproximativ

(2.15)

unde și .

În realitate nu toate celulele unui modul fotovoltaic funcționează în condiții identice. În modelul prezentat în figura 2.10., 35 dintre cele 36 celule ale unui modul serie sunt iradiate identic, celula 36 are 75% din iradianță. Și în acest caz, curentul este același. Tensiunea pe modul este unde este căderea de tensiune pe celulele iradiate complet, iar este tensiunea pe celula umbrită.

Deși suprafața celului 36 reprezintă doar 2% din suprafața modulului, puterea la PPM se reduce la 70% (6,3 W față de 20,3 W). Celula acoperită funcționează ca sarcină pentru modul. Pentru alte condiții de acoperire pierderile pot atinge 30 W, conducând la supraîncălzirea celulei umbrite și, în final, la distrugerea ei.

Fig.2.10 Caracteristica electrică a unui modul cu 75% umbrire [3]

Pentru a o proteja, se introduce o diodă de bypass în paralel cu modulul (fig.2.11). În funcționarea normală, diodele bypass nu sunt active. Din motive economice, diodele bypass se conectează la șiruri de câte 18 – 24 celule. Tehnologia actuală a semiconductorilor permite integrarea diodelor de bypass direct în celulele fotovoltaice (de ex., Shading tolerant modules, produse de Sharp).

Fig.2.11 Diode bypass pentru protejarea celulelor fotovoltaice [3]

În funcție de tipul său , dioda de bypass conduce dăcă i se aplică o tensiune de cca. – 0,7 V- care rezultă, de ex., atunci când tensiunea celului fotovoltaice umbrite este egală cu suma căderilor de tensiune pe celulele iradiate plus tensiunea diodei de bypass. Figura 2.12. arată caracteristica U – I pentru diode de bypass conectate în paralel cu un număr diferit de celule fotovoltaice.

Fig.2.12 Modulul cu diodă de bypass, [3]

Figura 2.13. arată puterea electrică a modulului prevăzut cu două diode de bypass în paralel cu 18 celule fotovoltaice, pentru diferite condiții de umbrire: o celulă esre supusă la doua grade de umbrire diferite, pentru , la .

Fig.2.13 Modul cu 36 de celule, cu două diode de bypass [3]

Tehnologia de fabricație

Etape de fabricație

În prima etapă , placheta de siliciu, numită wafer, este curățată, impurificată (dopată), șlefuită. Defectele produse prin debitare sunt îndepărtate prin spălare cu acid hidrofluoric.

Etapa următoate este generarea joncțiunii p – n. Dopanții, fosforul și borul (în stare gazoasă), sunt amestecați cu un gaz de lucru ( de transport ), de ex. sau , utilizat pentru impurificarea plachetelor prin dufuzie masică. Doparea se realizează prin difuzie termică într-un cuptor unde materialul dopat este introdus sub formă de vapori. Principalii parametrii de control ai procesului de impurificare (dopare) sunt temperatura, gradul de amestecare și viteza de curgere. În tehnologia peliculară atomii dopanți sunt introduși în procesul de depunere a peliculei. Suprafețele plachetelor sunt apoi curățate prim șlefuire și se adaugă contactele electrice, realizate printr-un proces de litografiere. Materiale utilizate pentru contactul din spate (umbrit) acoperă întreaga suprafață a plachetei, iar contactul frontal (iluminat) acoperă parțial suprafața plachetei – optimizarea sa este un obiectiv de proiectare [3].

Fig.2.14 Celula fotovoltaică plană. Interacțiunea lumină – celulă [3]

Module solare de tip peliculă (film subțire)

O tehnologie promițătoare este tehnoligia ,,film subțire” – figura 2.15 Modulele film subțire sunt fabricate doar cu o fracțiune din cantitatea de material (Si, CdTe, sau CuInSe2 – CIS) utilizată în fabricarea celulelor fotovoltaice cristaline. În tehnologia de strat subțire – siliciu amorf – filmul, sau stratul subțire, este obținut prin depunerea unei pelicule de siliciu pe o suprafață cu ajutorul unui gaz reactive (SiH4) – procesul este numit depunere prin vapori de gaz (vapor gas deposition). Baza modulelor solare din Si amorf este un substrat, în cele mai multe cazuri, din sticlă, plastic sau o folie metalică [3].

Un dezavantaj al acestei tehnologii îl constituie toxicitatea materialelor utilizate în procesul de fabricație. Pe de altă parte, deși Si este disponibil în cantități (practice) nelimitate, rezervele de Te sunt limitate. Nu este însă clar care material va domina, în viitor, piețele celulelor fotovoltaice.

Fig.2.15 Module solare din siliciu amorf [3]

Ca și în cazul celulelor fotovoltaice standard, puterea electrică furnizată depinde de tipul și aria suprafeței materialului activ, lungimea de undă a luminii solare, intensitatea luminii solare.

Module solare cu celule cristaline

Celule izolate neprotejate, pot fi deteriorate rapid de variații climatice. Pentru a evita acest lucru mai multe celule solare, de regulă pătrate, cu latura de cca. 10…21 cm, sunt asamblate într-un modul (fotovoltaic). Tipic, modulele cuprind cca. 32…40 de celule.

Stratul protector frontal este fabricat din sticlă metalizată, utilizată și în construcția colectoarelor solare. Stratul protectot de bază (din spate) este construit din sticlă sau plastic. Între straturile frontal și din spate, modulul este înglobat în plastic – de obicei etilen-vinil-acetat (EVA), tratat la 100ᵒC, fixat prin laminare. În final, se adaugă o ramă – cadru pentru protecție. O cutie de borne protejează contactele electrice ale modulului [3].

Clasificarea sistemelor fotovoltaice

Sisteme fotovoltaice independente ( OFF -GRID)

Un sistem fotovoltaic-off grid (fig.2.16) (sau sistem fotovoltaic cu stocare) este o centrală electrică autonomă care permite producerea electricității prin panouri solare fotovoltaice pentru alimentarea consumatorilor, independent de furnizorii externi de energie electrică [5].

Acest sistem fotovoltaic cu stocare produce energie electrică în timpul zilei. Sistemul fotovoltaic cu stocare alimentează consumatorii în direct iar surplusul de producție este stocat în acumulatori, astfel energia electrică este disponibiliă atât ziua cât și noaptea [5].

Sistemele fotovoltaice off-grid sunt acele sisteme ce functionează independent de rețea. Ele pot fi folosite în aproape orice locație neelectrificată (casă, cabană, stână, saivan, insule, diverse locații izolate de munte, câmpie, Delta Dunării).

Fig.2.16 Sistem fotovoltaic independent [6]

Sistemele fotovoltaice independente pot fi realizate în topologie magistrală de curent alternativ (AC Bus) sau magistrală de curent continuu (DC Bus). Sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu sunt utilizate pentru puteri nominale mici (pînă la circa 15 kilowati) în timp ce sistemele de tip magistrală de curent alternativ nu sunt limitate în ceea ce privește puterea maximă [7].

Diferența principală dintre sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent alternativ și cele de tip magistrală de curent continuu constă în modul în care este transformată energia de current continuu generată de panourile fotovoltaice în energie de curent alternativ necesară pentru alimentarea consumatorilor. Sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent alternativ au o eficientă și un randament mult mai mare decât al sistemelor de tip magistrală de curent continuu pentru că energia panourilor este transformată direct în energie de curent alternativ iar invertoarele de rețea sunt prevăzute cu algoritm de determinare și urmărire a punctului de putere maximă [7].

Un sistem fotovoltaic de tip magistrală de curent alternativ are în compunere un generator fotovoltaic, unul sau mai multe invertoare de rețea, unul sau mai multe invertoare de baterii, o baterie de acumulatori pentru stocarea energiei electrice, și opțional un grup electrogen ca sursă de rezervă. Invertoarele de rețea pentru aceste sisteme transformă energia de current continuu generată de panourile fotovoltaice în energie de current alternativ și o injectează direct în rețeaua electrică a imobilului. Surplusul de energie generat în timpul zilei este stocat în acumulatori pentru a asigura necesarul de energie pe timpul nopții cu ajutorul invertoarelor de baterii [7].

Invertoarele de baterii pentru sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent alternativ sunt bidirecționale și realizează, pe lângă conversia energiei de curent continuu stocată în acumulatori în energie de curent alternativ ori de câte ori consumul este mai mare decât puterea generată de panourile fotovoltaice, și controlul tensiunii și al curentului de încărcare al bateriilor [7].

Un sistem fotovoltaic de tip magistrală de curent continuu are în compunere un generator fotovoltaic, unul sau mai multe controlere de încărcare baterii, unul sau mai multe invertoare de baterii, o baterie de acumulatori pentru stocarea energiei electrice, și opțional un grup electrogen ca sursă de rezervă. În aceste sisteme, energia de curent continuu generată de panourile fotovoltaice este mai întâi stabilizată în tensiune cu ajutorul controlerelor de încărcare și stocată în baterii de acumulatori. Invertoarele de baterii pentru sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu nu sunt bidirecționale, ele asigură doar conversia energiei de curent continuu de la bornele acumulatorilor în energie de curent alternativ pentru alimentarea consumatorilor [7].

Sisteme fotovoltaice conectate la rețea (ON – GRID)

Un sistem fotovoltaic legat la rețea (ON – GRID) (fig.2.17) produce energie electrică cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

O parte din energia produsă este consumată direct iar cealaltă parte este injectată în rețea pentru a fi recuperată noaptea, sistemul fotovoltaic permite, astfel, o reducere a facturii de electricitate de până la 100 %.

Fig. 2.17 Sistem fotovoltaic conectat la rețea [8]

Sistemele fotovoltaice sunt echipamente care transformă energia solară în energie electrică. Termenul de ON-GRID face referire la conectarea sistemului în rețeaua locală de energie electrică. Deoarece la aceste sisteme se elimină o componentă de bază (bateriile), iar energia produsă suplimentară ( care nu se consumă) este împinsă în rețea, face aceste sisteme una din cele mai eficiente surse de conversie a energiei solare în energie electrică, iat energia electrică este o sursă de economisire, iar în unele cazuri chiar o sursă suplimentară de venituri. Panouril fotovoltaice produc curent continuu, iar acesta prin intermediul unui invertor ON GRID de tip DC – AC, este transformat în curent alternativ, alimentând astfel consumatorii conectați. Prin intermediul contorului bidirecțional, ceea ce se produce dar nu va fi consumat pe timp de zi, va fi injectat în rețeaua națională (locală) și va fi valorificat. În cazul în care într-o lună consumul este mai mare decât cel produs, plătim către furnizorul de energie doar diferența dintre ceea ce am produs și ceea ce am consumat [9].

Componentele sistemelor fotovoltaice

Panouri fotovoltaice

Panourile fotovoltaice sunt componenta care generează energia sistemelor fotovoltaice prin conversia radiației solare în energie electrică. Cele mai des folosite tehnologii bazate pe celule fotovoltaice sunt: Panourile fotovoltaice monocristaline, panourile fotovoltaice policristaline, film subțire și panourile fotovoltaice amorfe care se pot utiliza în cadrul sistemelor fotovoltaice cu baterii (sisteme izolate, OFF-GRID) sau sisteme fotovoltaice legate la rețea (ON-GRID) [2].

Tipuri celule fotovoltaice:

Tabel 2.1

Panouri fotovoltaice monocristaline

Panouri solare realizate din celulele fotovoltaice monocristaline (fig.2.18) sunt mult mai eficiente, dar, de asemenea, și mai costisitoare. Eficiența lor este, de obicei, în intervalul de 14-16%. Celule solare monocristaline sunt folosite în panourile fotovoltaice monocristaline care sunt ușor de recunoscut datorită aspectului extern colorat și uniform, această proprietate indicând consistența unui siliciu de înaltă puritate și calitate. Din acest motiv, panourile solare monocristaline sunt cele mai eficiente. De asemenea, aceste panouri produc cel mai mult curent din radiația solară și pot fi amplasate pe porțiuni mai restrânse. În plus, panourile solare monocristaline produc de patru ori cantitatea de energie electrică față de alte tipuri de panouri, sunt cele mai durabile și majoritatea producătorilor oferă garanții de peste 25 de ani pentru aceste produse [10].

Fig.2.18 Panouri solare monocristaline [10]

Panouri fotovoltaice policristaline

Panourile fotovoltaice policristaline (fig.2.19) tind să aibă mai puțină rezistență la căldură decât panourile solare monocristaline, prin urmare sunt mai puțin eficiente la temperaturi crescute. În același timp, sunt mai ieftine decât cele monocristaline, procesul de producție fiind mai simplu și mai puțin costisitor. Acest lucru, pe de altă parte, implică și o eficiență mai scăzută a acestui tip de panouri [10].

Figura 2.19 Panouri fotovoltaice policristaline [10]

Panouri solare cu strat subțire

Panourile solare cu strat subțire (fig.2.20) sunt la rândul lor clasificate în funcție de materialul fotovoltaic care este depus pe substrat: siliciu amorf, telurură de cadmiu, seleniură de cupru indiu galiu și celule fotovoltaice organice. Prototipurile de module cu strat subțire au atins performanțe între 7 și 13%. Panourile cu celule cu strat subțire sunt mai ieftine decât cele cu celule solare cristaline. Aspecul lor omogen le conferă un design plăcut, sunt flexibile, iar performanța lor nu este afectată de temperaturile ridicate sau de umbră. Sunt ideale pentru suprafețele mai largi, mai întinse.

Fig.2.20 Panouri fotovoltaice cu strat subțire [10]

Panouri fotovoltaie amorfe

Sunt acele panouri (fig.2.21) ce transformă energie solară atât în apă caldă cât și în energie electrică. Dețin un modul care are un strat subțire de peliculă solară amorfă în spatele celulelor monocristaline. Stratul suplimentar amorf extrage mai multă energie de la lumina soarelui, în special în condiții de lumină slabă. Un avantaj al acestei tehnologii este că pierderile care apar de obicei din cauza lipsei de uniformitate a structurilor cristaline prezente pe suprafața celulei, sunt semnificativ reduse. Aceste panouri nu sunt recomandate pentru suprafețe mari de acoperiș și se vând la prețuri mai mari decât panourile fotovoltaice anterioare [10].

Fig.2.21 Panouri fotovoltaice amorfe [10]

Control de încărcare

Regulatorul de încărcare solar este piesa intermediară între panourile solare și acumulatorii din cadrul unui sistem solar. Încărcarea acumulatorului cu energia provenită de la un panou solar se realizează cu ajutorul regulatorului de încărcare, acesta având mai multe roluri:

Protecție scurtcircuit;

Protecție polaritate inversă;

Oprește încărcarea când acumulatorul este încărcat 100%, oprește consumatorii când bateria este descărcată sub;

Prelungește durata de viată pentru acumulatori;

Funcție iluminat;

Funcția întrerupător, mod simplu de funcționare On – Off;

Nu lasă curentul să circule în sens invers pe timpul nopții, din baterie către panouri;

Indicator cu leduri pentru starea de încărcare a bateriei.

Acesta stabilește care este curentul optim de încărcare și oprește încărcarea în momentul în care acumulatorii sunt 100% încărcati [11].

Regulator de încărcare PWM

Regulatoarele PWM (fig.2.22) trimite o serie de impulsuri scurte de încărcare bateriei. Un avantaj al acestui tip de dispozitiv e că verifică în mod constant starea bateriei pentru a stabili viteza de transmitere a impulsurilor, dar și intensitatea acestora. Astfel, în cazul unei baterii încărcate, regulatorul va transmite impulsuri scurte, iar la cele descărcate impulsul va fi aproape continuu. De asemenea, acest tip de controler poate verifica, între impulsuri, stadiul de încărcare a bateriei și le reglează în funcție de necessitate.

Practic, regulatorul de încărcare PWM folosește un sistem de funcționare simplu, fiind un comutator on-off [12].

Fig.2.22 Regulator de încărcare PWM [12]

Regulator de încărcare MPPT

Regulatoarele de tipul MPPT (fig.2.23) (Maximum power point tracking sau cu urmărirea punctului de putere maximă) au randamente de până la 98%, astfel ele pot aduce economii importante în sistemele fotovoltaice mari, pentru că oferă între 10 și 30% mai multă putere bateriilor.MPPT-urile pot să aducă suplimentar o cantitate mai mare de energie, de aproximativ 30%. Important e că regulatoarele de încărcare a bateriilor cu soft și LCD, cele de peste 70 de amperi, pot fi setate pe calculator [12].

Regulatoarele solare MPPT sunt mult mai sofisticate decât controlerele PWM.  El schimbă tensiunea optimă pentru încărcarea bateriei în funcție de modificările aduse la sarcina electrică, iar tensiunea de ieșire a panoului solar variază în funcție de mai mulți factori, inclusiv intensitatea soarelui și temperatură.

Un beneficiu imens al acestui regulator de încărcare e că poate asigura același nivel de încărcare, însă cu mai puține panouri.

Controlerele solare cu urmărirea punctului de putere maximă pot potrivi automat de tensiunea panoului la tensiunea bateriei, în scopul de a maximiza eficiența de încărcare. Regulatoarele MPPT au capacitatea de a gestiona tensiunea mult mai bine față de controlerele PWM [12].

Fig. 2.23. Regulator de încărcare MPPT [12]

Invertoare

Invertoarele pentru panouri fotovoltaice sunt echipamente ale sistemelor de producere a energiei electrice, din surse regenerabile, care au rolul de a transforma energia solară oferită de colectorele solare în curentul necesar aplicațiilor electrice. Invertoarele pentru panouri fotovoltaice pot modifica tensiunea curentului, pentru ca aceasta să poată fi utilizată într-o gamă variată de dispozitive electronice. Invertoarele mai sunt numite și "motoarele sistemelor fotovoltaice", tocmai datorită faptului că fară ele, energia captată de panourile fotovoltaice de la soare, nu ar putea fi transformă în energie electrică, necesară pentru punerea în funcțiune a televizorului, a frigiderului, a aspiratorului și a mașnii de spălat din locuință [13].

Invertoare fotovoltaice On – Grid cu injecție în rețea

Invertoarele fotovoltaice On-Grid (fig.2.24) cu injectare în rețea sunt acele echipamente care realizează conversia energiei electrice de curent continuu, generată de panourile fotovoltaice, în energie electrică de curent alternativ. Energia electrică astfel obținută este injectată în sistemul energetic național. Invertoarele fotovoltaice On-Grid cu injectare în rețea se sincronizează la frecvența rețelei naționale de curent și funcționează numai dacă sunt legate la aceasta. Aceste invertoare generează suficientă energie electrică, atât pentru consum propriu, cât și pentru furnizarea energiei către rețeaua națională [13].

Fig.2.24 Invertoarele fotovoltaice On-Grid [13]

Invertoare solare Off-Grid independente

Echipamentele responsabile de transformarea curentului continuu, generat de panourile fotovoltaice, în curent alternativ, se numesc invertoare solare Off-Grid (fig.2.25). Mai precis, invertoarele off grid realizează conversia tensiunii de 12V, 24V sau 48V, provenită de la acumulatori, în tensiune de 220V. Invertoarele solare Off-Grid sunt utilizate în sistemele fotovoltaice independente de utilizare a energiei regenerabile, adică a celor care nu sunt conectate la rețeaua natională de electricitate și care sunt folosite, de regulă, în zonele izolate.

Fig.2.25 Invertoare solare Off-Grid [13]

Generator fotovoltaic OFF (ON) – GRID monofazat cu baterii de stocare

Acest tip de Generator poate fi instalat în orice locație neconectată la rețeaua SEN (Sistemul Energetic Național). Dacă ulterior se ia decizia conectării la SEN acest lucru este posibil, generatorul putând funcționa atât în regim OFF-GRID(neconectat la rețea) cât și în regim ON-GRID(conectat la rețea). Acest tip de generator extrem de versatil este recomandat a se utiliza pentru:

Reducerea drastică a cheltuielile cu factura de Energie Electrică de la alți furnizori dacă sunteți conectat la SEN;

Alimentarea locațiilor/proceselor tehnologice pentru care întreruperea alimentării ar provoca daune importante sau ar pune în pericol siguranța personalului;

Alimentarea locațiilor care momentan nu sunt conectate la SEN dar se intenționează a fi conectate în viitor .

Indicat a fi instalat în următorul gen de locații:

Clădiri cu destinație de casă, cabană, locuință, temporar neconectate la SEN, dar care vor fi conectate la SEN în viitor ;

Ferme agricole cu incubatoare/crescătorii avicole la care continuitatea alimentării este vitală.

Mod de funcțioare: Generatorul OFF(ON)-GRID MONOFAZAT CU BATERII DE STOCARE (fig.2.26) poate funcționa în paralel cu rețeaua SEN sau independent de aceasta. Energia Solară captată de Panourile Fotovoltaice este transformată în Energie Electrică caracterizată de curentul Ic și tensiuna Uc. Curentul produs de panourile fotovoltaice este transformat de către invertor și debitat direct în reteaua proprie Ua=220 VAC, surplusul de curent (prin charger) fiind stocat în acumulatori. Pe timpul zilei se încarcă acumulatorii la capacitatea maximă surplusul fiind debitat în rețeaua SEN urmând ca pe timpul nopții să fie consumată energia stocată în acumulatori. Dacă sunt condiții nefavorabile privind radiația solară și energia din bateriile de stocare este pe cale să fie epuizată, atunci generatorul se conectează automat la SEN, asigurând continuitatea alimentării cu Energie Electrică. Printr-o dimensionare adecvată a suprafeței de captare a Energiei Solare și a Capacității de Stocare a acumulatorilor în funcție de consumatorii arondați, se poate asigura un consum continuu zi-noapte dacă nu sunteți conectat la rețea sau cu un consum minim din SEN dacă sunteți conectat la rețea. Se poate debita energie în SEN prin montarea unui contor dublu-sens. Valoarea energiei debitată în SEN poate fi valorificată prin broker-ii de energie existenți [14].

Fig.2.26 Sistem fotovoltaic OFF – GRID plus generator fotovoltaic [14]

Estimarea consumului de energie și putere.

Aspect generale

Utilizatorii finali de energie electrică sunt persoane fizice sau juridice care folosesc energie electrică pentru realizarea unor activități care necesită energie:acționări ale mașinilor de lucru, iluminat, încălzire,reacții chimice etc.

În funcție de puterea cerută și aprobată, necesară desfășurării proceselor care folosesc energie electrică, utilizatorii finali se clasifică în :

−consumatori mici,în cazul în care puterea aparentă aprobată este mai mică sau egală cu 100 kVA;

−consumatori mari, a căror putere aparentă aprobată este cuprinsa între 100 kVA si 1 MVA inclusiv;

−consumatori foarte mari, în cazul în care puterea aparentă aprobată depășeste 1 MVA.

Conform reglementării emise de autoritatea competentă, consumatorul de energie electrică cu o putere instalată de cel puțin 1000 kVA este obligat să prezinte prognoze orare de consum furnizorului cu care are relații contractuale [15].

Sistemul de alimentare cu energie electrică a receptoarelor unui consumator cuprinde, în principal două părți:

sistemul electroenergetic exterior, ca parte a rețelei electrice a distribuitorului de energie electrică;

sistemul electroenergetic interior ( sistemul electroenergetic industrial) care cuprinde asamblul instalațiilor electrice, din exploatarea utilizatorului și care asigură transferul energie electrice, de la sistemul exterior, până la receptoarele acestuia.

Punctul de delimitare dintre cele două sisteme, de cele mai multe ori comun cu punctul de măsurare a energie electrice consumate, este locul în care instalațiile consumatorului se conectează la instalațiile electrice ale furnizorului și care reprezintă, astfel, un punct de delimitare a proprietății [15].

Sistemul electroenergetic exterior

Configurația rețelei electrice exterioare, din care este alimentat consumatorul de energie electrică, este diferită,în special,în funcție de nivelul cerut de siguranță în alimentarea acestuia.Din punct de vedere practic sunt folosite urmatoarele configurații principale:

Rețea electrică radială (fig.3.1);

Rețea electrică alimentată de la ambele capace (fig.3.2);

Rețea electrică buclată (fig.3.3).

Fig.3.1 – Schema unei rețele electrice radiale [15].

Fig. 3.2 – a)Schema unei linii electrice cu dublă alimentare și b) o rețea electrică inelară [15].

În cazul schemelor radiale,liniile conectate la bara de 20 kV asigură asigură alimentarea univocă a consumatorilor din zonă. Racordurile R asigură conectarea diferiților consumatori aflați în apropierea axului principal al rețelei. Principalele avantaje ale acestei scheme de distribuție constau în simplitatea exploatării și monitorizării, sisteme simple de protecție, mai puține echipamente de comutație. În cazul unui defect în rețea, toți consumatorii, conectați la un anumit ax, rămân nealimentați până la remedierea defectului. De asemenea, în acest tip de rețea electrică, pierderile de energie electrică și căderile de tensiune sunt relative mari [15].

În general, schema de distribuție indicată în figura 3.1 este utilizată pentru alimentarea unor zone de consum cu densitate redusă (zone rurale, zone de la marginea orașelor, mici consumatori industriali etc.).

În cazul liniei alimentată de la ambele capete (fig.3.2 a)), curentul electric absorbit de consummator (de exemplu, consumatorul CA) este preluat atât de la bara B1 cât și de la bara B2. În acest fel, pierderile de putere și enegie, precum și căderile de tensiune sunt mai mici decât în cazul alimentării radiale.

Pentru schema inelară (fig.3.2 b)), cele două bare B1 și B2 sunt conectate la o sursă unică de alimentare. În cazul unui defect, de exemplu în punctul K, prin intermediul întreruptoarelor IA și IB, linia afectată de defect este separate, iar consumatorii sunt alimentați, până la remediera defectului, în continuare, într-o schema radial. Schema inelară este larg utilizată atât în rețelele de înaltă și medie tensiune, cât și în rețelele de joasă tensiune [15].

Buclarea rețelei (fig.3.3) realizează o siguranță mare de alimentare, reducerea pierderile de energie și o calitate superioară a energie electrice furnizate. Toate linile din rețea sunt alimentate din ambele capete. Schema este utilizată în rețelele de joasă și medie tensiune, în zonele cu densitate mare de sarcină (centre urbane mari, zone industriale). Realizarea rețelelor buclate implică costuri de investiție sporite și existența unui sistem de protecție mai complex.

Fig.3.3 – Schema unei rețele electrice buclate [15]

Sistemul electroenergetic interior

În cazul întreprinderilor industrial, rețeaua electrică pentru alimentarea consumatorului ( din punct de vedere electric un asamblu de receptoare și circuite de alimentare) poate avea aceeași complexitate ca și rețeaua electrică a furnizorului.

Alegerea schemei de alimentare a consumatorului de energie electrică trebuie facută de către utilizator în colaborare cu furnizorul de energie. Consumatorul dorește, în principal, o alimentare sigură și de calitate, pentru puterea cerută, iar furnizorul de energie dorește o încărcătură cât mai puțin neuniformă, un factor de putere impus, perturbații reduse în rețeaua electrică de alimentare (nesimetrie, armonice, fluctuații de tensiune etc.) [15].

Sarcina electrică este definită ca fiind puterea electrică (active, reactive sau aparentă), debitată sau absorbită de un sistem tehnic. Predeterminarea sarcinii este cea mai importantă etapă la alegerea și proiectarea unui sistem de alimentare cu energie electrică. Această etapa determină principalii indicatori tehnici si economici ai sistemului interior al consumatorului: nivelul investițiilor, cheltuielile de mentenanță siguranța în funcționare.

Tensiunea de alimentare la care se conectează un consummator se alege în funcție de puterea contractată a acestuia. Cei mai mulți dintre consumatorii industriali sunt conectați la rețeaua de medie tensiune (20 kV). Marii consumatori sunt conectați la tensiune de 110 kV și numai un număr redus de consumatori, foarte mari, sunt conectați la tensiunea de 400 kV (industria de aluminiu, industria metalurgică).

Pentru puteri trifazate contractate sub 250 kVA, în general, consumatorul industrial este conectat la rețeaua electrică de joasă tensiune. Conectarea la puteri mai mici, la rețeaua de medie tensiune, poate fi necesară în cazul în care consumatorul industrial necesită condiții de calitate a energie electrice superioare celor oferite de rețeaua de joasă tensiune [15].

Graficul de sarcină al unui consummator

Puterea electrică necesară unui consumato, pentru a asigură desfășurarea activităților sale, diferă pe parcursul unei zile, fiind diferită în funcție de intensitatea activităților desfășurate la diferitele ore și de tipul zilei: de lucru sau de sărbătoare, de sezon etc. Curba care reprezintă variația puterii electrice absorbită de un consummator, pe parcursul unei zile, se numește grafic de sarcină și poate să se refere la puterea active, puterea reactive sau puterea aparentă (fig.3.6).

În principiu un grafic de sarcină ( fig.3.6) poate fi definite prin următoarele mărimi:

valoare de vârf de sarcină ;

valoare la gol de sarcină ;

profil.

Fig.3.5 – Exemplu de schemă de alimentare a unui consumator conectat la 20 kV [15].

Fig.3.6 – a) Graficul de sarcină zilnică, teoretic b) Determinarea pe baza înregistrărilor de energie [15].

Deoarece fiecare consumator are curba sa de sarcină specifică, din motive practice, se urmărește încadrarea formei acesteia într-o categorie, numit profil, de formă asemănătoare. Profilul de sarcină al unui consumator poate determina prețul de achiziție al energie electrice. Pentru încadrarea unui consumator într-un anumit profil de sarcină sunt utilizați o serie de indicatori ce caracterizează forma graficului de sarcină.

Puterea activă P luată în considerație la realizarea graficului de sarcină este o putere medie calculată pe un interval de timp stabilit (în mod obișnuit sfert de oră) și se determină, în mod practic, din citirile contractelor de energie electrică la limitele intervalului de timp, , stabilit după [15].

(3.1)

Puterea maximă PM este cea mai mare putere medie care poate să apară într-un interval de timp specificat; în fucție de intervalul de timp luat în considerație se definește sarcina maximă de durată, determinată de 15, 30 sau 60 de minute și sarcina maximă de vârf ( de scurtă durată), determinată pe intervale de timp de 1 ···10 s .

Puterea maximă a graficului de sarcină are un rol important în dimensionarea instalațiilor de alimentare a consumatorului.

Puterea medie Pmed poate fi determinată orar,zilnic,lunar,anual etc. Pentru graficul de sarcină zilnic se calculează cu relația:

(3.2)

În relația (3.2) s-a notat cu T intervalul de timp pe care se calculează puterea medie (oră, zi, lună etc.), P- puterea absorbită de consumator, Δt- intervalul de timp ( de obicei sfert de oră) pe care se determină puterea, Pk –puterea corespunzătoare fiecărui interval de timp Δt, M-numărul intervalelor Δt cuprins în intervalu de timp T.

Puterea instalată activă Pi se definește ca suma aritmetică a puterilor nominale active ale receptoarelor consumatorului.

Puterea aprobată (contractată) reprezintă valoarea maximă a puterii active/aparente pe care utilizatorul o poate absorbi prin instalația de racordare la instalația electrică și pentru care se emite avizul tehnic de racordare [15].

Puterea maximă contractată reprezintă cea mai mare putere medie, cu înregistrare la interval de 60 de minute consecutive, prevăzută în contractul furnizare a energiei electrice, pe care consumatorul are dreptul să o absoarbă în perioada de consum, pentru un anumit loc de consum sau cale de alimentare.

Factorul de formă kf al graficului de sarcină se definește ca fiind raportul dintre puterea medie pătratică și puterea medie, pe același interval de timp T în care Ea,k-1 este energia activă înregistrată de contor la începutul intervalului k dintre cele M intervale de timp Δt în care se împarte durata de calcul T, Ea,k -, energia activă înregistrată de contor la sfârșitul intervalul k, ET- energia înregistrată de contorul de energie activă pe intervalul de timpT după [15].

(3.3)

Factorul de formă poate fi definit și pentru puterea aparentă a consumatorului.

Pentru un consumator cu un grafic de sarcină constant, factorul de formă are valoare unitară. Un consumator cu un grafic de sarcină, practic constant pe parcursul zilei, determină cele mai reduse solicitări pentru producătorii de energie electrică, precum și pentru operatorii de transport, distribuției și furnizare.

Factorul de utilizare al puterii instalate ku se definește ca raportul dintre puterea medie Pmed necesară receptorului și puterea instalată a acestuia conform [15]:

(3.4)

De exemplu, în cazul iluminării electrice, conectat direct la rețeaua electrică de alimentare, factorul de untilazare este unitar, dar în cazul majorității motoarelor electrice industriale, aceasta nu depășeste valorea de 0,75 . Factorul de utilizare trebuie să fie evaluat pentru fiecare receptor în parte sau pentru un grup de receptoare conform [15]:

(3.5)

în care kuk este factorul de utilizare pentru receptorul k din grupul celor N receptoare luate în considerație iar Pik – puterea instalată receptorului k.

Pe ansamblul unei întreprinderi, factorul de utilizare poate fi determinat ca raportul dintre durata de utilizare a puterii instalate și durata intervalului luat în considerare (zi, lună, an). Se definește durata de utilizare a puterii instalate ca fiind durata activă (în ore) în care consumul cu puterea instalată Pi determină aceeași energie anuală ca și consumul conform graficului anual de sarcină real.

În tabelul 3.1 sunt indicate valori orientative ale factorului de utilizare pentru diferite tipuri de întreprinderi.

Factorul de aplatizare ka este definită ca raportul dintre puterea medie absorbită Pmed și puterea maximă PM ale graficului de sarcină, întru un interval de timp luat în considerație după [15]:

(3.6)

Factorul de aplatizare are un rol important în care caracterizarea comportamentului energetic al consumatorului.

Tabelul 3.1 Valori orientative ale factorului de utilizare

Factorul de neuniformitate al graficului de sarcină este definit ca raportul dintre puterea Pm absorbită și sarcina maximă PM. conform [15]:

(3.7)

Factorul de neuniformitate este inversul factorului de vârf kʋ al graficului de sarcină.

Pe baza graficelor de sarcină zilnice, pentru fiecare consumator de energie electrică poate fi derterminat graficul de sarcină anual (3.7).

Fig. 3.7- Graficul de sarcină anual P=f(t) și durata de utilizare a puterii active maxime tm [15].

Se definește durata de utilizare a puterii active maxime tm ca fiind fictivă (în ore) în care consumul cu puterea maximă Pmax determină aceeași energie anuală ca și consumul conform graficului anual de sarcină real (aria suprafeței hașurate este egală cu aria Pmax ·tm ) după [15]:

(3.8)

Durta de utilizare a puterii active maxime tm este mărimea de bază pentru determinarea pierderilor active anuale pe curcuitele sitemului electroenergetic industrial.

Profile de sarcină

Odată cu deschiderea piețelor de energie electrică, a fost acordată o atenție deosebită monitorizării consumului marilor consumatori și transmiterea la furnizorul de energie electrică a datelor orare ale consumului. În acest fel, este posibil controlul graficului de consum al acestor consumatori și tarifarea în funție de comportamentul lor eneretic.

În cazul consumatorilor mici (de obicei cu un consum sub 100.000 kWh anual sau cu putere contractată sub 100 kVA ), monitorizarea și transmiterea datelor la furnizor, pentru a realiza tarifarea în funcție de forma graficului de sarcină, nu este rațională economic. Pentru acești consumatori, este necesară stabilirea unei proceduri practice pentru a lua în considerare modul în care utilizează energia electrică [15].

Definirea unor clase profile de consum, în care consumatorii cu consum redus pot fi incluși, reprezintă o soluție eficientă, simplă și ieftină pentru ca aceștia să poată participe la piața de eenergie electrică.

Utilizarea profilelor de sarcină necesită:

stabilirea formei graficelor de sarcină ale deferiților consumatori, pentru diferite tipuri de zile (zi de lucru, zi de sărbătoare) și diferite condiții meteorologice;

definirea unor clase de grafice de sarcină;

stabilirea unei proceduri de tarifare în funcție de profilul de sarcină.

În principiu, sunt utilizate două metode pentru a determina graficul de sarcină al consumatorilor:

metoda zonală;

metoda încadrării într-o categorie.

Metoda zonală este utilizată pentru zone mari sau medii, cu consumatori de aceeași categorie (de exemplu, blocuri de locuințe). Consumul de energie pentru această zonă este monitorizat și, după scăderea pierderilor de energie activă, este stabilit graficul de sarcină, iar forma acestuia este alocată tuturor consumatorilor din zonă. Metoda este simplă, poate fi implementată imediat și asigură tarifarea orară a consumatorilor. Prezintă dezavantajul că nu transmite semnale suficient de clare utilizatorilor de energie electrică pentru controlul fracturii proprii [15].

Cea de a doua metodă constă în încadrarea consumatorilor într-o anumită categorie, pe baza determinărilor efectuate pe intervale mari de timp (de obicei, mai mult de un an). Metoda asigură personalizarea graficului de sarcină, dar necesită costuri relativ ridicate pentru efectuarea de măsurători și corectarea graficului alocat la modificarea modului de consum.

Criterii de dimensionare a sistemului electroenergetic interior

Stabilirea puterii active necesară este prima etapă în abordarea și rezolvarea problemelor de alimentare cu energie electrică, dar necesită o analiză atentă a modului de funcționare a receptoarelor acestuia.

Dimensionarea instalației de alimentare pentru puterea instalată este neeconomică, deoarece pe parcursul unei zile nu funcționează toate receptoarele simultan și nu toate sunt încărcate la puterea nominal [15].

Puterea de calcul (cerută) este o valorea convențională care permite evaluarea condițiilor de încălzire a rețelelor electrice de alimentare. Se definește ca fiind o sarcină constantă care determină același effect termic cu sarcină reală, variabilă în timp. Deși se referă la puterea aparentă Sc în calculele practice, se utilizează puterea active de calcul Pc determinate ca puterea medie maximă care poate să apară pe graficul de sarcină în intervalul de cerere. Durata intervalului de cerere se stabilește în funcție de condițiile de încălzire ale conductoarelor. O valore de 0,5 . . . 2 ore, de circa 3 ori mai mare decât constanta de timp a procesului de încălzire a conductoarelor, permite stabilirea puterii de calcul din graficul de sarcină [15].

Fig. 3.8 – Exemple de profile de sarcină [15].

Stocarea energiei electrice.

Introducere

Stocarea energiei este captarea energiei produse la un moment dat pentru utilizare ulterior. Un dispozitiv care stochează energie este denumit uneori un acumulator sau o baterie. Energia vine în mai multe forme, inclusiv radiația, potențialul chimic, gravitațional, potențialul electric, electricitatea, temperatura ridicată, căldura latentă și cinetică. Stocarea energiei presupune transformarea energiei din formele care sunt greu de stocat în forme mai convenabile sau mai economice [16].

Unele tehnologii oferă stocare pe termen scurt a energiei, în timp ce altele pot dura mult mai mult. Un ceas cu arc stochează energia potențială (în acest caz mecanic, în tensiunea de arc), o baterie reîncărcabilă stochează energie chimică ușor convertibilă pentru a opera un telefon mobil, iar un baraj hidroelectric stochează energia într-un rezervor ca energie potențială gravitațională. Combustibilii fosili, cum ar fi cărbunele și benzina, stochează energie derivată din lumina soarelui de către organisme care au murit cu mult timp în urmă, au fost îngropate și, în timp, au fost transformate în acești combustibili. Alimentele (care se fac prin același proces ca și combustibilii fosili) reprezintă o formă de energie stocată sub formă chimică [16].

Toate instalațiile fotovoltaice independente, care nu sunt conectate la rețeaua natională de electricitate, au nevoie de echipamente speciale care să stocheze energia solară produsă în exces și care poate fi utilizată atunci când generatorul nu mai poate produce sau produce sub necesarul de consum. Bateriile sau acumulatorii pentru panouri fotovoltaice sunt echipamentele potrivite pentru înmagazinarea excesului de energie produs de modulele solare. Bateriile sau acumulatorii solari pentru sisteme fotovoltaice sunt de mai multe tipuri, în funcîie de materialul cu care sunt umplute existând baterii cu gel, care au electrolitul sub forma unei mase vascoase, și baterii plumb-acid, care au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apă [17].

Sistemele fotovoltaice, necesită dispozitive speciale pentru stocarea energiei pentru a fi utilizată atunci când generatorul nu produce sau produce sub nivelul consumului. Cele mai la îndemână dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de acumulatori, care au rolul de a înmagazina energia electrică produsă atunci când sursa de energie a generatorului (iradianța solară) este disponibilă și de a o reda pentru a fi utilizată pe timpul nopții. Bateriile de acumulatori pentru sisteme fotovoltaice sunt de construcție specială, fără întreținere și suportă un număr mare de cicluri de încărcare- descărcare.

În sistemele electrice autonome, stocarea energiei este asigurată, în general, de baterii de acumulatoare. Acestea sunt esențiale pentru buna funcționare a sistemelor autonome. Elementele de stocare reprezintă 13 – 15% din investiția inițială, pentru o durată de exploatare de 10-15 ani. Bateriile se utilizează în cazul în care există un decalaj între perioadele când este solicitată energie și perioadele însorite. Alegerea tipului de baterie se face în funcție de puterea medie zilnică și în funcție de timpul necesar de stocare [17].

Tipuri de acumulatori

Bateriile de acumulatoare de tipul plumb-acid

Există două tipuri de astfel de baterii cu plumb:

Baterii cu electrolit lichid

Baterii cu electrolit lichid (fig.4.1) continuă să reprezinte principala opțiune pentru stocarea energiei, având avantajul prețului și al disponibilității pe lângă faptul că pot eliberă o cantitate foarte mare de energie într-un interval foarte scurt de timp putând suporta curenți foarte mari. Bateriile plumb-acid utilizate în sistemele fotovoltaice sunt încapsulate și nu necesită completare cu apă și întreținere, supapa regulatoare (VLRA) realizând recombinarea oxigenului și a hidrogenului rezultați în urma reacțiilor chimice de la nivelul anodului și catodului [18].

Fig.4.1 Baterii cu electrolit lichid [19]

Temperatura optimă de funcționare a unei baterii de acumulatori acid-plumb este 5°C- 20°C și influențează direct durata de viată a bateriei. În cazul în care bateriile de acumulatori funcționează la temperaturi superioare acestui domeniu, durata de serviciu se reduce drastic, iar la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. În afara intervalului optim de temperatură este necesară de asemenea, compensarea tensiunii de încărcare cu temperatura. Curentul de încărcare al unei baterii de acumulatori trebuie să se încadreze în domeniul 10% până la 20% din capacitatea ei nominal [18].

Caracteristici:

Cel mai întâlnit tip de baterie reîncărcabilă;

În momentul descărcării se formează apă și sulfat de plumb, apa diluează acidul sulfuric (electrolitul) astfel încât masa specifică a electrolitului scade pe masură ce bateria se descarcă;

La încărcare apar reacții inverse;

Există diferite tipuri de baterii:

Acumulatori cu ciclu superficial-utilizate la automobile;

Acumulatori cu ciclu profund.

Aceste baterii sunt constituite dintr-un recipient în care se alternează plăci pozitive și negative, separate de distanțiere izolante. Recipientul este închis cu un dop, pentru a evita corodarea internă și scurgerea electrolitului.

Avantaj: Construcție simplă, deci ieftine.

Dezavantaj: Bateriile trebuiesc păstrate și utilizate în poziție orizontală, altfel electrolitul se scurge prin orificiul de egalizare a presiunii din dop, plăcile nemaifiind scufundate în electrolit.

Baterii cu electrolit stabilizat (fig.4.2)

În electrolitul lichid se adaugă substanțe pe bază de dioxid de siliciu (SiO2), generând astfel o masă groasă. Cu această masă este umplut spațiul dintre electrozii din interiorul bateriei. În cursul reacțiilor chimice în substanța electrolitică se formează numeroase bule de gaz, iar reunirea gazelor are loc cu o eficientă mult mai mare. Față de bateriile AGM cele cu GEL se restabilesc mai bine dupa o descărcăre profundă, chiar și atunci când procesul de încărcare nu începe imediat după descărcare. Ele sunt capabile să suporte mai mult de 1000 de cicluri de descărcare profundă, fără o pierdere semnificativă a capacitații. Deoarece electrolitul este într-o stare densă, este mai puțin predispus la separarea în apă și părți componente de acid, bateriile cu gel tolerează astfel mai bine parametrii necorespunzători ai curentului de încărcare. Singurul minus al bateriilor cu gel (GEL – Gel Electrolite) este prețul, care este mai mare decat la bateriile AGM de aceeași capacitate. Aceste baterii se mai numesc cu recombinare a gazului. În cazul acestora, electrolitul nu mai este lichid, ci sub forma de gel [18].

Avantaje:

Nu necesită întreținere;

Nu există riscul de scurgeri accidentale de acid lichid;

Potrivite pentru instalare în imediata apropiere a oamenilor și echipamentelor electronice. În plus, forma de gel face aceste baterii potrivite în special pentru aplicații care necesiă o mulțime de cicluri "profunde" de descărcare. În condiții "grele" de lucru în ceea ce privește numărul de cicluri de încărcare-descărcare și adâncime de descărcare, dacă sunt supuse la încărcare corespunzătoare durata de viață utilă a unei baterii gel este de aproximativ de 3 ori mai mare decât la o baterie de acid comun.

Nu au nevoie de întreținere.

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

Fig.4.2 Baterii cu electrolit stabilizat [20]

Nichel Cadmium

Bateria nichel-cadmiu (NiCd) (fig.4.3) folosește hidroxid de oxid e nichel și cadmiu metalic ca electrozi. Cadmiul este un element toxic și a fost interzis pentru majoritatea utilizărilor de către Uniunea Europeană în 2004. Bateriile cu nichel-cadmiu au fost înlocuite aproape complet cu baterii cu nichel-hidrură metalică (NiMH) [18].

Caracteristici:

Electrodul pozitiv este făcut din Cd iar electrodul negativ este făcut din Ni;

Cei doi electrozi sunt separați de Nylon;

Sunt mai tolerante la temperature;

Poluare;

Efectul de memorie înlocuite cu NiMh;

Fig.4.3 Baterita nichel-cadmiu [21]

Nichel Metal

Baterie hibridă nichel-metal (NiMH) fig.4.4)(: Primele tipuri comerciale au fost disponibile în 1989. Acestea sunt acum un tip comun de consum și de tip industrial. Bateria are un aliaj de absorbție a hidrogenului pentru electrodul negativ în locul cadmiului [18].

Caracteristici:

Asemănătoare cu cele tip NiCd;

Anodul este construit din Mh;

Are un efect de memorie neglijabil;

Sunt mai puțin capabile să producă un maxim de putere;

Sunt scumpe;

Ținta este utilizarea la mașini.

Fig.4.4 Baterie hibridă nichel-metal [22]

Litiu-Ion

Baterie litiu-ion: Folosite în multe aparate electronice de consum și care au una dintre cele mai bune raporturi energie-masă și o auto-descărcare foarte lentă atunci când nu sunt utilizate.

Acumulatorii litiu-ion(fig.4.5) sunt acumulatori de generație recentă și sunt frecvent utilizați de dispozitive electronice de tipul telefoanelor mobile, laptopurilor etc. Datorită masei atomice scăzute a elementului litiu au o densitate energetică ridicată. Pot fi utilizați la propulsarea diferitelor vehicule electrice sau asistate ca de exemplu scutere sau biciclete electrice [18].

Avantaje: – Densitate mai mare de acumulare a energiei comparativ cu acumulatorul NiCd și acumulatorul NiMH.

Fig.4.5 Acumulatori litiu-ion [23]

Dezavantaje:

Preț de fabricare ridicat;

Sunt sensibile la frig.

Caracteristici:

Este o tehnologie mai recentă;

Oferă pînă la de 3 ori mai multă energie ca Pb-acid;

Litiu-ion au tensiunea pe celulă 3.5V față de 2.0V pentru Pb-acid și 1.2V pentru alte baterii electrochimice;

Sunt vulnerabile la supraîncărcări.

Încărcarea acumulatorilor în sistemele fotovoltaice

Se folește un regulator de încărcare. Etapele de încărcare:

Încărcare principal;

Încărcare finală;

Încărcare de echilibru;

Încărcare de întreținere.

Dimensionarea capacității acumulatorilor în sistemele fotovoltaice independente

Dimensionarea corectă a capacității pentru o baterie de acumulatori se face în funcție de puterea nominală a consumatorilor și de diagrama de consum pe intervale orare. Durata de viață a unei baterii de acumulatori este dependentă de adancimea de descărcare și de temperatura de lucru. În funcție de capacitatea și tipul bateriei de acumulatori se aleg controlerele de încărcare și/sau invertoarele de baterii. Trebuie reținut că utilizarea unui controler de încărcare sau invertor de baterii impropriu poate duce la reducerea capacității bateriei de acumulatori și a duratei de viață a acesteia sau chiar la distrugerea ei.

Capacitatea bateriei de acumulatori se dimensionează în funcție de necesarul zilnic de consum și de distribuția acestuia pe intervale de timp. Se știe că în aplicațiile fotovoltaice independente acumulatorii lucreaă în regim ciclic zi-noapte, iar durata lor de viață depinde de numărul de cicluri de încărcare-descărcare, adâncimea de descărcare și condițiile de exploatare. Acești parametrii sunt prevăzuți în fișa tehniă a oricărei baterii de acumulatori și pe baza lor se poate determina cu ușurință durata de viață estimată. Pentru exploatarea eficientă a bateriei de acumulatori se recomandă dimensionarea capacități acesteia la o valoare de 3-5 ori mai mare decât necesarul zilnic de consum [18].

Calculul regimului de funcționare al rețelei de alimentare

Calculul regimului permanent al unui rețele electrice urmărește determinarea completă a mărimilor electrice de stare associate nodurilor și laturilor.

Starea electrică a unui nod este caracterizată de patru mărimi de stare reale: puterea active P, puterea reactive Q, modulul tensiunii U și argumentul tensiunii (calculate față de o axă de referință aleasă arbitrat). Cele patru mărimi de stare reale pot fi grupate în două mărimi complexe =P+jQ și =. Pe baza ecuațiilor de bilanț ale puterilor nodale, două dintre mărimile de stare ale fiecărui nod pot fi impuse și considerate independente, celelalte două rezultând din calcule. Putere nodală reprezintă suma algebrică dintre puterea generate în nod, considerată cu semnul plus și puterea consumată în nod, considerate cu semnul minus conform [3]:

(5.1.)

în care: , reprezintă puterile active, respective reactive generate, iar sunt puterile active, respective reactive consummate.

În funcție de mărimile impuse, nodurile unei rețele electrice se înpart în următoarele tipuri:

Noduri consumatoare (tip PQ) la care mărimile impuse sunt puterile activă și reactivă;

Nodurile generatoare (tip PU), la care mărimile impuse sunt puterile activă și modulul tensiunii;

Nodul de echilibru (nod tip U), sau nodul de bilanț al puterilor activă și reactivă, la care mărimile impuse sunt tensiunea în modul și argument.

Mărimile de stare associate laturilor sunt: curentul complex , (sau puterea complex și căderea de tensiune la borne Cunoscând una dintre cele două mărimi, cealaltă se determină pe baza legii lui Ohm:, unde este impedanța longitudinală a laturii [3].

Calculul regimului permanent prin metoda ascendant – descendent

Sistemele de generare distribuiță a energiei electrice sunt caracterizate de capacități de producție relative reduse în raport cu centralele clasice. În funcție de puterea instalată, sursele distribuite se racordează, în general, la rețelele electrice de distribuție de joasă, medie sau înaltă tensiune. Aceste rețele, în special cele urbane, pot avea structură complex buclată, dar din considerențe tehnice, în regim normal, se exploatează în configurații radiale [3].

În cazul în care asupra unei rețele electrice de distribuție cu structură buclată se impune restricție de funcționare radial, debuclarea rețelei se realizează într-un număr bine determinat de puncte, obținându-se una sau mai multe subrețele radiale distincte. Fiecare subrețea este formată dintr-un nod sursă și unul sau mai multe noduri consumatoare (fig.5.1).

Fig.5.1 Noțiuni utilizate pentru rețelele electrice de distribuție cu exploatare radial [3]

Rețelele electrice radiale prezință unele particularități, care permit utilizarea unor metode specific de analiză a funcționării lor, printre care și cele destinate calculului regimului permanent. Particularitatea principal este legată de circulația de curenți (puteri) prin laturi. În ipoteza că într-o rețea electrică radial nu există generatoarele electrice locale (generare distribuită), alimentarea se face printr-un singur punct de injecție a puterii, numit nod sursă (nodul de echilibru). În aceste condiții, circulația de curenți prin laturile rețelei are un caracter bine determinat, sensul curenților fiind unilateral , pentru orice regim normal de funcționare. În consecință, într-o rețea electrică radial, orice nod k, ce excepția nodului sursă, primește energie electrică de la un singur nod, numit nod precedent, print-o singură latură numită latură precedentă și poate transmite energie electrică unuia sau mai multor noduri succesoare, nodul k numindu-se nod de derivație, sau nici unui nod, nodul k numindu-se nod terminal (fig.5.1) [3].

În vederea calcului regimului permanent, se impune modelarea elementelor rețelelor electrice. În acest sens, se utilizează următoarele:

Sistemul trifazat al tensiunilor este simetric și de succesiune pozitivă;

Curenții formează un sistem trifazat echilibrat;

Parametrii rețelei electrice sunt omogeni, constanți în timp și independenți de tensiunile de la borne sau de curenți;

Funcționarea se face în regim permanent de lungă durată.

În aceste ipoteze, pentru calculul regimului permanent se folosește schema monofilară de succesiune pozitivă. Liniile electrice pot fi reprezentate prin modelul complet sub forma schemei echivalente în ,,’’ cu parametrii concentrați. Ținând seama de caracterul unilateral al circulației de puteri, transformatoarele electricese reprezintă prin schema echivalentă în ,,I’’ cu operator de transformare.

În ipoteza absenței surselor distribuite, dintre celetrei tipuri de noduri existente în general în rețelele electrice, pentru calculul regimului permanent al rețelelor electrice radiale se consideră doar două:

Nodurile consumatoare, modelate printr-o putere aparentă complexă, obținută prin combinarea a trei componente conform [3]:

+j, (5.2)

în care și sunt componentele unei puteri aparente constante, și sunt componentele unui curent complex constant, și sunt componentele unei admitanțe constate, iar este tensiunea nodului;

Nodul de echilibru, care reprezintă punctul de injecție a puterii în rețeaua radială (nodul sursă), la care mărimile impuse sunt tensiunea în modul și argument.

În cazul unei rețele electrice radiale, având n noduri și l laturi , numărul buclelor închise este egal cu zero, toate laturile fiind de tip arbore. În aceste condiții, din teoria circuitelor electrice, rezultă l – n+1=0, adică l = n – 1 . Mărimile de stare necunoscute ale acestei rețele sunt: tensiunile celor n – 1 noduri consumatoare și curenții prin cele l = n – 1 laturi. În total există necunoscte complexe, pentru determinarea cărora este necesară scrierea unui număr egal de ecuații. Prin aplicarea teoremei lui Kirchhoff în cele noduri consumatoare, considerate ca fiind nodurile independente, se obțin curenții prin laturi. Teorema a doua a lui Kirchhoff nu se poate aplica deoare ce. În schimb, prin aplicarea legii lui Ohm pe cele laturi arbore, se obțin căderile de tensiune la bornele acestora. Considerând drept referință tensiunea nodului sursă, pe baza căderilor de tensiune la bornele laturilor, se pot calcula tensiunile nodurilor consumatoare [3].

Pe baza observațiilor anterioare, calculul regimului permanent în rețelele electrice radiale se poate efectua printr-o metodă specifică, numită în literatura de specialitate metoda ascendent-descendent. În principiu, metoda ascendent-descendent se compune din două etape:

Etapa ascendant, în care plecând de la nodurile terminale și ajungând la nodul sursă S, prin aplicarea teoremei ăntâi a lui Kirchhoff se calculează curentul la fiecare nod consumator și curentul prin latura precedent a acestui nod (fig.5.2a);

Etapa descendent, în care pornind invers, de la nodul sursă S (a cărui tensiune constantă se consider drept referință) și ajungând la nodurile terminale, prin aplicarea legii lui Ohm, se calculează căderea de tensiune la bornele fiecărei laturi și tensiunea fiecărui nod consumator (fig.5.2b).

Fig.5.2 Etapele de calcul a regimului permanent prin metoda ascendant-descendent [3]:

a – calculul curenților prin laturi; b – calculul tensiunilor la noduri.

Pentru întelegerea utilizării metodei ascendant-descendent sunt necesare următoarele precizări:

În cazul în care o rețea electrică este compusă din mai multe subrețele arboreșcente (cum este cea din fig.5.1) metoda ascendant-descendent se aplică în mod independent pentru fiecare subrețea, considerând drept referință nodul său sursă [3].

Rezultatele de regim permanent prin metoda ascendetn-descendent pentru modelul linear al rețelei ( consumatorii reprezentați prin curenți de sarcină constanți, iar liniile și transformatoarele electrice modelate doar prin impedanțele longitudinale) se obțin prin parcurgerea o singură dată a celor două etape. În cazul modelului neliniar al rețelei ( consumatorii reprezentanți printr-o relație de forma (5.2), iar liniile electrice și transformatoarele electrice modelate prin schema impedanțele longitudinale și admitanțele transversal), rezultatele de regim permanent se obțin în urma unui calcul iterativ. La începutul procesului iterative, se inițializează tensiunea nodurilor consumatoare cu tensiunea nodului sursă. Testul de convergență constă în compararea modulului puterii aparente la nodul sursă între două iterații successive [3].

Studiu de caz

Proiect casă

Pe baza studiul de caz am dimensionat întreg sistemul fotovoltaic plus alegerea generatorului de avarie din cadrul proiectului OFF – GRID, la care am adăugat simulări cu ajutorul programului PV Syst.

Proiectul casei (fig.6.1) are la bază o locuință izolată, fără alimentare de la rețeaua electrică locală, cu o suprafață locuibilă de 120 m2, amplasată într-o zonă rurală din județul Argeș, comuna Tigveni, sat Bălteni(fig.6.2).

Fig.6.1 Proiect casă

Fig.6.2 Poziționare geografică

Locuința este dotată cu aparatură electrică care asigură un trai decent, atât pe termen scurt (4 – 7 zile) cât și pe termen lung (ani), fiind proiectată în special ca și casă de vacanță. Aparatele electrice: Laptop Dell, TV Samsung Led, Mașină de spălat Whirlpool, cuptor cu microunde Beko, frigider Arctic A+, uscător păr Remington, aer condiționat Beko A++, pompă centrală pentru recircularea agentului termic, hidrofor pentru alimentarea cu apă, sunt amplasate în dormitor, baie, bucătarie, living dressing și garaj fiecare după propria întrebuințare.

Baza casei cât și pereții exteriori prezintă o izolație termică ce ajută foarte mult la încălzirea casei pe timp de iarnă (încălzirea se face cu ajutorul centralei pe lemne), dar și pe timp de vară asigurând o temperatură ambientală stabilizată de aerul condiționat.

Evaluarea consumului.

Evaluarea consumul s-a realizat pentru o zi de vară (tabel 6.1), respectiv o zi de iarnă (tabel 6.2), cu temperaturi specifice și factori climatici perturbatori (ploaie, nor, furtună, zapadă,etc.).

Tabel 6.1 consumatori zi de vară

Tabel 6.2. Consumatori zi de iarnă

Pentru dimensionarea și simularea întregului sistem am ținut cont de doi factori esențiali:

Iradiația medie globală lunară din zona județului Argeș (tabel 6.3);

Zilele de absență a energiei furnizată de panouri .

Soarele emite în mod continuu cantități uriașe de energie. O parte din această radiație ajunge pe Pământ. Cantitatea de energie ce ajunge pe Pământ într-o zi este mai mare decât întregul consum al Pământului pe durata unui an întreg. Totuși, nu toată energie Soarelui ajunge pe solul Pământului. O parte este absorbită de atmosferă sau reflectată înapoi în spațiu.

Intensitatea luminii ce ajunge pe Pământ variază în funcție de perioada zilei, locația și condițiile meteorologice. Iradiația solară ce ajunge pe Pământ se măsoară în Wh/m2/zi sau KWh/m2/an. Pentru a simplifica calculele și a avea o bază comună de calcul, s-a decis ca standard o putere de 1000Wh/m2 timp de o oră pentru o zi însorită. Această putere se regăsește într-o zi de vară pe o suprafată de un metru pătrat unde Soarele este perpendicular pe aceasta(fig.6.3)

Fig.6.3 Iradiația solară în România

Tabel 6.3 valorile medii ale iradiației solare din județul Argeș

Dimensionare sistem

Pentru dimensionara sistemului fotovoltaic am ales o medie a celor mai nefavorabile luni ale anului (decembrie, ianuarie, februarie), de producere a iradiației solare (tabel 6.4).

Tabel 6.4

(6.1)

– medie iradiație lunară

– medie iradiație luna decembrie

– medie iradiație luna ianuarie

– medie irațiație luna februarie

Dimensionare baterie de acumulatori

Pentru dimensionarea bateriei de acumulatori se consideră următoarele caracteristici:

Tensiune sistemul, U=48 V, curent continuu;

Randamentul invertorului, ;

Autonomia sistemului fotovoltaic, a= 3 zile (perioadă în care acumulatorii trebuie să asigure energie electrică pentru cele 3 zile, fără folosirea panourilor fotovoltaice);

Bateria de acumulatori este depozitată într-o încăpere cu temperatura medie de 15 grade Celsius);

Adâncimea de descărcare a bateriei, .

Plecând de la consumul mediu zilnic de energie electrică (tabelul 6.2) și de la caracteristicile bateriei de acumulatori se calculează:

Energia zilnică furnizată bateriei:

(6.2)

Capacitatea acumulatorilor, în Wh:

(6.3)

Capacitat acumulatorilor în Ah:

(6.4)

În urma calculelor efectuate se alege bateria MPG12V200 NARADA [Anexa 1] :

Tensiunea nominală 12 V

Capacitatea de stocare 200 Ah

Număr de baterii paralel:

(6.5)

Pentru tensiunea sistemului de 48 V, bateriile vor fii montate câte 4 în serie:

(6.6)

Din (6.5) și (6.6) ⇒ 16 baterii în total

6.3.2. Dimensionare panouri fotovoltaice

În vederea alegerii panourilor fotovoltaice ne vom folosi de tabelul 6.4. de unde calculăm puterea pe care trebuie să o furnizeze panourile, ținând cont și de faptul că sistemul OFF- GRID prezintă un randament scăzut, cuprins între .

(6.7)

(6.8)

Se aleg panouri fotovoltaice Canadian Solar din siliciu monocristalin [Anexa 2] :

Puterea nominălă de 300 W

Tensiune de 24 V

Număr panouri:

(6.9)

Număr panouri serie:

(6.10)

Număr panouri paralel:

(6.11)

Dimensionare regulator de încărcare

Regulatorul de încărcare solar este piesa intermediară între panourile solare și acumulatorii din cadrul unui sistem solar. Încărcarea acumulatorului cu energia provenită de la un panou solar se realizează cu ajutorul regulatorului de încărcare, acesta având mai multe roluri:

Protecție scurtcircuit;

Protecție polaritate inversă;

Oprește încărcarea când acumulatorul este încărcat 100;

Prelungește durata de viață pentru acumulatori;

Funcție iluminat;

Funcția întrerupător, mod simplu de funcționare On – Off;

Nu lasă curentul să circule în sens invers pe timpul nopții, din baterie către panouri;

Indicator cu leduri pentru starea de încărcare a bateriei.

Acesta stabilește care este curentul optim de încărcare și oprește încărcarea în momentul în care acumulatorii sunt 100% încărcati.

Pentru dimensionarea regulatorului de încărcare prima dată se calculează valoarea maximă a curentului de la ieșirea panoului:

, (6.12)

unde este curentul de scurtcircuit al panoului fotovoltaic ales.

Se alege controler de încărcare STECA TAROM 4110 48V 110 A [Anexa 3].

Dimensionare invertor

Pentru alegerea invertorului se ține cont de puterea maximă instantanee, ce apare la conectarea simultană a consumatorilor:

(6.13)

Se alege invertor Quattro Inverter [Anexa 4].

Generator de avarie

Generatorul LDG6500S [Anexa 5] este conceput și realizat asfel încât să acopere aplicațiile cu necesar redus de putere electrică generată în condițiile unei fiabilități ridicate și cu performanțe optime. Generatorul este conceput să funcționeze ca sursă în caz de avarie și când sistemul fotovoltaic nu este la capacitatea optimă de funcționare.

Generatorul este format dintr-un tablou de pornire și comutare automată, motor diesel răcit cu aer, tobă de eșapament internă de uz rezidențial, acumulator cu electrolit, indicator analogic al tensiunii generate, indicator luminos al nivelului scăzut de ulei de ungere, prize CEE (2P+T) 32A-2 bucăți.

CARACTERISTICI TEHNICE (tabel 6.5)

tabel 6.5

Rezultatele simulării sistemului

Producția și consumul energie electrice (tabel 6.6)

Fig.6.4Energia solară disponibilă și furnizată utilizatorului

În figura 6.4 se poate observa consumul și producția de energie electrică a întregului sistem pe durata unui an. Energia furnizată utilizatorului este aproximativ egală în fiecare lună. Datorită dimensionării sistemului pentru perioada lunilor de iarnă în lunile însorite de vară energia solară disponibilă este mult mai mare.

Fig.6.5 Iradiația globală orizontală

În figura 6.5 se ilustrează iradiația globală orizontală reprezentată ca o creștere semnificativă în lunile de vară, datorită soarelui care emite în mod continuu cantități uriașe de energie. Intensitatea luminii ce ajunge pe Pământ variază în funcție de perioada lunii în care ne aflăm și în special de condițiile meteorologice.

Fig.6.6 Graficul energiei nefolosite

Din ,,Graficul energiei nefolosite’’ (fig 6.6) se poate observa în lunile de vară,un surplus de energie nefolosită, energie, repartizată către iluminare exterioară a locuinței. În această perioadă, energia solară este cea mai ridicată, panourile fotovoltaice având un randament apropiat de valoarea maximă

Bateria de acumulatori

Energia de încărcare și descărcare a bateriei (tabel6.7).

Fig.6.7 Energia de încărcare / descărcare a bateriei

În figura 6.7 se remarcă faptul că, energiile lunare de încărcare respectiv descărcare ale bateriilor de acumulatori sunt aproximativ egale. Pentru a menține bateriile solare în stare bună de funcționare și a le prelungi durata de viață, serecomandă limitarea profunzimii descărcării la aproximativ 20%.

Panouri fotovoltaice

Fig.6.8 Curentul modulelor/panourilor fotovoltaice în raport cu temperatura

Temperatura ridicată din luna august determină o valoarea maximă a curentului prezent în aceeași lună a anului.

6.9 Tensiunea medie a panourilor de încărcare a bateriei

Fig.6.10 Rata de performanță

Reprezintă raportul dintre energia disponibilă și energia incidentă de referință in planul colector (iradianța). Eficiența panoului solar, sau rata de performață, se referă la cât de mult din energia solară care cade pe panou este transformată în energie electrică. Evaluarea privind eficiența panourilor solare este unul din factorii luați în considerare atunci când s-a proiectat sistemul.

Concluzii:

Sistemul fotovoltaic independent, reprezintă un sistem accesibil locuințelor care nu pot fi racordate la rețeaua electrică locală. Sistemul a fost dimensionat pentru cele mai nefavorabile luni ale anului ( Decembrie, Ianuarie, Februarie ), în care radiația solară este minimă. În urma dimensionării sistemului, energia electrică produsă de panourile din siliciu monocristalin, acoperă necesarul zilnic de consum. Pe parcursul lunilor de vară în care radiația solară atinge pragul maxim, apare un surplus de energie pe care îl folosesc în iluminarea exterioară a locuinței și prin mărirea orelor de funcționare ale aparatelor electrice.

Protecția acumulatorilor este realizată de controller-ul de încărcare care stabilește curentul optim de încărcare și oprește încărcarea în momentul în care acumulatorii sunt 100% încărcati, iar pe timpul nopții nu lasă curentul să circule în sens invers, din baterie către panourile solare.

Generatorul folosit este conceput să funcționeze ca sursă de alimentare în caz de avarie și când sistemul fotovoltaic nu este la capacitatea optimă de funcționare.Generatorul este format dintr-un tablou de pornire și comutare automată. În cazul apariției unei avarii sistemul folosește alimentarea de la generatorul diesel. Trecerea are loc în aproximativ 20 de secunde de la apariția semnalizarii sonore.

Sistemul prezintă un grad ridicat de fiabilitate, fiind ușor de implementat în cazul locuințelor ce nu pot fi racordate la sistemul energetic local.

Bibliografie

[1] Definiția energei solare

URL: https://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_solar%C4%83_fotovoltaic%C4%83

[2] Instalarea sistemelor fotovoltaice

URL:http://pvtrin.eu/assets/media/PDF/Publications/Informational%20Material/Installing%20PV-Practical%20guide/68.pdf

[3] SURSE REGENERABILE DE ENERGIE – Adrian BADEA și Horia NECULA

[4] URL:https://upb.ro/facultati/facultatea-de-inginerie-electrica/

[5]URL:https://www.alaska-energies.ro/sisteme-fotovoltaice-rezidential/sistem-fotovoltaic-off-grid/

[6]URL: https://sinpurenergy.ro/produs/sisteme-off-grid-fotovoltaice-solo-12v-3-panouri/

[7]URL:http://electromed.ro/wp-content/uploads/2015/03/3-Sistem-fotovoltaic-independent.pdf

[8]URL:https://www.google.com/search?sa=G&hl=ro&q=sistem+fotovoltaic+on+grid&tbm=isch&source=iu&ictx=1&tbs=simg:CAESnQIJ8LY-_1ZITgOAakQILELCMpwgaYgpg

[9] URL https://www.del.ro/solutii/solar/sisteme-fotovoltaice-on-grid

[10] URL https://toppanourisolare.ro/panouri-solare/tipuri-de-panouri-solare.html

[11] URL https://netdeal.ro/regulator-controller-incarcare-pwm-solar-60A

[12]URL http://www.esolar.ro/sfaturi-utile/ce-tip-de-regulator-de-incarcare-a-bateriilor-alegem-pwm-sau-mppt.html

[13]URLhttps://www.esolar.ro/tehnologie-solara-fotovoltaica/invertoare-pentru-panouri-fotovoltaice/invertoare-solare-off-grid-independente.html

[14] URL http://www.lukamet.ro/acasa/generatoare-fotovoltaice-off-grid-monofazate-cu-diesel-generator-auxiliar/

[15] CONSUMATORI DE ENERGIE ELECTRICĂ MATERIALE. MĂSURĂTORI. APARATE. INSTALAȚII – ACADEMIE DE ȘTIINȚE TEHNICE DIN ROMÂNIA și ASOCIAȚIA GENERALĂ A INGINERILOR DIN ROMÂNIA

[16] URL https://www.setthings.com/ro/stocarea-energiei-electrice/

[17] URL https://www.esolar.ro/tehnologie-solara-fotovoltaica/baterii-acumulatori-panouri-fotovoltaice.html

[18] URL http://electromed.ro/wp-content/uploads/2015/03/7-Acumulatori-solari.pdf

[19]URLhttps://www.google.com/search?q=Baterii+cu+electrolit+lichid&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjpoauZivXiAhXDbVAKHbQiCgEQ_AUIECgB&biw=1366&bih=608#imgrc=BRD0aW3ulEAJ1M:

[20]URLhttps://www.google.com/search?q=Baterii+cu+electrolit+stabilizat&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiRv_bGivXiAhWIGuwKHUCWCd0Q_AUIECgB&biw=1366&bih=608#imgrc=e86sogSGm_pJEM:

[21]URLhttps://www.google.com/search?q=Bateria+nichel-cadmiu&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjh5-qIi_XiAhUrsKQKHQMODe8Q_AUIECgB&biw=1366&bih=608#imgrc=tyhEb2KuHryOVM:

[22] URL https://www.google.com/search?q=Baterie+hibrid%C4%83+nichel-metal&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwj8zdiji_XiAhVQhqQKHRkvDw0Q_AUIECgB&biw=1366&bih=608#imgrc=MsrGF6rLhU_aWM:

[23] URL https://www.google.com/search?q=Acumulatori+litiu-ion&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjs5IDOi_XiAhVCZFAKHSNrCw0Q_AUIECgB&biw=1366&bih=608#imgrc=ReasquNmoDqrEM:

9.Anexe

[Anexa 1] – Fișa de catalog

URL: http://en.naradapower.com/upload/at/file/20190228/15513184441840897098.pdf

[Anexa 2] – Fișa de catalog

URL:https://www.alaska-energies.ro/wp-content/uploads/2019/03/Panou-solar-fotovoltaic-CanadianSolar-SUPERPOWER-CS6K-310W-Alaska-Energies-Romania-Distribuitor-Panouri-fotovoltaice.pdf

[Anexa 3] – Fișa de catalog

URL: https://www.e-solare.com/documents/attributes/Steca_Power_Tarom_20515ae5dec9fe4.pdf

[Anexa 4] – Fișa de catalog

URL: https://www.altestore.com/static/datafiles/Others/Quattro-Datashee-3-10kVA-120V-EN.pdf?fbclid=IwAR1xTt7Tng6aWbkJ7gK0nLctcFqzjHAHX6-FCuzvwOGxEbT_MIQqnlZ-158

[Anexa 5] – Fișa de catalog

URL: https://www.emag.ro/generator-green-field-ldg6500s-ldg6500s-a/pd/DTR412BBM/