Profil: Inginerie Electrică [306994]

[anonimizat]: Inginerie Electrică

Specializare: Electromecanică

Proiectarea unei arii fotovoltaice pentru alimentarea unui sistem de pompare a apei

2013

Cuprins

Introducere

Tema proiectului de diplomă se numește “Proiectarea unei arii fotovoltaice pentru alimentarea unui sistem de pompare a apei”, mai exact se va proiecta un sistem de irigații prin picurare ce va fi alimentat de la panourile fotovoltaice. Această lucrare are ca scop principal proiectarea unui astfel de sistem pe un teren de 750 metri pătrați (acest teren va fi o grădină cu legume), respectiv o parte practică în care se va prezenta principiul de funcționare al unui astfel de sistem. Lucrarea de față cuprinde 7 capitole, în care vor fi exemplificate noțiuni teoretice necesare pentru a se putea înțelege procedurile de proiectare aplicate.

În primul capitol este vorba despre o analiză completă a activității solare în zona comunei Bradu din județul Argeș. [anonimizat]. [anonimizat], poziția Soarelui în funcție de anotimp și multe altele.

În capitolul al 2-lea se vor preciza noțiunile teoretice și anume efectul fotovoltaic. În acest capitol se va putea înțelege în detaliu ce înseamnă această noțiune și la ce folosește ea.

[anonimizat] 3, [anonimizat], de câte tipuri sunt ele și la ce folosesc.

Din capitolul 4, [anonimizat]. Aceste noțiuni teoretice se dezbat la modul general pentru a se putea înțelege ce este o pompă și cum funcționează ea.

În capitolul 5 se va face o analiză a [anonimizat] a unui sistem de irigare prin picurare. În acest capitol se dezbat noțiuni teoretice despre: [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] a pompei de apă.

În capitolul 6, se va avea în vedere analiza unui sistem fotovoltaic autonom. Mai exact în acest capitol se vor dezbate urmatoarele: [anonimizat], [anonimizat], convertoare statice și invertoare de tensiune. Toate acestea se vor putea găsi in detaliu în acest capitol.

[anonimizat] 7, cuprinde proiectarea unui sistem de irigații cu sursă de energie electrică autonomă fotovoltaică. Mai exact acest capitol se va face referire la proiectarea pentru un teren de 750 de metri pătrați. Astfel, mai întâi se vor stabili urmatoarele: [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat], timpul de funcționare a pompei, [anonimizat], [anonimizat] (controller solar), [anonimizat], stabilirea înclinației optime pentru panoul fotovoltaic, concluzii, iar în ultima parte a acestui capitol se va analiza partea practică (sistemul de laborator), în care se vor face și câteva măsuratori pentru a se observa funcționarea acestuia, respectiv concluziile finale.

Capitolul 1 – Analiza activității solare în zona comunei Bradu

1.1 Momentele de răsărit și de apus ale Soarelui

Pentru o analiză completă a activității solare în comuna Bradu, pentru început va trebui să cunoaștem coordonatele exacte unde va fi amplasat panoul fotovoltaic.

Coordonatele geografice sunt:

Latitudine: 44˚ 45’ 57’’ Nord (44 grade, 45 minute și 57 secunde – Nord)

Longitudine: 24˚ 53’ 59’’ Est (24 grade, 53 minute și 59 secunde – Est)

Figura 1.1 – Hartă locație coordonate geografice

[https://maps.google.com]

Acum că am aflat coordonatele exacte unde va fi amplasat panoul fotovoltaic, vom putea calcula momentele de răsarit și apus ale soarelui.

După o analiză completă a anului 2012, având în vedere momentele de răsărit și apus ale soarelui, am obținut următoarele rezultate (aceste rezultate au fost calculate cu ajutorul site-ului official al Observatorul Astronomic Amiral Vasile Urseanu http://www.astro-urseanu.ro/rasarit_luna_blank.html):

Observație 1.1: În tabelul de mai jos (Tabel 1.1) unde este reprezentat momentele de răsărit și apus ale Soarelui în comuna Bradu, am luat în considerare doar ziua de 1 a fiecarei luni al anului 2012!

Tabelul 1.1 – Momentele de răsărit și de apus ale Soarelui în comuna Bradu

Observație 1.2: Având în vedere că sistemul de irigații va fi folosit pentru o grădină cu legume, mă voi restrânge la o perioadă de 8 luni și anume lunile: Mai, Iunie, Iulie, August și Septembrie.

Observație 1.3: Înainte de a concluziona un unghi optim de înclinare a panoului fotovltaic, voi prezenta câteva informații despre radiațiile solare pe care Soarele le emite.

1.2 Radiațiile solare

Soarele emite cantități imense de energie. La ora actuală, pe durata unui an întreg, se poate observa diferența dintre cantitatea de energie și mărimea acesteia ce ajunge pe Pământ într-o zi, ea fiind mai mare în comparație cu întregul consum al globului pămantesc. Cu toate acestea se poate afirma faptul că nu toata energia emisa de Soare ajunge pe solul Pământului, prin urmare o parte este absorbită de atmosferă, respectiv reflectată înapoi în spațiu.

Astfel intensitatea luminii ce ajunge pe Pământ variază în funcție de următoarele repere:

perioada zilei

locație

condițiile meteorologice

Radiația solară ce ajunge pe Pământ, se măsoară în Wh/ pe an. Pentru a simplifica multitudinea de calcule și a obține o bază comună de calcul, s-a decis ca standard o putere de 100 Wh/ timp de o oră pe o zi însorită. Puterea amintită în enunțul anterior se regăsește într-o zi de vară pe o suprafață de 1 , unde este evident perpendicular pe aceasta. În ceea ce privește radiația luminoasă, aceasta parcurge o linie dreaptă de la Soare spre Pământ.

În legatură cu divizarea luminii se pot afirma următoarele: la intrarea în atmosfera Pământului, o parte din lumină se distribuie, o parte ajunge la sol în linie dreaptă, iar o altă parte a luminii este absorbită de atmosferă.

Prin urmare lumina ce se distribuie în atmosferă este ceea ce numim difuză sau radiație difuză, iar raza de lumină ce ajunge pe suprafața solului fără să fie distribuită este denumită radiație directă.

În continuare va fi clasificată radiația solară la nivelul Pământului:

radiația directă (cea care provine direct de la Soare, fără modificări ale direcției)

radiația difuză (cea care provine din întreaga suprafață a cerului)

radiația reflectată (cea care provine de la terenul înconjurător)

Observație 1.4: Ceea ce este de reținut este că pentru un randament cât mai bun al panourilor fotovoltaice, cel mai important rol îl are radiația directă. În cazul unui cer senin, aceasta are cea mai mare intensitate.

Mai jos sunt prezentate două figuri (Fig. 1.2 și Fig. 1.3) în care s-au reprezentat principalele radiații solare pentru panoul fotovoltaic.

Figura 1.2 – Radiația directă

Figura 1.3 – Radiața difuză

Ceea ce atrage atenția este că fluxul de energie radiantă solară care ajunge la suprafața Pământului, este mai mic decât constanta solară, pentru că în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, intensitatea radiației solare este redusă treptat.

Așadar mecanismele prin care se modifică intensitatea radiației solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbite și difuze.

Prin urmare în atmosferă este absorbită (filtrată sau reținută) aproape toată radiația x și o parte din radiația ultravioletă.

Elementele care participă la absorbția radiației solare de către atmosferă sunt:

vaporii de apă

bioxidul de carbon

alte gaze existente în atmosferă.

Ceea ce se intamplă cu radiația absorbită este că în general este transformată în caldură, iar radiația difuză astfel obținută este retrimisă în toate direcțiile în atmosferă.

În urma acestor procese, atmosfera se încalzește producând la randul ei o radiație cu lungime de undă mare, ce poartă denumirea de radiație atmosferică.

În afară de cele două mecanisme de modificare a intensității radiației solare, o parte din radiația solară este reflectată de atmosfera terestră sau de unele componente ale sale cum ar fi: moleculele de aer și anumite categorii de nori.

Difuzia Rayleigh este procesul prin care o parte din radiația solară prin reflectare, este disipată, acest fenomen reprezentând radiația bolții cerești.

Radiația globală ajunsă de la Soare pe o suprafață orizontală la nivelul solului într-o zi senină este reprezentată, de altfel de suma dintre radiația directă și radiația difuză.

De orientarea suprafeței receptoare depinde radiația solară directă în ceea ce privește radiația solară difuză, indiferent de orientarea suprafeței receptoare, ea poate fi considerată aceeași, chiar dacă în realitate există mici diferențe.

În figura de mai jos (Figura 1.4) este prezentată raportul dintre radiația difuză și cea globală calculată cu ajutorul softului METEONORM.

portocaliu – radiația difuză

galben – radiația globală

Fig. 1.4 – Raportul dintre radiația difuză și radiația global

Astfel, radiația solară este influențată de modificarea permanentă a catorva parametrii importanți, care sunt urmatorii:

înalțimea Soarelui pe cer (se referă la unghiul format de direcția razelor Soarelui cu planul orizontal)

unghiul de înclinare a axei Pământului

modificarea distanței Pământ-Soare (cu aproximativ 149 milioane de km pe o traiectorie eliptică, ușor excentric)

precum și de latitudinea geografică

În ceea ce privește gradul mediu de însorire, după cum este normal, el diferă de la o lună la alta și chiar de la o zi la alta, în aceeași localitate și cu atât mai mult de la o localitate la alta.

În figura de mai jos (Fig. 1.5) este prezentată cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă și cade pe suprafața Pământului în comuna Bradu (aceste rezultate din grafic au fost calculate cu ajutorul soft-ului METEONORM).

Fig. 1.5 – Cantitatea de energie solară

1.3 Spectrul radiației solare

Soarele emite în spațiu, energie sub formă de radiație electromagnetică și radiație crepusculară (vântul solar), toate acestea fiind posibile în urma procesului de fusiune nucleară.

După Comisia Internațională de Iluminare (C.E.E.), spectrul radiației electromagnetice este cuprins între 1 si 1 mm.

Radiațiile se împart în 3 mari domenii spectrale, acestea sunt:

radiația vizibilă (lumina)

radiația infraroșie

radiația ultraviolet

Exemplificare:

radiația vizibilă (lumina), este acea radiație care produce direct senzația vizuală. În ceea ce privește limitele, acestea sunt cuprinse între:

limita inferioară cuprinsă între 380-400 nm

limita superiară cuprinsă între 760-780 nm

Radiațiile vizibile se caracterizează prin senzația de culoare pe care o provoacă, din punct de vedere calitativ.

radiația infraroșie, este acea radiație a căror lungimi de undă ale componentelor nanocromatice sunt superioare vizibilului și inferioare de 1 mm.

Așadar, acest domeniu spectral se împarte în:

radiația infraroșie A: cuprinsă între 780-1400 nm

radiația infraroșie B: cuprinsă între 1400-3000 nm

radiația infraroșie C: cuprinsă între 3000-1nm (10^6nm)

radiația ultravioletă, este acea radiație a cărei lungimi de undă sunt inferioare celei vizibile, precum și superioare de 1nm.

Clasificarea spectrului ultraviolet:

radiația ultravioletă A: cuprinsă între 315-400 nm

radiația ultravioletă B: cuprinsă între 280-315nm

radiația ultravioetă C: cuprinsă între 100-280 nm

Fig. 1.6 – Spectrul undelor electromagnetice

[http://www.acuz.net/html/radioactivitatea-natural-i-artificial-doc-www.acuz.net.html]

1.4 Clima

Observație 1.5: După cum se știe, România are o climă temperat continental de tranziție.

Clima este bineînțeles influențată și de relief, iar prin urmare se pot deosebi 3 zile climatorice și anume:

de campie

de deal

de munte

O observație in ceea ce privește amplasarea panoului fotovoltaic în locația cazului nostru este într-o zona de câmpie.

Elementele de bază ale climei sunt urmatoarele:

temperatura medie a verii care este în jur de 21 ˚C

luna cea mai călduroasă, cuprinsă între 30-35 ˚C

temperatura medie a iernii care este de aproximativ -2 ˚C în luna ianuarie (la munte, desigur, valorile sunt mult mai scăzute)

Mai jos sunt prezentate temperaturile medii lunare calculate în zona comunei Bradu cu ajutorul soft-ului METEONORM, temperaturi cuprinse între data de 1 ianuarie 2012 și 31 decembrie 2012.

Tabelul 1.2 – Temperaturile medii lunare calculate pentru comuna Bradu

Fig. 1.7 – Grafic temperaturi în ˚C

1.5 Traiectoria aparentă a Soarelui

Mișcarea aparentă a Soarelui pe sfera cerească

Perioada mișcării prezentate mai sus se numește an sideral și prin definiție,anul sideral este intervalul de timp care separă cele doua întalniri consecutive ale Soarelui cu aceeași stea de pe eliptică.

Se observă prin urmare, faptul că ecliptica trece prin 12 constelații, care ocupă în jurul acesteia o fâșie largă de 9 grade de o parte și de alta a acesteia, numită zodiac, majoritatea acestor constelații având nume de animale. Constelațiile numite zodiacale sunt: Berbecul, Taurul, Gemenii, Racul, Leul, Fecioara, Balanța, Scorpionul, Săgetătorul, Capricornul, Vărsătorul și Peștii.

Așadar, Soarele este cel care descrie în fiecare zi câte un arc de aproximativ 1˚ (adică dublul diametrului său) sau de 4 minute. Această mișcare poartă numele de mișcare anuală, aparentă a Soarelui. Ecliptica taie așadar ecuatorul în două puncte sub numele de puncte echinocțiale și anume se observă urmatoarele:

Fig. 1.8 – Ecliptica și anotimpurile

[http://fizicaolt.wordpress.com]

punctul vernal prin care Soarele trece astfel: din emisfera australă în cea boreală și de la declinații negative la declinații pozitive. El este așadar, originea ascensiilor drepte și a timpului sideral, fiind un punct fictiv, evident inobservabil, determinarea lui, prin calcul, se realizează cu ajutorul Soarelui.

punctul autumnal , este punctul prin care Soarele trece astfel: din emisfera boreală în cea australă și de la declinații pozitive la cele negative. Acestea sunt unite așadar prin linia echinocțiilor.

O altă clasificare este cea a punctelor solstițiilor, care sunt extremitațile diametrului eclipticii, perpendicular pe linia echinocțiilor și anume enumerăm urmatoarele:

– punctul solstițiului de vară care este punctul elipticii unde declinația Soarelui ia cea mai mare valoare pozitivă: 23˚27'. Fiecare punct al eclipticii descrie câte un paralel diurn, proces rezultat din participarea eclipticii la mișcarea diurnă a sferei cerești. La rândul său, planul acestui paralel intersectează Pământul după un cerc denumit un paralel terestru. Paralelul terestru ce corespunde punctului solstițiului de vară se numește tropicul Cancerului ,sau al Racului.

– punctul solstitiului de iarna ’ reprezintă punctul eclipticii, unde declinația Soarelui este astfel cea mai mică: -23˚27'. Paralelul terestru al acestuia se numește tropicul Capricornului.

1.5.1 Consecințele mișcării anuale aparente ale Soarelui

O primă consecință este cea reprezentată de:

Anotimpuri.

Exemplificăm astfel: punctele solstițiilor și ale echinocțiilor împart ecliptica în patru arce, care sunt punctele fundamentale ale eclipticii. Termenul de anotimp desemnează intervalul de timp necesar Soarelui să descrie arcul dintre două puncte fundamentale ale eclipticii.

Acestea sunt:

primăvara, este anotimpul care corespunde arcului , de la punctul vernal la punctul solstițiului de vară (adică de la 21 martie până la 22 iunie)

vara, corespunzând arcului , de la punctul solstițiului de vară la punctul echinocțiului de toamnă (și anume de la 22 iunie la 23 septembrie)

toamna, este anotimpul care corespunde arcului ’, de la punctul autumnal la punctul solstițiului de iarnă (adică de la 23 septembrie la 22 decembrie)

iarna, este anotimpul ce corespunde arcului ’ , de la punctul solstițiului de iarnă la punctul vernal (de la 22 decembrie la 21 martie).

Prin urmare se afirmă faptul că drumul aparent al Soarelui, ecliptica, nu este descris în mod uniform, de unde rezultă că cele patru arce egale sunt astfel parcurse în timpuri neegale. Duratele acestora sunt urmatoarele, așadar:

primăvara: 92 de zile și 20 de ore;

vara: 93 de zile și 15 ore;

toamna: 89 de zile și 19 ore;

iarna: 89 de zile.

În ceea ce privește emisfera australă, duratele intervalelor rămân aceleași, însă denumirea acestora se inversează.

Enumerăm:

Solstițiul de iarnă:

Solstițiul de iarnă este cel care marchează începutul iernii astronomice, el fiind cel care este legat de mișcarea anuală aparentă a Soarelui pe sfera cerească, ceea ce reprezintă consecința mișcării reale a Pămîntului în jurul Soarelui. În acest moment (al solstițiului de iarnă), Soarele se află în emisfera australă a sferei cerești, la distanța unghiulară de 23˚27’ Sud față de ecuator, el efectuând mișcarea diurnă în lungul cercului ce este paralel cu ecuatorul ceresc, ce poartă denumirea de tropicul Capricornului.

Astfel, se explică pentru latitudinile medii ale Terei, inegalitatea zilelor și nopților, precum și succesiunea anotimpurilor. Începând cu data de 22 decembrie, durata zilelor va crește continuu, iar cea a nopților, va scădea în mod corespunzător.

Solstițiul de vară:

Momentul solstițiului de vară se desfășoară la data de 21 iunie, unde longitudinea Soarelui este de 90˚ (el intrând în semnul zodiacal Racul), fapt ce marchează începutul verii astronomice. Pământul execută doua mișcări: o mișcare anuală de revoluție în jurul Soarelui, cât și o mișcare diurnă de rotație în jurul axei polilor tereștrii. Axa polilor prin urmare, păstrează o poziție fixă în spațiu, ea fiind înclinată pe planul orbitei Pământului cu 66˚33’. Urmarea acestui fenomen, este că cele 2 emisfere terestre sunt iluminate de Soare în mod inegal, în decurs de un an, fapt ce genereaza la latitudinile medii inegalitatea zilelor și a nopților, precum și succesiunea anotimpurilor. În acest moment, (al sostițiului de vară), Soarele se va afla la 23˚27’, distanța unghiulară nordică față de ecuatorul ceresc, el descriind astfel, mișcarea diurnă pe un cerc paralel cu ecuatorul, denumit tropicul Racului. Desigur, după momentul solstițiului de vară, durata zilei va începe să scadă, iar bienînțeles, a nopții să crească, timp de 6 luni, până la 21 decembrie și anume momentul solstițiului de iarnă.

Echinocțiul de primăvară:

În momentul în care calendaristic am pășit în anotimpul primăverii, ne apropiem de momentul echinocțiului de primăvară, ceea ce marchează începutul primăverii astronomice și ceea ce reprezintă intrarea Soarelui în primul semn zodiacal, anume semnul Berbecului, atunci când longitudinea astronomică a acestuia revine la valoarea de 0˚. În acest moment al echinocțiului de primăvară, Soarele traversează ecuatorul ceresc trecând astfel, din emisfera australă a sferei cerești în cea boreală. Atunci când Soarele se află în acest punct (denumit punct vernal), el descrie mișcarea diurnă în lungul ecuatorului ceresc, proces ce determină la data respectivă egalitatea zilelor cu cea a nopților, indiferent de latitudine.

Echinocțiul de toamnă:

Este acel moment când longitudinea astronomică a Soarelui atinge valoarea de 180˚, el intrând în semnul zodiacal Balanță. Acest punct, al echinocțiului de toamnă (punctul autumnal), se află la intersecția eclipticii (pe sfera cerească, ceea ce reprezintă proiecția planului orbitei Pământului pe această sferă cerească) cu ecuatorul ceresc, pe care Soarele îl traversează la această dată, trecând în sfera cerească astfel: din emisfera nordică în cea sudică.

Aflându-se la această dată în dreptul ecuatorului ceresc, Soarele va răsări și va apune chiar în punctele cardinale est si vest, durata zilelor fiind egală cu cea a nopților, indiferent de latitudine. Toamna astronomică așadar, începe în ziua de 23 septembrie. Începând de la această dată, durata zilelor va continua să scadă, iar cea a nopților să crească, până la data de 21 decembrie, când va avea astfel loc momentul solstitiului de iarna.

Tabelul 1.3 – Solstițiul și echinocțiul

1.6 Poziția Soarelui pe cer în funcție de anotimp

Având în vedere mișcarea Pământului, poziția Soarelui este diferită fața de suprafața Pământului, în funcție de sezon.

1 – iarna

2 – vara

Fig. 1.9 – Poziția Soarelui pe cer în funcție de anotimp

[http://www.pev.ro/furnizarea-sistemelor-pentru-producerea-energiei-regenerabile/sisteme-fotovoltaice]

Într-o observație anterioară am specificat că mă voi restrânge la lunile:

Tabelul 1.4 – Anotimpuri

După cum se observă anotimpul iarna dispare din calcule. Soarele traversează cerul de la Est la Vest. Panourile fotovoltaice au un randament mai mare dacă sunt orientate perpendicular cu Soarele la mijlocul zilei, când intensitatea luminoasă este cea mai mare.

Majoritatea sistemelor solare sunt montate pe un cadru metalic având o poziție fixă neputând să urmarească Soarele pe durata zilei. Astfel spus, aceeași situație se va aborda și în cazul nostru, mai exact panoul fotovoltaic va avea o poziție fixă.

Exact cum am specificat și mai devreme, deoarece Pământul se rotește în jurul Soarelui, există variații și în funcție de anotimpuri. Soarele nu va ajunge în același unghi vara și iarna.

Dezavantaj:

Această poziție de vară a panoului fotovoltaic (“orizontal”) ar dezavantaja producția de energie pe timp de iarnă. Însa în cazul nostru anotimpul iarna dispare din calcule.

Pentru fiecare latitudine există un unghi de inclinație optim. Numai în zonele foarte apropiate de Ecuator, panourile pot avea un unghi de inclinație aproape zero.

Observație 1.6: Deviațiile de 5˚ de la unghiul optim au un efect minor asupra producției de energie electrică.

Pentru sistemele independente (în cazul nostru), unghiul de înclinare se poate alege în funcție de necesarul de energie electrică dintr-o anumită lună. În cazul nostru vom alege luna iulie (anotimp vara).

Capitolul 2 – Efectul fotovoltaic

2.1 Efectul fotovoltaic intern

Conversia fotoelectrică a energiei folosește efectul fotoelectric electric intern (fotovoltaic) care constă în generarea de perechi electroni gol sub acțiunea radiației unui flux luminos. Radiația luminoasă primită de la Soare (o radiație electromagnetică) poate fi primită ca un flux de fotoni, fiecare foton fiind considerat ca o particulă fără masă, dar cu o energie

În care:

h – este constanta lui Planck

h=6,6524 [J/grad K]

– frecvența [Hz]

Fenomenul acesta are loc în interiorul unui semiconductor. Un foton poate să aibă doua efecte:

încălzirea semiconductorului, adică energia fotonului este transmisă semiconductorului și transformată în caldură.

energia fotonului, servește la extragerea unui electron din rețeaua semiconductorului. Electronul devine o sarcină electrica liberă și lasă în locul lui un gol, care poate fi ocupat de un alt electron din rețea.

Acest fenomen are loc dacă: h

– energia bandei interzise

Efectul fotovoltaic intern are drept consecință conversia fotoelectrică a energiei numai daca are loc în regiunea de trecere (zona joncțiunii semiconductorului p-n). Analiza acestui fenomen presupune analiza conducției în semiconductoare și a funcționării joncțiunii unui p-n.

Conducția în semiconductoare se analizează pe baza stării energetice a electronilor din material. Electronii ocupă în funcție de energia lor anumite benzi energetice. Într-un semiconductor pur se află o bandă de valență care este ocupată complet și o bandă de conductive liberă desparțită de aceasta printr-o bandă numită banda interzisă.

Fig. 2.1 – Structura energetică a materialelor semiconductoare

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

Analiza acestei scheme ositive este utilă în vederea ințelegerii condițiilor în care semiconductorii pot ositi ositive conductoare de curent electric. În situații normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialul ositive, diferite nivele ositive denumite și straturi sau benzi ositive. Aceste nivele ositive accesibile pentru electroni, sunt separate de benzile ositive interzise, reprezentând adevărate “bariere ositive” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate de electroni, este denumit și banda ositive de valență sau mai simplu banda de valență. Urmatorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de aceștia este denumit banda ositive de conducție sau mai simplu banda de conductive. Este evident că pentru material diferite, nivelele ositive ale benzii de valență și ale benzii de conductive sunt diferite. Diferența de potențial energetic ΔE, dintre banda de conductive si banda de valență, reprezentând și valoarea “barierei ositive” dintre cele doua straturi, este diferența dintre nivelul energetic Ec al benzii de conductive si Ev al benzii de valență ΔE=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariere ositive este ΔE≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la ΔE≈1,7eV. Aceste valori ale barierei ositive, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valență ca aceștia să devină liberi, adica pentru a putea trece pe banda de conductive. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiația solară, fotonii sau cuantele de lumină cum mai sunt numiți aceștia, sunt capabili să ositive electronilor de pe banda de valență, energia necesară pentru a depași “bariera ositive” și a trece pe banda de conductive. Acest fenomen se produce în celulele fotovoltaice.

În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, SI este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice, pentru obținerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) sau ositive (goluri). Se obțin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respective de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanță diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, se obține o așa numită joncțiune de tip p-n de tipul celei reprezentate în figura de mai jos.

Fig. 2.2 – Joncțiune p-n

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

Sub acțiunea diferenței de potențial electric, manifestată în zona de contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendința de migrație în stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p prezintă tendința de a migra în stratul n, deficitar în sarcina electrică pozitivă. Acestă tendință de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentată în figura de mai jos.

Fig. 2.3 – Tendința de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncțiunii p-n

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

Amploarea migrației sarcinilor electrice între cele doua straturi ale joncțiunii p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficial din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficial din stratul n va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice în zona jonctiunii p-n de tipul celei reprezentate în figura de mai jos.

Fig. 2.4 – Apariția unei diferențe de potențial electric în zona joncțiunii p-n

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

Se observă ca efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariția unei diferențe de potențial locale la nivelul joncțiunii. Această diferență internă de potențial reprezintă o barieră care impiedică o eventuală deplasare ulterioara a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p și a celor pozitive din stratul n. Sarcinile electrice libere din cele doua straturi sunt response din zona joncțiunii spre suprafețele acestor straturi, opuse joncțiunii p-n.

Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual având atât caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât și caracteristici corpuscular, conform teoriei corpuscular, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.

Dacă joncțiunea p-n este supusă radiației solare, fotonii având un nivel energetic suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiația solară prezintă o intensitate mai mare), sunt capabili să transfere suficiența energiei eletronilor aflați pe straturile de valență ale atomilor, pentru a trece pe straturile de conductive și să devină electroni liberi. Sub acțiunea diferenței interne de potențial, care se formează în stratul n, sunt respinși spre suprafața stratului n al joncțiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p sunt atrași spre zona de joncțiune pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul n sunt respinși spre suprafața acestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de conductive, lasă în urmă un gol (sarcina electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub acțiunea radiației solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri). Sub acțiunea diferenței interne de potențial care se manifestă local la nivelul joncțiunii p-n, golurile care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al jonctiunii, iar golurile care se formează în stratul p sunt respinse spre suprafața acestui strat.

în urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi și în zona joncțiunii p-n, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n așa cum se observă în figura de mai jos.

Fig. 2.5 – Polarizarea suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n

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

Dacă suprafețele exterioare ale joncțiunii p-n sunt acoperite cu câte un strat metalic, reprezentând fiecare câte un electrod între aceștia se va manifesta o diferență de potențial care într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric. Diferența de potențial și curentul electric se pot menține la un nivel constant atâta timp cât se manifestă radiația solară. Este evident că variația intensitații radiației solare va produce și variații ale diferenței de potențial, dar mai ales ale intensității curentului electric așa cum se va arăta ulterior.

Joncțiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuiesc o celulă fotovoltaică sau celula electrică solară având construcția de tipul celei reprezentate în figura de mai jos.

Fig. 2.6 – Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

[http://www.robotics.ucv.ro/flexform/aplicatii_ser2/ITE/Ionila%20Gabriela%20Alice-Limbajul%20HTML/conversieM1.html]

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este de cca. 0.3 mm, iar grosimea stratului n, este de cca. 0.002 mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplasează un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiației solare incidente pe suprafața celulei electrice solare, astfel încat o cantitate cât 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.

Capitolul 3 – Celule și panouri solare

Celule solare

Generalități

Doua sau mai multe straturi de materiale semiconductoare alcătuiesc o celulă solară, cel mai întalnit este siliciu. Straturile acestea au o grosime aproximativă de 0.01 si 0.2 mm, formând jonctiuni “p” si “n”. Un curent electric se produce atunci când stratul de siliciu este expus la lumină.

Celulele (celule fotovoltaice) – de obicei curentul generat de o mică celula este mic, însa combinațiile serie/paralel ale acestor celule pot produce curenți suficient de mari. Prin urmare, celulele sunt încapsulate în panouri.

Celulele se clasifică după mai multe criterii:

după grosimea stratului materialului

după felul materialului

Materiale

Materialele se clasifică astfel:

celule pe bază de siliciu

strat gros (celule monocristaline, celule policristaline)

strat subțire (celule cu siliciu amorf, celule pe bază de siliciu cristalin)

semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V

celule cu GaAs

semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI

celule cu CdTe

celule CIS (Cupru-Indiu-Diselenid) și CIGS (Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat)

celule solare pe bază de compuși organici

celule pe bază de pigmenți

celule cu electrolit semiconductor

celule pe bază de polimeri

Rezervele de materie primă

Siliciul este disponibil în cantități nelimitate, pot apărea strangulări în aprovizionare. Celulele solare au ca necesitate materiale precum: indiu, galiu, telur si seleniu. În cazul metalelor rare (indiu și galiu) consumul mondial este enorm. Rezervele de indiu sunt estimate la aproximativ 6000 de tone (din care exploatabile economic 2800 de tone). În cazul seleniului și telurului (seleniu – rezervele exploatabile 8200 de tone, iar telurul 43000 de tone). Cuprul se estimează la 550 milioane de tone. Galiu, seleniu și telurul sunt utilizate și neeconomic în multe procese de producție. Galiu, indiu și seleniu nu se pot recicla, cuprul se poate recicla.

Moduri de construcție

Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare, cel mai des folosite sunt cele pe bază de siliciu. Celulele solare ce au la bază materiale semiconductoare, utilizate pentru producerea energiei electrice sunt legate în module. Pe un astfel de modul sunt mai multe rânduri de celule solare împotriva avalanșei în joncțiune. Este necesar ca acestea să fie încorporate în paralel cu celulele solare diode de protecție.

Panoul este întotdeauna direcționat pentru a exploata la maxim energia solară incidentă. Randamentul termodinamic pentru producerea de energie din lumina solară este de 85% (calcularea acestuia este din temperatura suprafeței Soarelui (5800 ˚K); temperatura maximă de absorbție este de (<2500 ˚K) și temperatura mediului înconjurator (300˚K)).

Unul din dezavantajele celulelor solare față de centralele solare termice este neutilizarea spectrului complet.

Principiul de funcționare

Semiconductoarele sunt ca niște fotodiode cu suprafața mare, folosite ca sursă de curent. Aceste semiconductoare prin absorbție de energie, eliberează purtători de sarcină. Pentru că din acești purtători să se creeze un curent electric este nevoie de un câmp electrostatic intern (el apare în dreptul unei joncțiuni p-n). Această joncțiune trebuie să fie cât mai aproape de suprafața materialului și să se patrundă mai adânc, ea se creeaza prin impurificarea controlată. Pentru profilul dorit, se impurifică “n” un strat subțire de suprafață, precum și “p” stratul gros de dedesupt, ceea ce precedă joncțiunea.

După acțiunea fotonilor apar cupluri electron-gol în joncțiune, urmând electronii accelerați spre interior, iar golurile spre suprafață. Câteva cupluri electron-gol se vor recombina în joncțiune, prin urmare având loc o disipare de căldură, iar restul curentului este utilizat de consumator. Tensiunea electromotoare maximă la bornele unei celule solare, este de 0.5 V.

Structura celulelor solare va fi în asa fel încat să absoarbă cât mai multă lumină, precum și să apară cât mai multe sarcini în joncțiune. La celulele solare moderne din nitrat de siliciu se obține un strat antireflectorizant de cca 70 nm grosime prin procedeul PE-CVD. Se mai utilizează astfel straturi reflectorizante (SiO2 si TiO2) se depun prin procedeul AP-CVD.

Prin urmare grosimea stratului influențează culoarea celulei (grosimea stratului trebuie să fie cât se poate de uniformă). Culoarea care este mai bine absorbită de siliciu este culoarea roșie. Celulele roșii, galbene, verzi au un randament mai slab. Stratul antireflectorizant mai are și rolul de a reduce viteza de recombinare artificială.

Celule solare pe bază de siliciu

Materialul pentru fabricarea celulelor sociale este siliciul. Pentru producerea, celulelor solare s-a trecut de la utilizarea deșeurilor rezultate din alte procese tehnologice (în trecut) la materiale speciale (actual). În industria semiconductoarelor siliciul este ideal. El este ieftin, se poate impurifica în semiconductor de tip “n” sau “p”. Prin procesul de oxidare se pot crea straturi izolatoare subțiri.

Siliciul este mai puțin potrivit pentru exploatarea directă a efectului fotoelectric. În cazul celulelor și anume celulelor solare pe bază de siliciu cristalin, grosimea este de cel puțin 100 μm, sau mai mult. La celulele cu strat subțire, sunt suficiente 10 μm.

Tipuri de siliciu:

monocristaline – aceste cristale sunt materia de bază pentru industria de semiconductori (sunt scumpe).

policristaline – sunt cele mai răspândite în producția de dispozitive fotovoltaice (sunt ieftine).

amorfe – sunt celule cu strat subțire (ieftine, avantaj la lumina slabă)

microcristaline – celule cu strat subțire (panouri fotovoltaice, utilizare parțială a acestora).

celule solare tandem – sunt straturi de celule solare suprapuse (combinație de straturi policristaline și amorfe).

Celule solare cu strat subțire

Aceste celule variază în funcție de substrat și materialul condensat. Este o diferență între celulele solare cu strat subțire și celulele tradiționale (bazate pe plăci de siliciu). Proprietățile celulelor solare sunt determinate de diferența dintre proprietățile fizice ale siliciului amorf și proprietățile siliciului cristalin. Celulele solare cu un strat foarte subțire sunt cele mai preferate. Ele se obțin prin condensarea din faza gazoasă direct pe un material purtător (sticla, material sintetic, etc).

Siliciul amorf este cel mai întrebuințat material în cazul celulelor cu stratul foarte subțire. Modulele de celule cu strat subțire sunt egale cu modulele multicristaline cu siliciu (randament 11-12%), din punct de vedere al randamentului.

Celulele cu strat subțire, pot produce un randament mai mare, însă parțial, necesar pentru proucerea de curent electric (20% randament). Costurile sunt și ele importante, acestea fiind determinate de procedeul de fabricație utilizat, precum și de prețul materiei prime. Celulele cu strat subțire nu necesită un substrat rigid (sticla/aluminiu). Aceste celule au un mod de fabricație mai simplu. Utilajele de fabricație parțiale sunt identice cu cele utilizate în fabricarea ecranelor plate cu o suprafață de peste 5 . Un procedeu de producere a celulelor cu strat subțire din siliciu este CSG (Crystaline Silicon on Glass).

Celule cu concentrator

Lumina este concentrată pe o suprafață mai mica prin utilizarea lentilelor, acestea sunt mult mai ieftine. Aceste celule au în compoziția lor semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V aplicate în tandem sau pe straturi. Panourile cu acest tip de celule trebuie orientate în continuu perpendiculare pe direcția razelor solare.

Celule solare electrochimice pe bază de pigmenți (celule Gratzel)

Curentul se obține prin absorbție de lumină cu ajutorul unui pigment, fiind utilizat oxidul de titan ca semiconductor.

Celule solare din compuși organici

Utilizeaza legaturi carbon-hidrogen, care au proprietăți semiconductoare. Randamentul pe o suprafață de 1 este la maxim 5% (situația la nivel de ianuarie 2007).

Celule bazate pe fluorescență

Aceste celule bazate pe fluorescență sunt celule solare care produc lumina prin fenomenul de fluorescență, iar mai apoi o transformă la marginile plăcii.

Forme și mărimi

Celulele cu forma rotundă sunt rar utilizate azi, cel mai des utilizate fiind celulele cu forme dreptunghiulare, cu colturile teșite. După mărime în 1990 aveau mărimea de 100*100 mm, apoi celulele cu latura de 125 mm, iar de prin anul 2002 celulele cu latura de 150 mm, iar pe viitor vor apărea celule de 200*200 mm.

Caracteristici tehnice

Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt:

intensitatea luminoasă (1000 W/ în zona panoului)

temperatura celulei solare (25 ˚C)

spectrul luminii AM 1.5 global

Caracteristicile unei celule solare sunt:

tensiunea de mers în gol (auch )

curentul de scurtcircuit

tensiunea în punctul optim de funcționare (auch )

curentul în punctul de putere maximă

puterea maximă estimata

factorul de umplere FF=

coeficientul de modificare a puterii cu temperatura celulei

randamentul celulei solare η=

Celulele solare pot ceda o putere de 160 W/. Între celule și marginea modulului este o distanță. Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou și puterea continuă în lumina totală incidentă. Randamentul teoretic maxim este de 33% în acest caz, pe când cel teoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise este de 85%.

Tabelul 3.1- Randament, durată de viață, costuri

Randamentul celulelor solare comericale este de aproximativ 20%. Îmbatranirea duce la scăderea randamentului cu până la 10%. Prin urmare fabricanții dau garanții de 80% din puterea maxima în 20 de ani. Constanta solară este mai mare în spațiu, în comparativ cu iluminarea globală pe pământ, celulele solare îmbatranesc așadar mai repede. Panourile pentru sateliți au un randament de 25% la o durată de viață de 25 de ani.

Panouri solare

Un panou solar fotovoltaic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Panoul solar este alcătuit din celule solare. Aceste panouri solare se utilizează separat sau conectate la baterii.

Funcționarea panoului fotovoltaic

Este nevoie de un panou solar ce are o celula solară sau mai multe celule. Fotonii sunt particule de lumină ce cad și sunt absorbite de către celula solară. Fiecare foton astfel, conține o cantitate minoră de energie.

În timpul în care un foton este absorbit, el eliberează un electron din materialul celulei solare. Prin urmare un curent va trece prin această celulă solară (fiecare parte a sa fiind conectată la un cablu). Celula va produce astfel electricitate (ea poate fi folosită imediat sau înmagazinată în acumulatori). Atâta timp cât panoul este expus la lumină, se produce energia electrică. Energia electrică este livrată consumatorilor prin intermediul unui invertor ce are un dublu rol: de a transforma curentul electric continuu cu o tensiune de 12 V, 24 V, 48 V, în curent alternativ de 220 V, 50 Hz și de de a proteja bateriile de acumulatori de descărcare excesivă.

Construcția unui panou solar obișnuit

Construcția unui astfel de panou solar obișnuit este:

un geam de protecție

un strat transparent din material plastic în care se fixează celulele solare

celule solare (monocristaline/policristaline) conectate între ele prin benzi de cositor

caserarea feței posterioare a panoului cu o folie stratificată (material plastic)

prize de conectare (cu diode de protecție/dioada de scurtcircuitoare) și record

o ramă din profil de aluminiu (pentru fixarea și rigidizarea legăturii

Fabricarea panourilor solare

Fabricare panourilor solare se face astfel:

se pregatește și se curăță un geam (de mărime corespunzatoare)

peste el se așează un strat de folie de etilen vinil acetat

celulele solare sunt legate cu ajutorul benzilor de cositor în grupe, apoi se așează pe folia EVA

urmează conectarea grupelor între ele

apoi racordarea la prize de legatură (prin lipire)

se acoperă totul cu o folie EVA și peste ea, o folie de tedlan

laminarea panoului în vacuum la 150˚C

prin polemizare, se va obține un strat de materiale plastic (nu se va mai topi), iar celulele solare sunt bine introduse și lipite strâns de geam și de folia de etedlan

după laminare, marginile se vor poliza, fixându-se prize de conectare (în care se vor monta diodele de bypass)

se prevede tot cu o ramă metalica, se masoară caracteristicile, se sortează după parametrii electrici

Tipuri de panouri solare

Panourile solare se clasifică în mai multe tipuri, și anume:

laminate sticlă-sticlaă

panouri sticlă-sticlă (cu rășini aplicate prin turnare)

panouri cu strat subțire

panouri concentrator (se utilizează lentile mai ieftine, cu ajutorul unui dispozitiv optic)

colector cu fluorescent (materialul sintetic este impurificat cu un pigment fluorescent)

Caracteristicile unui panou solar

Caracteristicile panourilor solare sunt urmatoarele:

tensiunea de mers în gol

curentul de scurtcircuit

tensiunea în punctul optim de funcționare

curentul în punctul de putere maximă

puterea maximă

factorul de umplere

coeficientul de modificare a puterii (cu temperatura celulei)

randamentul celulei solare

O importanta foarte mare o are încapsularea durabila a elementelor, deoarece umiditatea ar afecta durata de viață a panourilor solare (prin coroziune și prin scurtcircuitarea legăturilor dintre elementele prin care curentul electric trece).

Orientarea

Lumina divizată în atmosferă se numește lumina difuză/radiație difuză. Se numește radiație directă raza de lumină ce ajunge pe suprafața solului fără a fi divizată. O mică parte a radiației solare ajunge pe solul Pamantului cu adevarat. Un sistem solar va produce energie electrică chiar daca este înnorat afară (cele mai bune moment de obținere a energiei solare sunt în zilele însorite, cu panoul indreptat spre Soare). În cazul în care nu se optează pentru sisteme de orientare automată în funcție de Soare, pentru zonele din emisfera Nordică, panourile se vor orienta spre Sud, iar pentru cele din emisfera Sudică, spre Nord.

Panourile au un randament mai mare dacă orientarea lor este perpendiculară cu Soarele la mijlocul zilei, când avem intensitate luminoasă mai mare. Un unghi de înclinare este unghiul dintre planul orizontal și panoul solar. Soarele nu ajunge în același unghi cu solul iarna și vara. Pe timp de vară poziția panourilor este mai orizontală decât pe timp de iarnă. Astfel, pentru fiecare latitudine exista un unghi de inclinare optim, în zonele apropiate enorm de Ecuator, panourile pot avea un unghi de inclinatie aproape de zero.

Deviațiile de 5˚ de la unghiul optim au un efect minor, dar diferentele datorate condițiilor meteorologice au un efect foarte important asupra sistemului fotovoltaic. În cazul sistemelor independente, unghiul de înclinare se va alege în funcție de necesarul de energie electrică într-o anumită lună din an.

Capitolul 4 – Pompe de apă acționate cu motoare de curent continuu și de curent alternativ

4.1 Generalități

O pompă este o mașină sau un aparat care transformă energia, dintr-una din formele sale mecanice, în formă de energie hidraulică sau pneumatică, în scopul transportării fluidului care primește energia utilă. Energia mecanică poate proveni din forța musculară sau de la un motor de antrenare.

Clasificare:

După numărul de fluide, pompele pot fi cu un fluid (cel transportat) sau cu două fluide (cel motor și cel transportat). Pompele cu un fluid primesc energia necesară de la un corp solid (ex.: piston), iar cele cu două fluide de la fluidul motor (ex.: vâna de aer, vâna de apă).

După starea de agregare a fluidului transportat pompele se împart în pompe hidraulice (pentru lichide), respectiv pompe pneumatice (pentru gaze).

După tipul de realizare a pompării, pompele pot fi desmodrome (cu mecanism), sau cu lanț cinematic cu desmodromie variabilă (ex. pompa cu abur cu piston cu acțiune directă).

După numărul de curse active pe rotație, pompele pot fi cu simplu efect (fluidul este pompat de o singură față a pistonului, iar cursa activă este într-un singur sens) sau cu dublu efect (fluidul este pompat de ambele fețe a pistonului, iar cursele din ambele sensuri sunt active).

După principiul de funcționare și forma cavități de lucru, pompele se clasifică în pompe centrifuge, volumice, axiale și altele.

După felul mecanismului mobil pompele hidraulice se clasifică în:

Pompe cu piston. Exemple: pompă de injecție (la motoare cu ardere internă), pompă cu pistoanele în linie, pompele folosite la pomparea petrolului din zăcămintele cu energia epuizată, pompă folosită în medicină ca înlocuitor al inimii (pompă cord).

Pompe rotative. Exemple: pompă cu palete, pompă cu roți dințate, pompă cu lanț și roată dințată (variantă: pompă cu dopuri), pompă cu șurub (pompa lui Arhimede), pompă cu rotoare profilate.

Pompe cu membrană. Exemple: pompă peristaltică

Pompe cu rotor. Exemple: Pompă axială, semiaxială (diagonală), sau radială (centrifugă), pompă submersilă folosită la foraje.

4.1.1 Pompele submersibile

Pompele submersibile funcționează asemănator pompelor de grădină, dar datorită faptului că sunt scufundate permanent în apă, de regulă pot pompa apa la înălțime mai ridicată. În funcție de alimentarea lor, aceste pompe pot fi:

de curent continuu

sau de curent alternativ.

Pompele de curent continuu, de regulă sunt folosite la aplicații de gradină cu panouri solare, iar pompele de curent alternativ se pot alimenta direct de la priză, ele fiind folosite în diverse aplicații.

Capitolul 5 – Analiza unui sistem de irigații

5.1 Irigarea prin picurare

Irigarea prin picurare permite umezirea lentă a solului în zona de răspândire a rădăcinilor plantelor, cu ajutorul unor instalații special care distribuie apa, picătură cu picatură. Comparativ cu metodele de udare tradiționale, irigarea prin picurare oferă câteva avantaje importante:

solul poate fi menținut la un nivel constant și optim al umidității

economie considerabilă de apă și de energie

apa pătrunde la rădăcina plantelor pe cel mai scurt traseu

nu provoacă eroziunea solului

fiecare plantă în parte poate primi cantitatea de apă necesară

datorită faptului că frunzele și tulpina plantei sunt uscate în timpul irigării, nu există riscul arderii plantei.

Între dezavantajele irigării prin picurare se evidențiază următoarele:

echipamentul de udare se realizează cu cheltuieli mari

distribuția apei în lungul conductelor de udare este relativ neuniformă

5.2 Componența echipamentului de irigare prin picurare

Pentru irigarea prin picurare se folosesc instalații alcătuite dintr-o rețea de conducte din material plastic (amplasate subteran sau la suprafața solului), prevăzute cu dispozitive speciale de picurare, la distanțe stabilite în funcție de distanțele dintre plante.

O instalație de irigare prin picurare poate fi descrisă ca având următoarele părți componente:

Ansamblul frontal (parte fixă) care are în componență:

sursă de apă (puț, racord la rețeaua stradală)

pompa care să asigure un debit de minim

manometru care indică presiunea de lucru

filtru care separă suspensiile minerale sau organice prezente în apă, pentru prevenirea pericolului înfundării picurătoarelor

Conducte de transport (parte fixă), confecționate din material plastic rigid PVC (pentru conductele subterane) sau PVC plastifiat (pentru conductele la suprafață). Acestea au rolul de a alimenta cu apă conductele (furtunurile) de udare.

Conductele de udare, acestea reprezentând partea activă a instalației de irigare prin picurare. Acestea sunt confecționate din polietilenă și sunt prinse pe conductele de transport. În funcție de modelul constructiv, conductele de udare pot prezenta diferite modalități de conducere a apei către orificiile aflate direct în conductă. Distanța dintre orificiile aflate pe conductă de udare poate fi diferită (10 cm, 20 cm, 30cm, etc), în funcție de distanța dintre plante. Distanța dintre conductele de udare pe conductele de transport se poate stabili în funcție de distanța dintre rândurile de plante.

5.3 Reguli elementare ale irigației

Umiditatea este absorbită într-o măsură mai avansată de solul spongios și cu aerisire parțial. Dacă stratul de sol de adâncime mai mare nu este permeabil, cantitatea de apă inutilă va împiedica aerisirea solului, ceea ce duce la un sol rece și acidulat.

Este recomandată irigarea mai rară și mai profundă, decât irigarea densă cu cantități mici de apă. Apa trebuie să patrundă până la rădăcina plantelor. Dacă apa patrunde doar în stratul de sol superior, rădăcinile plantelor încep să tindă după apă și pot fi uscate în stratul de sol apropiat suprafeței.

Perioada optimă pentru irigare este dimineața devreme, când solul este încă răcorit, sau spre seară. Astfel apa nu se va evapora, ci va fi absorvită de pământ și nici plantele nu vor fi pârlite. În cursul dimineții pot fi stropite și frunzele, dar seara este recomandată numai irigarea radacinilor. Seara frunzele ar pastra umiditatea pe o perioadă mai îndelungată, ceea ce favorizează afecțiunile micotice.

Irigarea nu se va face nici într-un caz cu jet puternic de apă, deoarece astfel stratul superior al solului se va transforma în noroi, iar apa se va scurge fără să ajungă la rădăcina.

Apa poate fi exploatată în mod eficient și prin aplicarea metodei de “dublă irigare”: în prima fază solul este udat cu o cantitate redusă de apă, după care, peste cateva minute va fi udat și în profunzime.

În cazul irigației prin stropire plantele mai sensibile necesită atenție sporită, ele vor fi stropite doar cu jet de apă bine pulverizată, numai din pozitia de sus. Jetul de apă sosită din lateral și puternic poate să scoată răsadurile fragede, fără rădăcină.

Temperatura apei de irigare va fi cel puțin echivalentă cu temperatura solului. Stropirea cu apă rece poate provoca distrugerea plantelor, mai ales în perioada de caniculă. Astfel se recomandă umplerea dis-de-dimineață a unui recipient cu apă din puț sau din rețea, care se va încălzi dacă este expusă la caldură solară. În acest repaus de apă de la rețea se elimină și clorul dăunator plantelor. Puterea jetului de apă poate fi redusă prin aplicarea unui pulverizator sau cu ajutorul unui muștiuc cu filtru corespunzător, astfel picăturile de apă ajunse pe suprafața plantelor pot fi “temperate”.

Apa de irigare de cea mai bună calitate este apa de ploaie care se scurge prin streașină și este colectată într-un recipient corespunzator, pentru că este dedurizată. Astfel minereurile din sol pot fi dizolvate usor și pe deasupra în recipientul de colectare ea poate să ajungă la temperaturi corespunzătoare. În condițiile climaterice obișnuite la noi cantitatea apei de ploaie căzută pe acoperișul unei case familial obișnuite poate reduce cu 50% cheltuielile legate de apa de irigare. Însă in orașele poluate este recomandată colectarea apei doar după ce primul val de ploaie a curățat acoperișurile.

Prin acoperirea solului cu un strat de material organic poate fi economisită o cantitate semnificativă de apă. În general este recomandată acoperirea solului cu un strat de 3-5 cm de turbă, paie sau amestec de coajă de copac și compost. În cazul în care solul este acoperit cu un astfel de strat nu necesită nici aerisire prin săpare, ceea ce poate dăuna rădacinilor; prezența compostului organic contribuie în permanența și la îmbunătățirea calitățiilor fizice ale solului, în primul rând la nivelul de absorție.

Umiditatea solului poate fi menținută și prin acoperirea acestuia cu o folie neagră din material plastic sau folie albă din material textil nețesut. Aplicarea unui strat de compost organic poate împiedica evaporarea apei, dar totodată poate să permită, prin orificiile aplicate, pătrunderea apei de ploaie și aerului în sol. Sub folia neagră încalzirea solului este mai intensă, ceea ce avantajează dezvlotarea legumelor și în general dezvoltarea plantelor dependente de caldură.

5.4 Cantitatea apei de irigare

Apa de irigare va putea fi eficientă numai în cantitatea și în doza corespunzatoare. Majoritatea plantelor necesită o cantitate de apa mai ridicată doar în perioada de dezvoltare, în restul cazurilor excesul de apă poate fi dăunător. Din cauza unei irigări profunde, ca una după “post”, fructele, bulbii sau rădăcinile pot fi despicate. Solul nu poate fi uscat în nici un caz, respectiv umiditatea acestuia va fi în permanență de cel putin 8-12%. Irigarea este necesară în cazul în care umiditatea din sol nu atinge 20% din volumul total al acestuia.

Tabel 5.1 – Cantitatea apei de irigare la anumite plante de gradină

5.5 Surse de apă

Condiția de bază pentru realizarea unui sistem de irigație funcțional este existent sursei de apă corespunzătoare. În cazul în care apa este la un nivel mai adânc de 10 metri, merită folosită pompa electrică sau un hydrant casnic. În casele familiale sau în casele de vacanță, pompele sunt utilizate în majoritatea cazurilor numai pentru asigurarea apei menajere; grădinarii și cei care cultivă legume, folosesc pompele pentru a asigura apa de irigație.

Un puț cu randament este o comoară adevarată atunci când costurile de apă și de canalizare sunt în continuă creștere. Puțurile însa sunt mai mult forate decât săpate, astfel și sursele de ape subterane de mare adâncime pot fi exploatate.

Sistemele de irigație mai mici pot fi racordate fără probleme la robinetul din grădină, dar sistemele cu randament mai ridicat necesită o anumită presiune. Presiunea minimă necesară pentru funcționarea anumitor sisteme de irigații sau oricărui alt consumator este stabil în prospectele și în instrucțiunile de utilizare (în Bar sau în MPa).

Barul (Bar) este unitatea de măsură a presiunii folosită în meteorologie. Sistemul international SI recunoaște numai pascalul, ca fiind singura unitate de masură pentru presiune. Practic unitatea de masura megpascal (MPa) este echivalent cu un million de pascal. Producatorii nu respecta standardul intotdeauna, astfel in prospecte si cataloage in dreptul furtunurilor, garniturilor sau pompelor, de multe ori este trecuta valoarea exprimata in bar.

Conversia acestr valori este simpla:

1 bar = 0.1 MPa

1 MPa = 10 bar

5.6 Alegerea pompei potrivite

Pentru extragerea apei de irigație sau apei potabile din puțuri sau din rezervoarele colectoare de apă de ploaie, din râuri sau din lacuri, există mai multe tipuri de pompe electrice sau cu motor de benzină. Pompa va fi aleasă totdeauna în funcție de sarcina de exploatare. Cazurile cele mai frecvent întalnite în practică sunt:

pompele submersibile, imersate în apa dintr-un puț, de unde aspiră apa și o transportă la suprafață, într-un rezervor de depozitare

pompe de transvazare, care transferă apa dintr-un rezervor de depozitare în altul, aflat la distanță sau la înalțime mai mare decât primul

pompe din component grupurilor de ridicare a presiunii (stații de hidrofor), destinate asigurării apei la utilizatori

În continuare, va fi examinat doar primul caz, deoarece în cazul nostru se va folosi pompa submersibilă. Pompele submersibile functionează asemanator pompelor de gradină, dar datorita faptului ca sunt scufundate permanent în apă, de regulă pot pompa apa la înalțime mai ridicată. Producatorii sunt obligați să asigure izolația de clasă F si nivel de securitate IP68.

Debitul unei astfel de pompe trebuie să satisfacă doua conditii principale:

să fie suficient față de nevoile de consum stabilite de proiectantul instalațiilor de apă (sau estimate în funcție de numărul și structura consumatorilor)

să nu fie mai mare decât debitul forajului (puțului).

Prima condiție nu este una rigidă, în sensul ca nu este obligatoriu (de multe ori, nici economic) să fie aleasă pompa la debitul de vârf. Având un rezervor de stocare corect dimensionat, se va folosi aceasta pentru acoperirea vârfurilor de consum, refacerea stocului de apă fiind posibilă prin prelungirea timpului de pompare în perioadele cu consum redus.

În ceea ce privește cea de-a doua condiție, este absolut obligatoriu ca pompa selectată să nu aibe debitul mai mare decât cel al forajului (puțului), determinat de o firmă specializată și consemnat în studiul hidrogeologic. Nerespectarea acestei condiții (suprapomparea) conduce la grave neajunsuri, atât pentru puț cât și pentru pompă, cum ar fi:

scăderea excesiva a nivelului hidrodinamic

antrenarea unei calitati mari de nisip, ceea ce aduce la deteriorarea rapidă a pompei și la colmaterea sitelor puțului

scăderea stratului acvifar, având ca efect modificări chimice ale substanțelor din apă, precipitarea metalelor grele, antrenarea de nitrați și pesticide infiltrate în pământ, de la suprafață.

Observație 5.1: În consecință, este riscant a se admite un debit estimat numai în funcție de nevoia utilizatorului, fără a ține seama de caracteristicile pompei.

Corect este să se ia în considerare la alegerea pompei un debit cel mult egal cu cel al forajului, consemnat în studiul hidrogeologic.

Înălțimea de pompare este dată de relația:

– înălțimea de pompare [mCA]

– înălțimea geodezică între oglinda apei din puț (nivel hidrodinamic) și punctul de consum [m]

– pierderile de presiune pe conducta [mCA]

– presiunea de serviciu la punctul de consum [mCA]

Capitolul 6 – Analiza unui sistem fotovoltaic autonom

6.1 Structura unui sistem fotovoltaic autonom

În continuare se va prezenta structura unui sistem fotovoltaic. Un sistem fotovoltaic autonom are următoarele componente:

panourile fotovoltaice

invertorul

regulatorul de sarcină

bateriile de stocare

consumatorii electrici

În ceea ce privește invertoarele utilizate în cazul sistemelor de față și anume, sistemele PV autonome (având rolul de a converti curentul continuu în curent alternativ), acestea diferă esențial de invertoarele utilizate pentru sistemele fotovoltaice conectate la rețea. Există o clasificare, astfel sunt sisteme în care curentul continuu este utilizat direct (fără baterii), tensiunile sistemului (anume tensiunea la baterie) sau tensiunea sarcinii în cazul sistemului PV (fără baterie) este de: 12 Vc.c., 24 Vc.c, respectiv 48 Vc.c.

6.2 Tipuri de sisteme fotovoltaice

Sisteme autonome

Sisteme hibride

Sisteme conectate la retea

Sisteme autonome

Sistemele autonome se bazeaza doar pe energia solara pentru a asigura necesarul de energie electrica.

Sisteme hibride

Sistemele hibride sunt independente de reteaua electrica si se compun dintr-un generator fotoelectric, asociat cu eoliana sau grup electrogen cu motor cu ardere interna, sau cu ambele.

Sisteme conectate la retea

Sistemele de producere a energiei fotoelectrice, conectate la retea, sunt rezultatul tendintei de descentralizare a retelelor electrice.

6.3 Bateriile de acumulatoare

În cazul sistemelor electrice autonome, stocarea energiei este asigurată, de cele mai multe ori, de acumulatoare (acumulatoarele fiind esențiale pentru buna funcționare a sistemelor autonome). În principiu, elementele de stocare ar reprezenta aproximativ 13-15% din investiția inițială, având în calcul o durată de exploatare de 20 de ani. Bateriile de acumulatoare fiind de tipul plumb-acid, compunându-se din: doi electrozi de plumb și oxid de plumb, poziționați într-un electrolit compus din acid sulfuric diluat.

Clasificare în funcție de tipul acestora, precum și de avantajele și dezavantajele prevăzute:

Sunt întâlnite doua tipuri de baterii de plumb de acest gen, astfel:

baterii cu electrolit lichid

baterii cu electrolit stabilizat

Bateriile cu electrolit lichid

Genul acesta de baterii este caracterizat prin constituirea acestora dintr-un recipient (în care se alternează plăci pozitive și plăci negative, desigur, separate de distantoare izolate); recipientul așadar, este prevăzut ca fiind închis cu un dop necesar pentru a evita corodarea internă și scurgerea electrolitului.

Avantaje: prin urmare dacă construcția este simplă, automat va fi și ieftină.

Dezavantaje: în ceea ce privește păstrarea și utilizarea bateriilor de acest gen, se vor păstra și utiliza în poziție orizontală, în așa fel încât electrolitul să se scurgă prin orificiul de egalizare a presiunii din dop, iar atunci plăcile nu vor mai fi scufundate în electrolit.

Bateriile cu electrolit stabilizat (se mai numesc și baterii cu recombinare a gazului)

În cazul de față o caracteristică principală este aceea că electrolitul nu mai este lichid, ci sub formă de gel.

Avantaje: acest gen de baterii asigură etanșeitate totală, prin urmare nu există niciun risc de degajări de gaze.

Dezavantaje: prin existența gelului, produsul este așadar, mai tehnic, astfel acest tip de baterii sunt mai costisitoare.

În ceea ce privește utilizarea acestor baterii se va specifica faptul că acestea se utilizează în cazul în care există un decalaj între perioadele de solicitare a energiei precum și în perioadele însorite. Concluziționând, se va specifica faptul că alegerea tipului de baterie se va face în funcție de puterea medie zilnică, precum și în funcție de timpul necesar de stocare.

Fig. 6.1 – Caracteristicile generatoarelor fotoelectrice și ale bateriei

[Ghioc Cristian]

Caracteristica bateriilor se adaptează suficient de bine caracteristicilor generatoarelor fotoelectrice (ele funcționează la tensiune cvasi-constantă), conform schemei de mai sus. Pentru a plasa punctul de funcționare în punctul de putere maximă, este suficient să se dimensioneze bateria, prin urmare, tensiunea sa (tensiunea corespunzătoare puterii maxime), se modifică la o scară redusă în funcție de iluminare.

6.4 Regulatoarele de sarcină

În ceea ce privește sistemele fotoelectrice, se pot utiliza mai multe genuri de regulatoare (ele controlează fluxul de energie, fiind necesar să protejeze bateria de supraîncarcare-solară și de descărcare gravă-consumatori). Pe lângă toate acestea regulatoarele sunt cele care asigură supravegherea și siguranța instalației.

Clasificarea regulatoarelor se realizează în trei categorii principale de regulatoare, astfel:

Regulatoarele serie sunt acele regulatoare care conțin un întrerupator între generatorul fotoelectric și bateria de acumulatoare (pentru întreruperea încarcării).

Regulatoarele paralele sunt cele care scurtcircuitează generatorul fotoelectric la finalul încarcării bateriei de acumulatoare.

Regulatoarele ce urmăresc punctul de putere maxim (MPPT-MAXIMUM POWER POINT TRACKING), sunt cele care urmăresc permiterea extragerii din câmpul de celule (în mod permanent) a maximului de putere.

6.4.1 Regulatoare serie

Fig. 6.2 – Schema de principiu a regulatorului serie

[Ghioc Cristian]

Conform cu schema se va observa faptul că întrerupatorul de încărcare este în serie cu bateria, el deschizându-se când bateria este încărcată.

Prin urmare concluzia este urmatoare:

Avantajele vor fi: tensiunea la bornele întrerupătorului este mică.

Dezavantajele vor fi: față de regulatoarele de tip paralel legate de faptul că întrerupătorul determină o cădere de tensiune suplimentară între panouri și baterie.

6.4.2 Regulatoare paralel

Fig. 6.3 – Schema de principiu a regulatorului paralel

[Ghioc Cristian]

Caracteristici: panourile solare sunt conectate direct la baterii pe durata încărcării, iar cand acestea sunt încarcate, panourile vor fi scurtcircuitate. Este necesar să fie prevăzută dioda de separare, în schemă, cu scopul de a nu scurtcircuita bateria în momentul în care întrerupătorul este închis (dioda asigurând pe lângă toate acestea și blocarea curentului nocturn ce ar putea să apară între baterie și panou).

În continuare, vor fi precizate doar dezavantajele și anume: întrerupatorul este solicitat de întreaga tensiune a panoului (vor apărea probleme de protecție la supratensiuni); un alt dezavantaj este cel legat de solicitarea termică a întrerupatorului care poate fi importantă la valori mari ale curentului.

6.4.3 Regulatoare de tip MPPT

Aceste regulatoare sunt concepute cu scopul de a asigura extragerea puterii maxime din panourile solare (aceasta permitând recuperarea maximului de energie, neținându-se cont de temperatură și iluminare). Pe de alta parte, tensiunea și curentul sunt măsurate, cu scopul de a se deduce puterea extrasă din panou (puterea fiind comparată cu valoarea anterioară a acesteia, iar rezultatul comparării va fi ca tensiunea la bornele panoului este crescută/redusă).

Regulatoarele MPPT se clasifică în mai multe tipuri, fiecare dintre acestea fiind realizate pentru o anumită aplicație. Cu alte cuvinte se vor enumera niște parametrii în continuare, în funcție de precizia și robustețea acestor regulatoare, astfel :

randamentul global al sistemului dorit de constructor

tipul de convertor static ce permite adaptarea și conectarea la sarcină (c.c.-c.c., c.c.-c.a.), ori la rețeaua electrică

aplicația dorită (sistemele autonome, spațiale, etc.)

caracteristicile sistemului MPPT, în funcție de viteza de reacție, de calitate

tipul de realizare (analogică, numerică, mixtă)

Caracteristici în funcție de avantaje și dezavantaje:

Avantaje: se asigură recuperarea excesului de energie pe durata iernii prin intermediul funcționării într-o plajă foarte largă de temperaturi.

Dezavantaje: se va face referire la investiția care devine rentabilă în urma analizei pierderilor induse de regulatorul MPPT și de convertoarele c.c.-c.c.

6.5 Convertoare statice

În funcție de aplicație, se utilizează convertoare statice pentru adaptarea puterii generate la necesitațile sarcinii. În principal, există convertoare c.c.-c.c., care adaptează tensiunea de c.c. furnizată de panourile fotoelectrice la necesitățile sarcinii și convertoare c.c.-c.a., care transformă energia de c.c. în c.a., pentru alimentarea sarcinilor corespunzatoare.

6.5.1 Convertoare statice c.c.-c.c.

Acest gen de convertoare (VARIATOARE DE TENSIUNE CONTINUA – VTC), au rolul de a transforma o tensiune continuă (a bateriei), într-o tensiune continuă însa cu valoare diferită, necesară pentru alimentarea sarcinilor.

Clasificare VTC:

VTC ridicător: între intervalele în care intrerupătorul este închis, se va înmagazina în bobina energie de baterie, iar la deschiderea întrerupătorului se va observa apariția unei supratensiuni transferată condensatorului și sarcinii, acțiuni determinate de tensiunea de autoinducție a bobinei împreună cu sursa. Dioda (de separare) împiedică în continuare, descărcarea condensatorului pe intervalele în care întrerupatorul este închis. Pe de altă parte, condensatorul filtrează tensiunea continuă la ieșire, reducandu-i astfel pulsațiile.

În ceea ce privește randamentul unor astfel de convertoare, acesta va fi de 70%, putând atinge 85-90% pentru cele mai performante.

Fig. 6.4 – Schema de principiu a unui VTC ridicător

[Ghioc Cristian]

VTC coborâtor: caracteristic acestui gen, este faptul că tensiunea la ieșire este mai mică decât a bateriei, acestea fiind utilizate la aparate radio (pentru alimentarea sarcinilor cu tensiune mai mică decât a sarcinilor). Atunci când întrerupatorul este închis, se va asigura de către energia înmagazinată în bobină, mentinerea nenulă a curentului, ce se va închide pe aceste intervale, prin intermediul diodei (de nul).

În ceea ce privește randamentul acestor convertoare, acesta va fi de 80-90%.

Fig. 6.5 – Schema de principiu a unui VTC coborâtor

[Ghioc Cristian]

6.5.2 Convertoare statice c.c.-c.a.

Caracteristici: Se mai numesc și inveroare, putând fi utilizate pentru alimentarea sarcinilor izolate, dar și pentru conectarea generatoarelor fotoelecrtice la rețea. Prin urmare deformațiile formei de undă ce se datorează comutațiilor, pot produce perturbații în funcționarea celulelor fotoelectrice (normele de construcție a panourilor fotoelectrice integrează standardele IEEE).

Acest gen de converoare supranumite ''invertoare'', pot genera o formă de undă sinusoidală (mai rar însa), precum și forma de undă dreptunghiulară (unda plină), sau pseudosinusoidală. Alegerea tipului de invertor se va realiza în funciție de echipamentele ce trebuiesc alimentate. Prin definiție, inveroarele autonome sunt convertoare destinate alimentării sarcinilor de curent alternativ, având ca punct de plecare o sursă de curent continuu.

Clasificarea în funcție de aplicație:

să furnizeze una sau mai multe tensiuni alternative de frecvență și aplitudine constante, astfel: cu privire la sursele de rezervă ce sunt destinate să înlocuiască rețeaua în cazul defectării acesteia.

să furnizeze tensiuni/curenți alternativi de frecvență și amplitudini variabile, astfel: cu privire la invertoarele destinate alimentării motoarelor de curent alternativ (sincrone sau asincrone) în care este necesar să funcționeze cu viteză variabilă.

6.6 Invertoare de tensiune

Invertorul se definește ca fiind o foarte importantă componentă a acestor sisteme. Tot el este cel care face posibilă conectarea mai multor panouri solare în baterii, sisteme electrice, alimentări cu energie în unele rețele, etc. În ceea ce privește cea mai importantă sarcină a acestuia este reprezentată de ceea de a transforma curentul continuu în curent alternativ. În ceea ce privește dezavantajele se va puncta faptul că acestea nu sunt tocmai ieftine, prețul fiind stabilit în funcție de capacitatea de pompare a acestora, iar un alt dezavantaj este acela că ele vor putea să se suprapună cu radiourile sau cu telefoanele mobile. Pe de altă parte avantajele sunt urmatoarele: protecția la scurt-circuit la intrare-ieșire, protecția la suprasarcină, la supraincălzire, la supravoltare, subvoltare, ofera informații despre puterea consumată și tensiunea bateriei, etc.

Caracteristici:

puterea nominală (consum la ieșirea de 230 V)

forma undei de ieșire

au unda sinusoidală pură, sau unda sinusoidală modificată (sunt mai accesibile la preț, însă nu se potrivesc la echipamente electrice/electronice ce folosesc motoare alimentate direct la 230 V.

Capitolul 7 – Proiectarea unui sistem de irigații cu sursa de energie electrică autonomă fotovoltaică

7.1 Stabilirea echipamentelor necesare

În primul rând pentru a proiecta un astfel de sistem, este necesar să se cunoască primii pași de realizarea acestuia. În cazul de față sa început de la această schemă (Fig. 7.1) în care am considerat că suntem într-o zonă rurală unde se va avea în vedere irigarea prin picurare a unei grădini cu legume (roșii), iar ca sursă de apă va fi folosit un puț forat.

Fig. 7.1 – Schemă sistem

Pentru cazul de față avem nevoie de urmatoarele echipamente:

1 panou fotovoltaic

1 regulator de încărcare/controller solar

1 acumulator

1 pompă submersibilă de curent continuu

1 bazin de stocare a apei din puț

1 plutitor electric

sistemul de irigare

7.2 Stabilirea suprafeței ce va fi irigată

Mai departe se va pune problema despre terenul care va fi irigat, mai exact grădina cu roșii.

Fig. 7.2 – Terenul

Am considerat terenul ca fiind o grădină cu roșii, exact cum am specificat și în capitolele anterioare, având o suprafață de 750 mp, mai exact 50 metri lungime și 15 metri lățime. Urmatorul pas este acela de a se afla distanța dintre răsaduri și distanța dintre rânduri. Acestea fiind necesare pentru a se afla totalul de răsaduri de roșii din grădină.

Distanțele pe care le-am adoptat sunt:

1 metru distanța dintre rânduri (așadar vom avea 16 răsaduri)

50 cm distanța dintre răsaduri

Astfel că vom avea un total de 1600 de răsaduri de roșii în grădină.

Suprafață teren

lungime 50 m = 5000 cm

lățime 15 m = 1500 cm

lungime x lățime = mp (metri pătrați)

50 m (lungimea terenului) x 15 m (lățimea terenului) = 750 mp

Răsaduri de roșii în gradină

5000 cm (lungimea terenului) : 50 cm (distanța dintre răsaduri) = 100 (răsaduri de roșii pe un singur rând)

100 (răsaduri pe un singur rând) x 16 (rânduri) = 1600 (total răsaduri de roșii în grădină)

7.3 Necesarul de apă

În ceea ce privește etapa urmatoare cu referire la grădina de roșii, cantitatea medie de apă necesară pentru o grădina cu roșii este de 20 de litri/mp/săptămână.

20 l/mp/săpt x 750 mp = 15000 l/săpt

15000 l/săpt x 7 zile = 2142 l/zi

Astfel că din cele două calcule de mai sus reiese că grădina cu roșii va consuma zilnic în medie de 2142 de litri de apă.

Considerând că avem un bazin de stocare a apei, cu o capacitate de 200 de litri, rezultă că pompa va funcționa de 11 ori pe zi.

2142 l/zi (consumul de apă al grădinii într-o singură zi) x 200 l (capacitatea de stocare a bazinului) = 10,71 ≈ 11 (pompa va funcționa de 11 ori pe zi)

7.4 Înălțimea de pompare

Mai departe în desenul de mai jos (Fig. 7.3) este reprezentat înălțimea de pompare care este de 30 de metri, respectiv diametrul puțului care este de 20 cm.

Fig. 7.3 – Înălțimea de pompare

7.5 Alegerea pompei

Așadar în următoarea etapa am ales pompa solară submersibilă: Shurflo Standard 8000-443-136, deoarece respectă criteriile care ne interesează și anume:

tensiunea de funcționare să fie de 12 Vc.c.

înălțimea de pompare

diametrul acestuia pentru a nu depăși pe cel al puțului

Caracteristicile tehnice ale pompei sunt:

tensiunea de funcționare 12 Vc.c.

înălțimea maximă de pompare 30 m

debitul este de 5,9 l/min

diametrul pompei este de 110 mm

puterea 50,4 W

Fig. 7.4 – Pompa solară submersbilă Shurflo Standard 8000-443-136

[http://www.phaesun.com/components/product-range/product-detail/pumps/shurflo-pumps/shurflo-1224-v-pressure-and-delivery-pumps/pump-shurflo-standard-8000-443-136.html]

În continuare voi prezenta caracteristicile pentru temperaturi ridicate, respectiv eficiența pompei în funcție de debit și presiune.

Fig. 7.5 – Caracteristica temperaturi-timp

[http://www.altestore.com/mmsolar/others/specs_8000-443-136.pdf]

Fig. 7.6 – Caracteristica presiune-debit

[http://www.altestore.com/mmsolar/others/specs_8000-443-136.pdf]

7.6 Duratele de umplere și golire a bazinului

Mai departe se vor preciza duratele de umplere și de golire a bazinului de stocare a apei:

durata de umplere va fi de 33,8 minute

durata de golire va fi de 134,5 minute

200 l (capacitatea bazinului) : 5,9 l/min (debitul pompei în litri pe minut) = 33,8 minute

2142 l/zi (totalul de apă consumat zilnic de gradină) : 24 ore = 89,25 l/oră

89,25 l/oră : 60 min = 1,487 l/min

200 l : 1,487 l/min = 134,5 minute

Cu toate acestea există un lucru care trebuie precizat. Odată cu umplerea bazinului va avea loc o pierdere datorată faptului ca robinetul bazinului este în permanenta deschis pentru a alimenta grădina.

Astfel încât se va depași timpul de umplere al bazinului. În funcție de această pierdere s-a calculat durata reală de umplere a bazinului.

5,9 l/min (debitul pompei în l/min) – 1,487 l/min (durata de golire a bazinului într-un minut) = 4,413 l/min

200 l (capacitatea bazinului) : 4,413 l/min = 45,32 minute

Se observă că de data aceasta debitul va fi de 4,413 l/min, asta însemnând că bazinul se va umple în 45,32 minute.

7.7 Funcționarea pompei într-o zi

În continuare pentru a afla energia electrică necesară pompei într-o zi, s-a calculat mai întâi durata de funcționare a pompei într-o zi.

45,32 min (durata reală de umplere a bazinului) x 11 (numarul de funcționări ale pompei într-o zi) = 498,52 min/zi

498,52 min/zi : 60 = 8,3 ore/zi

7.8 Energia electrică necesară pompei pentru funcționarea timp de 8,3 ore/zi

Se observă că pompa va funcționa 8,3 ore/zi, iar energia electrică necesară pompei va fi de 418,32 W/zi.

7.9 Alegerea bateriei de acumulatoare

Mai departe se va alege bateria de acumulatoare. În această etapă sunt doua calcule de efectuat și anume:

energia bateriei

capacitatea bateriei

Energia bateriei va fi de 557,76 Wh. Iar în calculul capacitații bateriei intervine o necunoscută foarte importantă și anume se referă la numarul de zile în care nu avem Soare pe cer. Pentru a afla acest numar de zile, va trebui să aflăm cât timp este Soare pe cer.

Observație 7.1: Această observație vine ca o aducere aminte că sistemul de irigare va funcționa doar 5 luni într-un an, și anume:

Mai

Iunie

Iulie

August

Septembrie

Deoarece calendarul grădinii cu legume ne precizează că în luna Mai se vor pune răsadurile în grădină, iar în lunile August și Septembrie se vor culege roșiile din grădină.

Cu ajutorul site-ului oficial al Observatorului Astronomic Amiral Vasile Urseanu (http://www.astro-urseanu.ro), am aflat că în lunile Mai, Iunie, Iulie, August și Septembrie avem o medie de 14 ore în care este Soare pe cer.

În tabelul de mai jos (Tabelul 7.1) sunt reprezentate lunile în care va funcționa sistemul de irigare, cât Soare avem pe cer, respectiv calendarul grădinii cu legume.

Tabelul 7.1 – Soare pe cer și calendarul grădinii

24 ore – 14 ore = 10 ore/zi (fără Soare pe cer)

10 ore/zi x 7 zile = 70 ore/săpt

70 ore/săpt : 24 ore = 2,9 ≈ 3 zile/săpt (fără Soare pe cer)

Așadar din cele 3 calcule rezultă că vom avea un aproximativ de 3 zile/săptămână fără Soare pe cer.

Capacitatea bateriei va fi de 139,4 Ah, așadar am ales bacteria solara Deep Cycle cu tensiunea de 12 V și cu o capacitate de 140 Ah.

Fig. 7.7 – Bateria solara Deep Cycle

[http://shop.ecosolaris.ro/acumulator-cu-gel-deep-cycle-12V-140Ah]

7.10 Alegerea panoului fotovoltaic

Din acest calcul rezultă că vom avea nevoie de un panou fotovoltaic cu puterea de 597,6 W.

Fig. 7.8 – Panou fotovoltaic

[http://www.esolar.ro/images/detailed/2/Panouri_fotovoltaice_monocristaline_electrice_IPM_295W.jpg]

Așadar am ales un panou fotovoltaic monocristalin cu o putere de 600 W. Am ales tehnologia monocristalină, deoarece are eficiența cea mai mare.

Tabelul 7.2 – Randamente

Tabelul 7.3 – Caracteristici tehnice ale panoului fotovoltaic

7.11 Alegerea regulatorului de încărcare (controler solar)

În continuare vom trece la alegerea regulatorului de încărcare, adică a controlerului solar. Acest controler solar are rolul de a menține bateria încărcată la capacitate maximă și să o protejeze împotriva descărcării.

Fig. 7.9 – Controler solar

[http://www.dhgate.com/sun-solar-power-solar-installation-12v-24v/p-ff80808138a2df000138b15baaa87c28.html#s1-3-1]

Așadar am ales acest controler solar (CE RoHs solar charge controller ), deoarece are capacitatea de a suporta puterea panoului fotovoltaic. Puterea maximă suportata de acest controler solar este de 720 W.

Caracteristici tehnice:

LCD Display

tensiunea de funcționare 12 V

curentul maxim 60 A

puterea maximă suportată de un panou fotovoltaic 720 W

7.12 Sistemul de irigare

În această etapă se va alege echipamentul necesar pentru sistemul de irigare. Așadar din cate se observă în figura de mai jos (Fig. 7.10) am vrut să fie cât mai economic și am ales să pun linia de picuratoare la fiecare 2 rânduri, astfel ca ne-a ieșit un total de 440 metri de furtun necesari în grădină.

Fig. 7.10 – Dimensiunile sistemului de irigare

Echipament necesar:

1 robinet

3 coturi

5 T-uri

1 intersector

8 doape de capăt

1600 de picuratoare reglabile

440 metri furtun

7.12.1 Setarea picurătoarelor

2142 l/zi (totalul de apă consumat zilnic) : 1600 (răsaduri de roșii) = 1,3 l/zi (pentru fiecare răsad)

1,3 l/zi : 24 ore = 0,05 l/oră = 50 ml/oră (pentru fiecare picurătoare)

Așadar picurătoarele vor fi setate la 50 ml/oră fiecare.

Fig. 7.11 – Picurătoare reglabilă

[http://pepiniera-emma.ro/picuratori-atasati-dripere/294-picurator-ardas-reglabil0-70l-h.html]

7.12.2 Bazinul cu apă

Capacitatea bazinului este de 200 litri, astfel că va fi prevăzut cu un plutitor electric cu întrerupător.

Fig. 7.12 – Plutitor electric cu întrerupător

[http://centraleieftine.allshops.ro/produs/1844579/FLOTOR+ELECTRIC+6+M.html]

Funcționarea plutitorului electric cu întrerupător:

când apa va atinge limita maximă, plutitorul electric va comunica pompei să se oprească din funcțiune

iar când apa din bazin va atinge minimul, plutitorul electric va comunica pompei să pornească pentru a umple din nou bazinul

Fig. 7.13 – Funcționare plutitor electric

[https://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.valrom.ro%2Ffiles%2F%3Fid%3D102&ei=r_zaUYLbNIzXPPXwgMgC&usg=AFQjCNHzQP4VCiAan7mpr2ZGgnqzV9iTOA&sig2=tc_9-H_q1THEuHwBAmsDYg&bvm=bv.48705608,d.ZWU]

7.13 Instalația electrică

Fig. 7.14 – Instalația electrică

În figura de mai sus (Fig. 7.14) este prezentată efectuarea legăturilor la instalația electrică. Culoarea roșie este plusul, iar culoarea albastră este minusul.

7.14 Înclinația optimă

În continuare se va calcula înclinația optimă pentru panoul fotovoltaic. Mai întâi de toate vom specifica exact coordonatele geografice unde va fi instalat panoul fotovoltaic. După cum știm încă din primul capitol, coordonatele geografice sunt:

Latitudine: 44˚ 45’ 57’’ Nord (44 grade, 45 minute și 57 secunde – Nord)

Longitudine: 24˚ 53’ 59’’ Est (24 grade, 53 minute și 59 secunde – Est)

Cu ajutorul site-ului oficial al Comisiei Europene JRC (JRC=Centrul Comun de Cercetare) http://re.jrc.ec.europa.eu, după introducerea coordonatelor geografice pentru lunile Mai, Iunie, Iulie, August și Septembrie, reiese că înclinația optimă (unghiul de elevatie) pentru aceste luni va fi de 60˚ orientat catre Sud. Site-ul ne va genera pentru fiecare lună câte un grafic în care ne specifică poziția Soarelui pe cer pentru fiecare lună.

Fig. 7.15 – Înălțimea Soarelui pe cer în luna Mai

Fig. 7.16 – Înălțimea Soarelui pe cer în luna Iunie

Fig. 7.17 – Înălțimea Soarelui pe cer în luna Iulie

Fig. 7.18 – Înălțimea Soarelui pe cer în luna August

Fig. 7.19 – Înălțimea Soarelui pe cer în luna Septembrie

7.15 Costuri

Tabelul 7.4 – Costuri

7.15.1 Calcul de amortizare investiție

În categoria costuri se observă un total de 7837 lei, în schimb calculul de amortizare a investiției ne liniștește, deoarece dacă luăm în considerare că 1 kg de roșii este 2,5 lei, respectiv un răsad de roșii va produce în medie 2 kg, după calculele de mai jos, reiese un venit de aproximativ 8000 lei.

1600 (răsaduri de roșii) x 2 (kg/răsad) = 3200 kg (roșii)

3200 (kg roșii) x 2,5 lei = 8000 RON

7.16 Concluzie

În concluzie deși se va investi o sumă mare de bani pentru acest sistem de irigare, totul va fi recuperabil chiar din primul an, mai ales în urmatorii ani când profitul se va contura substanțial.

7.17 Proiectarea unui sistem de laborator

7.17.1 Configurația sistemului

Mai departe se va avea în vedere proiectarea unui sistem de laborator pentru a se vedea principiul de funcționare. Planul de la care s-a gândit construirea acestui sistem va fi identic ca cel de dinainte la care proiectarea a fost făcuta pentru un sistem real.

Stabilirea configurației sistemului va fi urmatorul:

panou fotovoltaic

controler solar

baterie de acumulatoare

pompă submersibilă de curent cotinuu

proiector cu halogen

sistem picurare

rezervor plastic pentru puț

rezervor plastic pentru stocarea apei

ampermetru

voltmetru

buton start/stop

masa care va avea rolul de susținere a tuturor componentelor

7.17.2 Ansamblul de susținere a componentelor

În primul rând vom începe cu masa care are rolul de susținere a tuturor componentelor ce le-am enumerat mai sus. Mai jos se găsesc doua figuri realizate în softul CATIA. Figuri în care am gândit cum să fie realizată. În prima figură (Fig. 7.20) este o vedere de ansamblu în 3D a suportului ce urmeaza a fi realizat practic, respectiv în cealaltă figura (Fig. 7.21) sunt prezentate dimensiunile.

Fig. 7.20 – Ansamblu 3D

Fig. 7.21 – Ansamblu support dimensiuni

Mai departe voi trece la fiecare componentă ce se află pe această masă suport, iar la final va fi prezentat macheta finală. În primul rând voi începe cu controller-ul solar.

7.17.3 Controller solar

Fiindca am ales tensiunea de 12V, am ales un controller de încărcare solar de 12V/24V Steca Solsum 6.6F. În cele doua figuri de mai jos (Fig. 7.22 și Fig. 7.23) sunt prezentate o imagine cu acest controller, respectiv controller-ul cu dimensiunile lui.

Fig. 7.22 – Controller de încărcare solar

[http://www.voelkner.de/products/204190/Solar-Laderegler-Steca-Solsum-6.6-F.html]

Fig. 7.23 – Dimensiuni controller de încărcare solar

[http://www.steca.com/index.php?Steca_Solsum_F_en]

7.17.4 Bateria de acumulatoare

Bateria de acumulatoare va fi tot de 12V cu o capacitate de 8 Ah Plumb-Acid Dry Battery YB7L-B 50712. În cele doua figuri de mai jos (Fig. 7.24 și Fig. 7.25) sunt prezentate o imagine a bateriei, iar în cea de-a doua figură este prezentată bateria cu dimensiunile ei.

Fig. 7.24 – Dry Battery YB7L-B 50712

Fig. 7.25 – Dimensiunile bateriei

7.17.5 Panoul fotovoltaic

Panoul fotovoltaic are urmatoarele caracteristici tehnice:

Putere maxima 20 Wp

Tensiunea de mers în gol 21,96 V

Curentul în scurtcircuit 1,27 A

Tensiunea în punctul de putere maxim 17,82 V

Curentul în punctul de putere maxim 1,14 A

Tensiunea maximă a sistemului 1000 Vc.c.

În cele două figuri de mai jos (Fig. 7.26 și Fig. 7.27) se află imaginea panoului, respectiv dimensiunile acestuia.

Fig. 7.26 – Panoul fotovoltaic

Fig.7.27 – Dimensiunile panoului fotovoltaic

7.17.6 Pompa submersibilă de curent continuu

Pompa submersibilă este de curent continuu, cu o tensiune de 12 V, puterea 15-24 W, debitul maxim este de 10 l/min, presiunea 0,5 bar, iar înălțimea maximă de pompare 5 metri. Pompa submersibilă se numește Comet Elegant. Mai jos este prezentată imaginea pompei, respectiv dimensiunile ei.

Fig. 7.28 – Pompa submersibilă

[http://www.amazon.co.uk/Comet-Elegant-Submersible-Pump-Design/dp/B0013DU490]

Fig. 7.29 – Dimensiunile pompei

[http://www.comet-pumpen.de/fileadmin/pdf/pumpen_datenblaetter/Datenblatt_ELEGANT_1300.01.00.pdf]

Mai jos se află și o diagramaă în care indică presiunea, debitul și curentul pompei.

Fig. 7.30 – Diagrama de capacitate

[http://www.comet-pumpen.de/fileadmin/pdf/pumpen_datenblaetter/Datenblatt_ELEGANT_1300.01.00.pdf]

7.17.7 Panoul de control

Panoul de control are rolul de a porni sau opri tot sistemul, respectiv de a masura tensiunea și curentul de la panoul fotovoltaic, bateria de acumulatoare și pompa de apă. Mai jos este prezentat schema electrică, respectiv panoul de control de pe machetă.

Fig. 7.31 – Schema electrică

Fig. 7.32 – Panou de control

7.17.8 Sistemul de irigații

Sistemul de irigații prin metoda de picurare, conține 6 picurătoare reglabile. Acest sistem va picura pe o tavă din plastic de culoare albă, scurgerea făcându-se în bidonul din plastic instalat sub masă ce are rolul unui puț. Pompa din acest puț, va urca apa la anumite intervale în rezervorul din plastic instalat la 21 de cm înalțime față de masă. Cele două bidoane din plastic, au capacitatea fiecare de 20 de litri. Rezervorul ce colectează apa din puț, are instalat un flotor cu un microcontact pentru a întrerupe pompa atunci când apa din rezervor atinge limita maximă. În figurile de mai jos sunt prezentate urmatoarele:

sistemul de picurare

puțul

rezervorul ce colectează apa din puț

Fig. 7.33 – Sistem picurare

Fig. 7.34 – Puțul și rezervorul ce colectează apa din puț

7.17.9 Realizarea practică finală

Fig. 7.35 – Macheta finală

7.17.10 Măsuratori

Mai jos am efectuat câteva măsuratori pentru câteva teste. Am măsurat 2 zile la rând între orele 11:30 și 12:30 în interval a câte 5 minute tensiunea și curentul în funcție de radiația solară.

Tabelul 7.5 – Măsuratori 8.07.2013

Tabelul 7.6 – Măsuratori 9.07.2013

Din cele două tabele se observă că la curentul din baterie apare cu minus, deoarece arată că bateria se încarcă.

Fig. 7.36 – Radiația solară

7.17.11 Concluzie finală

Conform tuturor celor enumerate mai sus concluzia poate avea un întreg bagaj de informații, însă toate acestea vor rămâne la aprecierea fiecăruia dintre noi. În legătură cu susținerea avantajelor acestui sistem fotovoltaic, detaliile legate de acest sistem sunt multiple.

Un prim detaliu de care este necesar să se țină cont este strâns legat de faptul că deși sistemele fotovoltaice folosite în diverse domenii sunt destul de costisitoare ca preț, dacă sunt folosite într-o ordine logică a lucrurilor (și anume sunt urmărite detalii cu privire la ceea ce vrem sa obținem, detalii legate de consum, preț, cu alte cuvinte folosirea acestora exercită niște cunoștințe legate de avantaje și dezavantaje), se pot obține profituri mari încă din primul an, profituri ce vor elimina orice urmă de regret în cazul persoanei care a avut o oarecare stare de incertitudine în privința folosirii acestui sistem.

Un alt detaliu foarte important de care multe persoane țin cont din dorința de conservare a naturii înconjuratoare, este acela cu privire la faptul că acest sistem de irigații nu poluează, neafectând mediul înconjurator, prin urmare neafectând sănătatea noastră. Precizând toate acestea se va specifica și avantajul major și anume acela că acest sistem produce energie electrică gratuită! Tehnologia a avansat în zilele noastre și la fel ca în celelalte domenii un mare minus este acela legat de faptul că această tehnologie nu se află pe o poziție tocmai înaltă în ceea ce privește clasamentul de pe piață (acest lucru poate fi datorat fie din cauza riscului legat de necunoaștere – multe persoane preferând practicarea vechilor sisteme legate de ceea ce știu deja sau de ceea ce au ales ani întregi în diverse domenii și nu în ultimul rând riscul financiar – neștiind detalii precise, acestea consideră că pot eșua, afacerea finalizându-se cu un eșec financiar din punctul lor de vedere).

În altă ordine de idei, în ceea ce privește afacerea cu sisteme de irigare pentru grădinile de legume, mai exact de roșii, poate fi o afacere destul de profitabilă în acest sens incluzându-se panourile fotovoltaice, acțiune ce va duce la o extindere majoră, o data cu obținerea unui profit respectabil.

De exemplu se va preciza faptul că în lucrarea de față s-a calculat un profit de aproximativ 8000 de lei într-un an pe un teren de 750 de metrii pătrați având un cost de 2,5 lei/kg. În cazul de față dacă investitorul va include alături de terenul specificat și o seră pe suprafața acestuia, câștigurile vor fi undeva la dublu, poate chiar triplu, deoarece roșile se vor coace mult mai devreme, în momentul în care acestea se vor vinde cu circa 5 lei/kg sau poate chiar mai mult.

Finalizând cele spuse, indiferent cât ni s-ar părea de dificil (în orice domeniu, fie că nu am mai încercat) este necesar să fim chiar primii care încercă și nu fără a ne interesa de detaliile legate de acțiunea/sistemul pe care dorim să-l practicăm, deoarece putem obține un profit mare și putem avea multiple avantaje numai dacă încercăm și dacă ne calculăm parametrii logici ce ne vor duce cu siguranță, nu la un eșec, din contră la un profit mic, ce va deveni major odata cu trecerea timpului, profit ce va duce la o maximă extindere și ne va călăuzi spre succes și respect, iar sloganul să fie întotdeauna: ''Ce nu știm, să încercăm și profitu-l câștigăm!''

Bibliografie

Anexe

Anexa 1

Anexa 2

Anexa 3

Anexa 4