București, iulie 2019 Universitatea POLITEHNICA din București [629479]

București, iulie 2019 Universitatea POLITEHNICA din București
Facultatea de Inginerie Electrică

PROIECT DE DIPLOMĂ

Sistem de auto -orientare a panourilor
fotovoltaice

Absolvent: [anonimizat]

2

CUPRINS
INTRODUCERE………………………………………………………………… ……………………………….. 3
CAPITOLUL 1. Sisteme solare fotovoltaice. Elemente te oretice …………………………. …….. 4
1.1 Celula fotovoltaică. Funcționare. Clasificare …………………………………………. ……. 4
1.2 Panoul fotovoltaic. Structură. Tipuri ………………………………………….. ……….. …….. 6
1.2.1 Celulele fotovoltaice în sistemele fotovoltaice ………………………… ………….. 6
1.2.2 Sisteme de orientare a panourilor fotovoltaice …………………………. ……… …. 11
A. Sistemele de orient are pe o singură axă ……………………………… …………… 11
B. Sistemele de orientare pe o două axe ………………………………….. ………….. 12
1.3 Determinarea po ziției soarelui ……………………………………………… ….. 12
1.3.1 Sistemele de urmărire solar ă cu buclă deschisă ………………… ……….. 14
1.3.2 Sistemele de urmărire solar ă cu buclă închisă ………………… ………… 17
CAPITOLUL 2. Sistem de auto -orientare a panourilor fotovoltaice. Dimensionare și
realizare …………………………………… ……………………………………………………………………. … 24
2.1 Principiul de funcționare…………………………………………………………………….. …… 24
2.2 Elemente componente ………………….. …………………………………………………. ……. 27
2.2.1 Elemente mecanice…………………………………………………………………… ….. 28
2.2.2 Elemente electronice …………………………………….. ………………………… ….. 29
2.2.3 Schema de montaj ……………………………………………………………………. …. 31
2.3 Funcții implementate ………………………………………………………………………… … 33
2.4 Rezultate experimentale …………………………………………………………………….. … 33
CAPITOLUL 3. Sistem d e auto -orientare a panourilor fotovoltaice. Analiză tehnico –
economică ……………………………………………………………………………………………………. … 36
CONCLUZII……………………………………………… ……………………………………………………. 39
BIBLIOGRAFIE …………………………………………………………………………………………….. 41

3
INTRODUCERE
Obiectivul acestui proiect de diplomă este de a realiza un sistem de auto -orientare fizic și de a
pune în evidența avantajele și dezavantajele acestuia, atât din punct de vedere t ehnic (aspecte
inginerești), ce țin de normele, standardele și metodele de proiectare, cât și din pu nctul de
vedere al utilizatorului final, ce țin în principal de costurile de realizare efectivă a acestuia.
Atingerea obiectivului propus s -a realizat pri n următoarea structură a cercetării.
În Capitolul 1 sunt prezentate noțiuni teoretice privind sistemele fotovoltaice,
pornind de la descoperirea efectului fotovoltaic, continuând cu modurile de realizare a
celulelor fotovoltaice, respectiv a sistemelor fo tovoltaice. Noțiunile teoretice includ și
aspectele ce privesc metodele de montare a panourilor fotovoltaice, pe sisteme fixe sau
sisteme cu mecanism de auto -orientare. În final, capitolul prezintă cele două modalități
folosite în prezent de determinare a poziției soarelui și anume utilizând sisteme cu buclă
închisă (ce foloseste senzori pentru determinarea poziției) sau utilizând sisteme cu buclă
dechisă (ce are la baza un algoritm pentru determinarea coordonatelui soarelui).
Capitolul 2 prezintă sistem ul de auto -orientare, proiectat și implementat la scara mică,
care urmărește să arate funcționalitatea unui astfel de mecanism, și permite o analiză a
costurilor ce trebuie avute în vedere cu privire la proiectarea unui sistem de urmarire la scara
mare. Proie ctul este realizat pe unui suport de lemn, ce susține toate componentele. Baza pe
care a fost realizat acesta este circuitul integ rat Atmega328, ce se programează î n limbaj C++.
Componentele sistemului sunt : Panoul fotovoltaic (10W), accumulator (12V , 7,5A), sta ție
meteo (masurare de temperatură, umiditate și viteza vântului), invertor (20W), afiș are de
informații atât pe ecranul integrat cât și prin intermediul unei pagini WEB. Posibilitate de
alegere a modului de control manual sau automat.
În Capitolul 3 se realizează analiza tehnico -economică a sistemului de auto -orientare ,
prin compararea consumului sistemului, prin măsurarea tensiunii la bornele bateriei și a
curentului prin circuit în primă fază fără consumator activ (invertor), iar în cea de -a doua
opțiune cu invertorul pornit. O altă analiză care va fi făcută este dată, efectiv de caștigul atât
teoretic, cât și practic a sistemului de auto -orientare împreună cu realizarea calculelor ce
implică această analiză comparând cu un sistem realizat la scar a pentru a pute fi utilizat într -o
rețea electrică .
Lucrarea se încheie cu un set de concluzii în urma cercetării și experimentelor
realizate. Concluzii ce scot în evidență atât avantajele cât și dezavantajele unui astfel de
proiect.

4
CAPITOLUL 1
Sisteme s olare fotovoltaice. Elemente teoretice

1.1 Celula fotovoltaică. Funcționare. Clasificare
Celula fotovoltaică reprezintă elementul de bază al oricărui sistem solar fotovoltaic. Numele
acesteia provine de la procesul prin care lumina este transformată în en ergie electrică: efectul
fotovoltaic . Astfel, e fectul fotovoltaic constă apari ția unei diferen țe de potențial electric și a
unui curent electric într -un material la expunerea la lumină și este o combinație între
fenomene fizice și chimice. Efectul fotovolt aic a fost observat pentru prima dată de către
fizicianul francez Becquerel în anul 1839. El a folosit o celulă electrochimică, constând dintr –
un strat de seleniu acoperit cu un strat subțire de aur. A explicat descoperirea sa în cercetarea
științifică făcută in cadrul Academiei de Științe, unde spunea ca este posibil sa se producă un
curent electric atunci când două plăci de platină sau aur sunt scufundate într -un acid, neutru ,
soluție alcalină, iar apoi acestea s ă fie expuse într -o manieră inegală la radi ația solară, ulterior
a și fost demonstrat același efect, insă substanța de bază fiind seleniul, randamentul dupa
primele teste realizate de el fiind foarte scazut, aproximativ 1 -2%. Pe langa Becquerel, la
această descoperire au mai contribuit și Einstein, în anul 1905, dar și Schottky, în anul 1930,
ei au formulat principiul conversiei fotovoltaice [2-4, 6]. Primele celule functionale au apărut
ceva mai târziu, după anul 1950, deoarece tehnologia nu a permis până la acea vreme
utilizarea sa eficientă [5].

Fig 1. Joncțiunea celulei fotovoltaice [8]

5
Primele celule funcționale au fost realizabile și datorita descoperiri materialelor
semiconductoare, deoarece la baza celulei fotovoltaice stă o joncțiune de tip p -n (Fig. 1), unde
joncțiunea p -n este supra punere între două tipuri de materiale semiconductoare, de tip p și de
tip n, în interiorul unui singur cristal de semiconductor [2, 4-5]. Partea "p" si este dopată cu
goluri de sarcină pozitivă, în timp ce partea "n" este dopa tă cu electroni de sarcină neg ativă, la
aplicarea unei tensiuni asupra joncțiunii (polarizarea direct ă) apar deplasari ale golurilor și ale
electronilor asfel materialul va deveni unul conductor din punct de vedere electric. Eficien ța
de aceasta dat ă a crescut pe la 5%, în prezent celu lele au o eficiență ce nu depășește 25% , în
condiții de laborator în anul 2015 cei de la institutul de cercetare a sistemelor solare
Fraunhofer au ajuns la o ef icienta de 46,1% , eficiență ce este dependentă de tehnologia de de
fabricare a celulelor dar și de materialele folosite în sturctura internă a joncțiunii. Principalul
material ce este utilizat în structura celulelor fotovoltaice este siliciul, pe baza aces tuia fiind
realizate mai multe tipuri de celule, precum celulele amorfe, monocristaline, policristaline,
microcristaline și celule solare tandem. Există, însă si alte materiale ce sunt folosite la
fabricarea celulelor fotovoltaice de tip gallium -arsenide, cadmiu, curpu -indiu, diseleniu, etc
[3-4, 6].

Clasificarea celulelor fotovoltaice se poate face după tipul de material folosit în configurația
joncțiunii p -n [3-4, 6-8]:
a. Celule pe baz ă de siliciu – este materialul cel mai utilizat la fabricarea celulelor
fotovoltaice, fiind unul dintre cele mai rasp ândite materii de pe p ământ. În func ție de
procesul de fabricare celulele fotovoltaice rezultate pot avea diferite structuri la nivel
molecular:
▪ monocristaline – sunt celule relizat e din pl ăci de cristal de s iliciu, sunt mai eficiente
și asta aduce în consecință un preț mai mare comparativ cu celelalte tipuri de celule ;
▪ policristaline – sunt realizate din pl ăci de siliciu ce au cristalele orientate aleator, sunt
mai ieftine dar și mai ineficiente ;
▪ amorfe – sunt realizate dint -un strat de siliciu subțire, au un randament slab într -un
spectru larg al radiației luminoase, însă prezint ă avantaj la utilizarea în zone mai putin
luminate ;
▪ microcristaline – sunt celule cu strat subtire, cu structura moleculara mic rocristalină,
au un randament mai ridicat decât cele amorfe, dar nu sunt foarte răspândite ;
▪ celule solare tandem sunt realizate ca o combinație a celulelor monocristaline si
amorfe, având un spectru larg de radiație pe care o pot capta ;

6
b. Alte tipuri de celu le:
▪ celule solare cu strat subțire ;
▪ celule cu concentrator ;
▪ celule solare electrochimice pe bază de pigmenți ;
▪ celule solare din compuși organici .

În Tabelul 1 se regăsesc cele mai utilizate tipuri de panouri fotovoltaice, cu randametul și
durat a de viață .
Tabel 1 . Compararea ranamentului si duratei de viață a celulelor pe bază de siliciu [8]
Material Randament [%] Durata de viață [ani]
Siliciu amorf 10% 20
Siliciu policristalin 15% 30
Siliciu monocristalin 20% 30

1.2 Panoul fo tovoltaic. Structura. Tipuri

1.2.1 Celulele fotovoltaice în sistemele fotovoltaice
Toate tipurile de celule prezentate anterior se pot utiliza , mai departe, în alcătuirea
panourilor fotovoltaice dup ă cum se poate observa și în Fig. 2, prin înlănțuirea lor în diferite
configurații, precum conexiune serie sau conexiune paralel. Energia colectat ă de panourile
rezultate este utilizată mai departe în diverse aplicații, având în vedere că m ărimile de ieșire
ale unui panou sunt de tip continuu, pentru conectarea lor la tabloul de alimentare al unei
locuițe sau la rețeaua națională de alimentare, este nevoie de un sistem de tip invertor, ce va
transforma tensiunea continu ă în tensiune alternativă la frecvența rețelei [3, 8-9].
Soarele este „dispozitivul” ce radiaz ă sub formă de energie electromagnetică, energia
lui, aceasta cantitate ce ajunge pe pamant este numită radiație solară, termenul fiind utilizat în
mod normal pentru a defini cantitatea de energie solară pe unitatea de suprafață captată într -o
perioadă de timp.
De la emiterea energiei electromagnetice de către soare până când aceasta ajunge pe
pământ, apar pierderi, cele mai mari dintre acestea se regrăsesc la contactul radiației cu
atmosfera terestră, astfel, cantitatea maximă ce o poate oferi soarele pe o suprafață de un
metru pătrat este de 1000W, considerând o eficiență de 100% a sistemului ce o captează.

7
Recoltarea energiei se poate face prin mai multe metode precum : concentratoare parabolice,
mijloace optice și nu în ultimul rând cu ajutorul panourilo r fotovoltaice.

Fig 2. Alcătuirea sistemelor fotovoltaice [8]

Considerând un panou fotovoltaic d e un metru pătrat, cu o eficiență medie de 20%,
printr -un calcul simplu putem afirma că putem colecta o energie de 200W, în condiții ideale
de funcționar e. Adăgând în ecuație faptul că soarele nu are o pozitie fixă, ci coordonatele
acestuia se modifică de la o perioada de timp la alta, at ât în plan orizontal, cât si in plan
vertical, au fost implementate mecanismele de urm ărire a soarelui și principiul de auto-
orientare.
Determinarea radia ției solare se face utili âand un set de formule. Pentru fiecare locați e
din lume, zona de iradiere , care cade pe o suprafață orizontală , poate fi determinată . Pentru o
indicație cât mai precisă a cantității de energie car e intră pe un panou solar fixat la un unghi
față de orizontală, trebuie efectuate o serie de calcule urmând c âteva formule matematice . Se
pot urma dou ă metode de calcul, una conține un calcul simplificat pentru a găsi iradierea
zilnică totală care se încad rează pe o suprafață înclinată care se îndreaptă spre ecuator iar
cealaltă descrie un calcul mai complex care determină iradierea pe un interval de timp din oră
în oră în timpul zilei. Ambele metode pornesc de la acelea și ecuații de bază .
Datele de iradier e măsurate care pot fi menționate sunt calculate , în mod normal, sub
forma iradierii zilnice medii (MAD) pe plan orizontal; adică iradierea totală măsurată în

8
fiecare lună, împărțită la numărul de zile din lună. Această cifră este alcătuită din
componentel e fasciculului și elementele difuzate și se presupune că nici o radiație reflectată
nu intră pe o suprafață orizontală. Pentru a găsi iradierea MAD pe o suprafață înclinată în
aceeași locație, datele măsurate sunt împărțite în piesele componente ale fascic ulului și
difuzate, acestea fiind apoi ajustate pentru unghiul specificat al panoului și o componentă
reflectată ca eroare . În cele din urmă, cele trei componente sunt adăugate împreună pentru a
determina iradierea MAD totală pe panoul fotovoltaic .
Formula generală determi na intensitatea radiaț iei pe un plan î nclinat [12]:

[W/m2] (1)
Unde:
▪
intensitatea insolației terestre pe un plan înclinat la β grade față de suprafața
orizontală ;
▪
intensitatea insolației fascicu lului terestru pe un plan orizontal ;
▪
unghiul de incidență al radiației pe planul înclinat;
▪
componentă de iradiere difuză pe un plan orizontal ;
▪
un factor de convenție pentru a ajusta ID -ul la o valoare pentru un plan c u titlul;
▪
intensitatea totală de insolație terestră pe un plan orizontal ;
▪
un factor convențional utilizat pentru a găsi componenta reflectată pentru un plan
cu titlul.
Se observă că dacă θ i> 90 ° zona va fi umbroasă . De asemenea, că θ i se schimbă pe
parcursul zilei, precum RD și R A. I (β) poate fi apoi utilizată pentru a găsi incidentul total de
iradiere pe un plan dat (H (β)) pe parcursul unei zile întregi prin integrarea ecuației 2 în raport
cu timpul folosind ca limite , răsăritu l și apusul soarelui . Astfel avem o ecuație cu ajutorul
careia se poate determina gradul total de iradiere :

(2)

Aceste ecua ții stau la baza me canismelor de urmărire solară automată sau sisteme lor de auto –
orientare.

9
Un sistem de auto -orientare (sistem de urmărire a soarelui) este un dispozitiv care
orientează o sarcină spre soare. Sarcinile sunt, de obicei, panouri solare, jgheaburi
parabolice, reflectoare fresnel, lentile sau oglinzi ale unui heliostat.
Pentru sistemele fotovoltaice cu panouri p lane, sistemele de urmărire a soarelui sunt folosite
pentru a minimiza unghiul de incidență între lumina soarelui și o pană fotovoltaică. Aceasta
crește cantitatea de energie produsă dintr -o cantitate fixă de capacitate de generare a puterii
instalate. În aplicațiile fotovoltaice standard, s -a prevăzut în 2008 -2009 că sistemele de
orientare ar putea fi utilizate în cel puțin 85% din instalațiile comerciale mai mari de un
megawatt din 2009 până în 2012. Cu toate acestea, începând din aprilie 2014, nu exist ă date
concrete pentru a susține aceste previziuni [2, 8].
În aplicațiile fotovoltaice concentrate (CPV) și în centralele solare concentrate (CSP),
sistemele de auto -orientare sunt utilizate pentru a permite componentele optice din sistemele
CPV și CSP. Optica în aplicațiile solare concentrate acceptă componenta directă a luminii
solare și, prin urmare, trebuie orientată corespunzător pentru a colecta energie. Sistemele de
urmărire se găsesc în toate aplicațiile de concentrare deoarece astfel de sisteme col ectează
energia soarelui cu o eficiență maximă atunci când axa optică este aliniată cu radiația solară
incidentă.
Lumina solară are două componente, "fascicul direct" care transportă aproximativ 90%
din energia solară, și "lumina difuză" care transportă restul – porțiunea difuză este cerul
albastru într -o zi clară; este o proporție mai mare din total în zilele tulbure. Deoarece
majoritatea energiei este în fascicul direct, colectarea maximă necesită ca Soarele să fie vizibil
panourilor cât mai mult posib il. Energia util ă primit ă de la fasciculul direct scade
cu cosinusul unghiului dintre lumina care emisă și panou.

Tabel 2. Variația pierdere putere directă în funcție de nealnierea unghiului de incidență [ 8]
I Energie Pierduta i Ore Energie pierduta
0 ° 0% 15 ° 1 3,4%
1 ° 0,015% 30 ° 2 13,4%
3 ° 0,14% 45 ° 3 30%
8 ° 1% 60 ° 4 > 50%
23,4 ° 8,3% 75 ° 5 > 75%

Un prim argument al utilizarii sistemelor de orietnare a panourilor fotovo ltaice este
datorat deplasării S oarelui pe parcursul unei zile, asfel a cesta călătorește 360 de grade est -vest
pe zi, dar din perspectiva oricărei locații fixe, porțiunea vizibilă este de 180 de grade pe o

10
perioadă medie de 1/2 zi (mai mult în primăvară și vară, mai puțin în toamnă și în toamnă).
Efectele orizontale locale reduc acest lucru oarecum, făcând o mișcare eficientă de
aproximativ 150 de grade.

Fig 3. Varia ția pierdere putere directă în funcție de nealiniere [8]

Un panou solar într -o orientare fixă între extremitățile de dimineață și de apusul
soarelui va vedea o mișcare de 75 de grade pe fiecare parte și, astfel, conform tabelului (Tabel
2) de mai sus, va pierde peste 75% din energie dimineața și seara. Rotirea panourilor la est și
vest poate ajuta la recâștigarea acestor pierderi. Datorita inclin ării axe i Pământului S oarele se
deplasează de asemenea 46 de grade nord și sud pe parcursul unui an, fapt ce duce la
realizarea sistemelor de oritare pe dou ă axe.
Un alt aspect al importan ței orientarii dup ă soare este faptul ca eficiența celulelor
solare fotovol tatice scade odată cu creșterea temperaturii, la o rată de aproximativ 0,4%/°C
(Fig. 3 ). De exemplu, o eficiență mai mare cu 20% la 10 °C în dimineața de vrem e sau iarna,
comparativ cu 60 ° C în căldura zilei sau a verii. Prin urmare, sistemele de orientar e pot aduce
beneficii suplimentare prin colectarea energiei dimineața și iarna, când celulele funcționează
la cea mai mare eficiență.

11
1.2.2 Sisteme de orientare a panourilor fotovoltaice
Cresterea eficieț ei panourilor fotovoltaice este strâns legată de orietarea acestora în funcție de
modul cum se depla seaza soarele în zona respectivă pe parcursul unei zile, dar ș i a unui an.
Aceasta problema se poate reduce prin impementarea unui sistem de auto -orientare a acestora.
Sistemele pot fi realizate cu orienta re pe o singură axă, sau cu orientare pe două axe.

Fig 4. Model sistem orientare pe o axă [2] Fig 5. Model sistem orientare pe două axe [2]

A. Sistemele de orientare pe o singură axă (Fig. 4) sunt construite pentru a permit e
mișcarea pe o singură axă , având un grad de libertate care acționează ca o axă de rotație pe o
direcție stabilită, oriz ontală, verticală sau inclinată . Axa de rotație pentru dispozitivul de
urmărire orizontală cu o singură axă este orizontală în raport c u solul. Stâlpii de la fiecare
capăt al axei de rotație a unui dispozitiv de urmărire orizontală cu o singură axă pot fi
acționați simultan între dispozitive de urmărire pentru a reduce costul de
instalare. Amplasările pe câmp cu mișcare pe o singură axă sunt foarte flexibile. Geometria
simplă înseamnă că menținerea tuturor axelor de rotație paralele una cu alta este tot ceea ce
este necesar pentru poziționarea corectă a sitemelor de orientare în raport cu celelalte [1, 8-9].
Axa de rotație pentru sistemel e de urmărire verticale cu o singură axă este verticală în
raport cu solul. Aceste trackere se rotesc de la est la vest pe parcursul zilei. Astfel de trackere
sunt mai eficace la latitudini mari decât sunt trackerele axei orizontale. Amplasarea câmpului
trebuie să ia în considerare umbrirea pentru a evita pierderile de energie inutile și optimizarea
utilizării terenului.
Toate sistemele de orientare cu axe de rotație între orizontală și verticală sunt considerate
sisteme de urm ărire cu un singur ax înclinat . Unghiurile de înclinare ale urmaritoarelor sunt

12
adesea limitate pentru a reduce profilul vântului și pentru a reduce înălțimea de capăt ridicată.
Prin retragere, acestea pot fi ambalate fără umbriri perpendiculare pe axa lor de rotație la orice
densitate .

B. Sistemele de orientare pe o două axe (Fig. 5) au două grade de libertate care acționează
ca axe de rotație. Aceste axe sunt în mod obișnuit normale unele față de altele. Axa fixată în
raport cu solul poate fi considerată o axă primară. Axa care se referă la axa primară poate fi
considerată o axă secundară. Există mai multe implementări comune ale sistemelor de
urmărire cu dublă axă. Ele sunt clasificate după orientarea axelor lor primare în raport cu
solul. Două implementări obișnuite sunt dispoziti vele de urmărire cu axă dublă și tracker -urile
cu axă dublă pentru alunecare pe vârfuri. Orientarea modulului în raport cu axa tracker -ului
este importantă atunci când se realizează modelarea performanței [1, 8] .

1.3 Determinarea po ziției soarelui
Un sis tem fiabil, proiectat să urmărească traseul solar, trebuie să fie capabil să mențină
unghiul format între centrul panoului și razele ce cad pe el la 900, chiar și în cazul în care
cerul este acoperit de nori. De -a lungul timpului au fost cercetate și imple mentate diferite
metode de determinare a poziției solare pe sistemele destinate a face acest lucru.
Întelegând principiile mișcării soarelui pe cer va fi mai usor pentru un inginer,
tehnician sau pasionat să înțeleagă formulele care trebuie utilizate la p rogramarea
microcontrolerelor, controlerelor logice programabile sau ce tip de senzori sa folosească în
implementarea fizică a sistemului. Discuția pornește idealul care trebuie avut în vedere la
sistemele de urmarire solar ă complementată de mișcarea soare lui, și anume acela că sistemul
implementat este capabil să urmareasc ă traiectoria Soarelui în orice loc de pe P ămant și în
orice moment al zilei.
Deoarece pământul are o deplasare atât în jurul axei sale cât și în jurul soarelui, este
esențial ca sistem ul de urmărire solară sa găsească cât mai precis poziția acestuia, fie folosind
un sistem de senzori cu detecție optică, fie un model matematic necesar determinării, prin
calcul, a altitudinii vectoriale și a unghiului de azimut [1-2, 8, 12 -13].

13

Fig 6 . Unghiul azimut, altitudinea [1]

În Fig. 6 este prezentat un cadru de referință care arată poziția soarelui dintr -o locație a
sistemului global de localizare (GPS), unde se pot observa reprezent ările altitudinii solare care
este definită ca unghiul format între linia de acțiune a soarelui și planul orizontal, acesta se va
modifica pe parcursul unei zile, fiind cuprins în intervalul 0 – 90 grade și azimutul ce
reprezintă unghiul ce se formează de către planul meridianului unei poziții cu planul vertical
al poziției respective având un punct de referință.
Deoarece precizia și stabilitatea sunt doi dintre parametrii de proiectare primar pentru
un sistem de urmărire solar CSP (Concentrarea energiei solare), diferite propuneri de strategie
de control au fost luate în calcul , testate și raportate în literatura generală. Acestea includ
sisteme de control în buclă deschisă, sisteme de control în buclă închisă și, în unele cazuri, un
sistem de control integrat sau cu buclă hibrid în care sunt combinate configurațiil e de control
al buclă deschisă și în buclă închisă.
Există patru categorii principale de proprietați de control care vor trebui luate în calcul
în controlerele cu buclă deschisă și cu buclă închisă pentru a îndeplini criteriile de proiectare
pentru sistemu l de urmărire . Acestea categorii sunt:
▪ Poziția soarelui : Pentru a determina vectorul soarelui , respectiv poziția acestuia dată
de altitudine și unghiul de azimut SQ(γs, θs) de la locul sistemului CSP;
▪ Sistem precis de poziționare : să fie capabil să mute structura în mod eficient, astfel
încât să fie îndreptată direct spre soare cu o eroare cât mai mică ;

14
▪ Intrări de control: Tipul intrărilor de control de utilizat, de ex. algoritm vector solar,
foto-diode , camera foto sau alte tipuri de senzori optici ;
▪ Sistem de control: secvența de control și inteligența (diagrame de stare) pentru a
gestiona motoarele electrice și dispozitivele care mișcă sarcina utilă sau sistemul de
alimentare Stirling.
Deoarece urm ăritorul solar poate fi utilizat avand în alcătuire compone nte optice,
precizia de urmărire și stabilitatea mecanică vor fi două dintre elementele principale. Tendința
actuală în sistemele de concentrare solară și în sistemele de urmărire automatizată sunt
utilizate automatele programabile de tip PLC sau microcon trolere programabile. Acești
controlori utilizează algoritmi de poziționare solară, pentru a direcționa mișcarea obiectului
destinat să primească energia furnizată de soare. Controlerele cu buclă închisă (controlorii
activi) ating o precizie optimă de urmă rire prin utilizarea electronică sensibilă la lumină
pentru a permite controlerului să observe mișcarea soarelui și pentru ca sistemul de
concentra re să fie poziționat dinamic spre soare. Alternative mai complexe implică soluții
bazate pe camere, dar acest ea sunt mai puțin populare în soluțiile bazate pe PLC datorită
sensibilității electronice și cerințelor de putere de procesare pentru procesarea imaginilor , dar
și a costurilor ridicate de implementare, care vor face sistemul mai puțin rentabil [1]. Pentru o
mai u șoară întelegere metodele folosite la determinarea pozitiei soarelui au fost împărțite în
două principale părți : sistemele de urmarire cu buclă închisă, respectiv cu buclă deschisă [1-2,
7, 12-13].

1.3.1 Sistemele de urmărire solar ă cu buclă desc hisă
Mecanismele de urmărire cu buclă deschisă sunt sistemele ce nu au nevoie de senzori
respectiv o permanentă conexiune cu soarele, mișcarea lor pe parcursul unei zile , în timpul
unui an se determină cu ajutorul unor algoritmi specifici. În fiecare lună din an, soarele are o
altă cale pe care se deplasează, asfel coordonatele acestuia, daca s -ar m ăsura la aceeași ora
zilnic, se va observa c ă sunt diferite coord onate ce sunt descrise de unghiul de azimut
respectiv altitudinea soarelui după cum se poate obs erva și în Fig. 7.
Această reprezentare este utilizată la determinarea celor două unghiuri (altitudinea față
de Pământ și azimutul). Deși zilnic aceste date sunt diferite, ele se repet ă în aceeași perioadă
după un an de zile [1].

15

Fig 7. Traiectoria Solara pe parcursul unui an [1]

Gradul de precizie poate depinde, însă, și de caracteristicile specifice ale sistemului de
concentrare a energiei solare, în general, printr -o eroare relativ ă cât mai mică a unghiurilor de
pozitionare, în raport cu cele r eale, se va colecta o energie solară aproape de procentul maxim
pe care îl poate oferi, în consecință se va obține o cantitate mai mare de en ergie.
Prin urmare, vectorii ce descriu poziția soarelui dintr -o locație geografică specifică
sunt determinați în t imp real pentru ca urmăritorul solar să realizeze o menținere a conexiunii
cu soarele eficientă. Acesti vectori SQ (γs, θs) descri u unghiul și înălțimea soarelui din
perspectiva unei orientări specifice a sistemului de poziționare globală (GPS) pe pământ.
Există trei metode sau algoritmi bazați pe calcule din domeniul astronomic utilizați în
implementarea urmăririi soarelui ce pot fi implementați în interiorul unui microcontroler.
Comparând și testând a ceste trei metode , cu ajutorul m ijloacele lor de intelig ență artificială, în
care două sau chiar toate cele trei metode pot funcționa împreună cu alte intrări ale
controlerului, se va putea optimiza pentru a obține un sistem de urmărire foarte precis, cu
pierderi parazit e foarte scăzute [1, 11 -13].
Principa lele elementente care trebuie avu te în vedere în implementarea unui urmăritor
solar se pot vedea în Fig. 8, ce prezintă o ilustrare tipică a unui vector de soare și a unghiurilor
solare care trebuie luate în considerare atunci când un concentrator solar urmăre ște soarele
utilizând orice echipament electronic digital PLC sau un microcontroler în combinație cu
algoritmul SPA (Algoritmul de pozitionare solară).

16

Fig 8. Vectorii determinați de algoritm [1]

În lista de parametri de mai jos se regăsesc termenii u tilizați în calculul vectorului ce indic ă
pozitia soarelui, dat în Fig. 8 [1]:
▪ latitudinea (φ): Unghiul la nord sau la sud de ecuatorul colectorului solar (măsurat în
grade)
▪ longitudinea (ζ): Poziția est -vest a colectorului solar față de Greenwich (măsurat ă în
grade)
▪ înclinaț ia (δs): Poziția unghiulară a soarelui la prânzul solar cu privire la ecuator
(măsurată în grade)
▪ unghiul de azimut la suprafață (γ): Deviația direcției pantei către meridianul local
(grade)
▪ unghiul de azimut față de soare (γs): Unghiul soarelui până la meridianul local sau
azimutul de suprafață, în sensul acelor de ceasornic dinspre sud (grade);
▪ unghiul de creș tere (αs): Cresterea vectorului solar de la observator (grade);
▪ unghiul zenith (θz): Unghiul incidenței pe o suprafață orizonta lă, zenitul vectorului solar
(90◦ – αs) (grade);
▪ unghi de incidență și reflexie (θ): Unghi între radiația solară incidentă și suprafață,
înălțimea vectorului solar (grade);
▪ unghiul orar în funcție de timpul solar (ω): Conversia timpului solar într -un ung hi unde
24 ore = 360◦ iar după -amiaza soarelui este zero.
Vectorul soarelui reprezintă unghiul și înălțimea soarelui determinată cu ajutorul
sistemului de poziționare globală (GPS) pe Pământ. În funcție de poziția longitudinii (ζ) și a

17
latitudinii (φ) a am plasamentului de instalare a concentrat orului solar pe suprafața pământului,
microcontrolerul sau PLC -ul este programat diferit.
Din punct de vedere al dezavantajelor, se pune problema program ării si re plicarea
calculelor în func ție de zona de montare, ce trebuie sa aib ă o precizie ridicat ă, în caz contrar
poziționarea va fi eronat ă.

1.3.2 Sistemele de urmărire solar ă cu buclă închisă
Sistemele de urm ărire solar ă in sistem cu bucla inchisa folosesc, pentru detectarea pozitiei
soarelui un set de senzori. Utilizand , unul sau mai mulți senzori optici pentru a detecta poziția
sursei de lumin ă. Orice discrepanță dintre unghiurile calculate printr -un algoritm și poziția în
timp real a concentratorului solar poate fi detectată și corectată solosind o soluție de control a
urmăririi în bucla închisă. Cu acest feedback, sistemul de control al punctajului asigură
corectarea sau eliminarea tuturor erorilor de urmărire datorate efectelor vântului, reacțiilor
mecanice, neconcordanțelor de instalare , erorilor acumulate sau altor tulburări de poziționare
a antenei parabolice [1, 10] .
Răspunsurile senzorilor optici , imaginile facute de camer a servesc în mod obișnuit ca
intrare pentru controlerul cu buclă închisă , care va interpreta aceste informatii s i va activa
mecanismele de antrenare pentru a mări mișcarea precisă a vasului solar, astfel încât acesta să
indice spre poziția exactă a soarelui pe cer. Acești senzori generează semnale de feedback
care informează controlorul electronic dacă mijloacele de urmărire solară sunt pozitionate
precis catre sursa de lumin ă cea mai puternic ă. Cu toate acestea, orice sistem de urmărire cu
bucla închis a, care utilizează numai dispozitive optice ca senzori, este ușor afectat de nori,
condiții meteorologice și factor i de mediu, însa a permis economii în ceea ce privește costul,
fiind foarte prietenos la instalare si implementare, timpul și efortul de implementare se reduce
considerabil fata de sistemele cu bucla deschis ă [1, 13] .
Dispozitivele foto -sensibile și princ ipiile care stau la baza funcționării acestora sunt
utilizate în mod obișnuit în controlul buclat închis pentru dispozitivele de urmărire. În aceste
soluții, senzorii sensibili la lumină sau detectorii cu infraroșu pot fi utilizați fie pentru
direcționarea directă a razelor solare, fie pentru reglarea poziționării antenei parabolice. În
general, semnalele diferențiale ale acestor dispozitive sunt utilizate în circuitele de echilibrare
a ieșirii pentru a compensa diferențele în caracteristicile componentelor sau modificările
nivelurilor de sensibilitate la lumină [1].

18

Fig 9. Rezistor LDR [9] Fig 10. Simbol LDR [9]

Fig 11. Foto-dioda [9] Fig 12. Simbol foto -dioda [9]

Fig 13. Foto-tranzistor [9] Fig 14. Simbol foto -tranzistor [9]

În imaginile de ma i sus sunt expuse aceste tipuri de senzori foto -sensibili:
▪ In Fig. 9 se observ ă un dispozitiv tip LDR (Light Dependent Resistor), principiul de
funcționare fiind unul foarte simplu, rezistenta lui fiind invers proportional ă cu
intensitatea luminoas ă la ca re este expus. În completare, fig. 10 arată simbolul lui din
schemele de montaj ;
▪ În Fig. 11 se reg ăseste o foto -diodă, aceasta, prin expunerea la lumin ă la bornele ei se
obține o tensiune, iar în circuit va introduce un curent, are un raspuns rapid, dar o
senzitivitate mica. Fig. 12 reprezint ă simbolul acesteia ce se regaseste în schemele de
montaj ;
▪ În Fig. 13 apare foto -tranzistorul, are un principiu de func ționare similar cu cel al foto –
diodei, însa raspunsul acestuia este mai încet dar are o sensibilita te mai mare. Are și
avantajul c ă suport ă un curent mai mare. Reprezentarea ei în schemele de montaj se face
folosind simbolul din Fig. 14;

19
În cazul unor modele de urmărire a energiei solare, urmărirea duală a unghiului este
realizată cu ajutorul unor se rii de senzori , fotodiode optice, care se utilizează pentru a detecta
dacă un obiect a fost orientată către poziția corecta spre soare. Acești senzori de ghidare LDR,
foto-diodă sau foto -tranzistor sunt de obicei montați pe structura parabolică a antenei p entru a
ajuta la reacția mecanismului de comandă pentru așezarea colectorului într -o poziție
îndreptată direct spre soare. Fototranzistorii au avantajul suplimentar prin faptul că pot fi
conectați în circuitele curente pentru a conduce servomotoarele, coma ndând astfel fizic
unitățile care direcționează mecanismul parabolic al antenei [1-2].

Fig 15. Matrice senzori foto sensibili

În Fig. 15 senzorii sunt a șezati sub forma de matrice de 2×2, iar func ționarea este
simpl ă, cand diferen ța de lumin ă de pe u n senzor (stanga) este mai mare dec ât cantitatea de
lumin ă ce cade pe celalalt senzor(dreapta), ac ționarea va mi șca spre st ânga sistemul astfel
încat m ăsurătoarea sen zorilor s ă fie într-o toleran ță cât mai mic ă.
Ca dezavantaj major, în general, sistemele d e urmărire a luminii cu buclă închisă își
vor pierde semnalul de reacție și, ulterior, traseul către poziția de soare atunci când senzorul
este umbrit sau când soarele este blocat de nori. In arhitecturi le cu bucla închis ă de urmărire a
soarelui a fost ast fel introdus modelul de a utiliza senzori cu buclă deschisă sau algoritmi care
nu necesită nici o imagine solară ca feedback. Senzorul cu buclă deschisă, cum ar fi encoder –
ul, va asigura că colectorul solar este poziționat la unghiuri solare calculate, car e sunt obținute
dintr -o formulă sau algoritm special [1, 3, 5] .
Detectarea pozi ției soarelui se mai poate realiza și cu alte dispozititve, precum :
Senzor pe baz ă de celule fotovoltaice . Aceste celule convertesc energia luminoasă
direct în curent electric electric sub formă de tensiune sau curent la o sarcină rezistivă .

20
Modelarea celulelor fotovoltaice mici într -o configurație piramidală (Fig 16) are efectul de a
oferi iluminație diferențiată pe diferite părți și este capabilă să furnizeze informaț ii
direcționale despre poziția soarelui. În același mod, o celulă fotovoltaică flexibilă poate fi
formată sub formă de cupolă sau sferă pentru a determina unghiurile soarelui. Aceste
concepte pot fi luate din sistemele fotovoltaice existente [1].

Fig 16. Piramida senzor format din celule fotovoltaice [1]

Atunci când sunt utilizați ca senzori de direcție solară, celulele vor furniza și energie electrică
solară care poate fi utilizată ca sursă mică de urgență pentru un mic sistem solar de urmărire.
Astfel de panouri de putere mic ă sunt celule solare monocristaline și cuprind în mod obișnuit
puteri de aproximativ 0,1W și 9 W. Celule fotovoltaice polimerice sau amorfe pot genera
curenți între 20 și 40 mA/cm2. Astfel de cel ule solare mini sunt utilizate în mod obișnuit în
grădini, jucării electrice, baterii externe . Cantitatea de curent disponibilă dintr -o celulă solară
depinde de intensitatea luminii și de dimensiunea celulei individuale.
Într-o aplicație de urmărire a ener giei solare, ieșirile acestor mini -celule fotovoltaice
pot fi introduse într -un microprocesor, iar cu un algoritm simplu sau un circuit decodor
hardware poate implementa o abordare de echilibrare a energiei pentru a realiza direcția de
urmărire a energiei solare. În acest fel, calculatorul de date de poziție a soarelui din celulele
mini-voltaice și datele de poziție corespunzătoare colectorului solar pot fi introduse într -un
mijloc de comparare pentru compararea poziției colectorului și poziției solare și f urnizarea
unui semnal de antrenare până la cele două pozițiile sunt egale [2].
Utilizarea senzor ului solar (Fig 17.) Provine din industria sateli ților și a spațiului în
care poziția soarelui sau a vectorului solar este utilizată în timp real pentru a deter mina în mod

21
continuu orientarea satelitului sau a navei spațiale cu precizie. În cazul navelor spațiale și al
orientării prin satelit, un senzor precis al soarelui este centrifugat cu o viteză constantă pentru
a determina orientarea navei spațiale în rapor t cu soarele. Concepute pentru utilizarea în nave
spațiale, se pretinde că acești senzori ating o precizie mai mare a măsurătorilor în comparație
cu fotodiodele .

Fig 17. Model sensor solar [11]

În Fig. 18, lumina incidentă a soarelui intră în senzorul de soare printr -o mică gaură de
pin pe o placă de mască (oferind un câmp de vedere de aproximativ 50 °, în jur de patru ore
de expunere la traseul de soare), unde lumina este expusă la un substrat de siliciu care iese
patru semnale în raport cu incidența orizontală și verticală a luminii. Vectorul soarelui SQ (γ s,
θs) este apoi calculat printr -un detector de imagine și un algoritm de calibrare, oferind o
precizie a vectorului solar la ~ 0,2◦ [1, 8, 11] .

Fig 18. Inciden ța luminii în senz or [12]

22
În general, senzorul de soare micro -digital poate detecta poziția unghiulară a soarelui
din unghiul în care razele soarelui iluminează cipul. Acest senzor sistem este un cip de
imagine care integrează o matrice de senzori activă CMOS de 368 x 368 pixeli, un convertor
analog -digital de 12 biți și un circuit de procesare a semnalului digital pe cip pentru a detecta
orientarea unghiului soarelui .
O provocare practică in cazul acestori senzori , este în general dată de efectele
meteorologice. Acești se nzori au fost dezvoltați pentru aplicații de tipul navelor spațiale și
prezintă probleme în aplicațiile de urmărire a energiei solare, unde praful și ploaia ar putea
provoaca potențiale probleme . Acești senzori utilizează o configurație cu un orificiu de
deschidere foarte mic pentru a determina foarte precis unghiul soarelui. Acest de tip orificiu
poate supune senzorul la interferențe cu praful și ploaia în condițiile rurale de mediu rurale și
agricole în care un sistem de urmărire solară concentrat ar fi în mod obișnuit obligat să
funcționeze.
Detectarea pozitiei cu ajutorul camerei video. Procesarea imaginilor camerei poate
fi de asemenea utilizată pentru a controla optic operația de urmărire a luminii solare sau
pentru a ajuta la compensarea erorilor în azimut și la erorile de unghi de înălțime cu care se
confruntă modul de control în buclă deschisă. Cu un mijloc de reacție optică, sistemul de
control poate asigura că toate erorile de urmărire datorate efectelor vântului, reacției
mecanice, neconcordanțel or de instalare, erorilor acumulate sau altor perturbări în
poziționarea antenei parabolice sunt reduse [1, 3-4].
Rezoluție și precizie ridicată. În general, algoritmii de vizionare montate pe dispozitive
industiale, oferă posibilitatea de a localiza obiec te cu caracteristici cunoscute la zeci sau sute
de pixeli. Utilizarea unui sistem de camere web pentru augmentarea sau reglarea poziționării
panourilor fotovoltaice în timpul urmăririi continue a soarelui este o metoda mai complexa
deoarece necesita un con troler mai puternic fiind necesara o procesare foto . Fig 19 prezintă ,
în partea stangă, o imagine de pre -binarizare instantanee a soarelui luată de camera web, în
timp ce in partea dreapta este imaginea binară convertită procesată pentru a calcula poziți a
centroidică a soarelui asupra imaginii instantanee, determinând vectorul soarelui S Q (γs, θs)
[1].

23

Fig 19. Imagine cameră și imagine binară [1]

Mecanismele camerei web cu procesare de imagine pot fi utilizate în controlul de
urmărire solar cu circui t închis. Utilizează imaginea soarelui procesată de imagine S Q pentru a
alinia vasul de concentrat parabolic spre soare. În această strategie de control, antena poate fi,
de asemenea, direcționată printr -un proces de orientare pentru a ghida vasul mai apro ape de
punctul de focalizare adevărat al vasului parabolic. Mai degrabă decât să folosească o metodă
simplă centroid -of-pixeli luminos pentru a determina centrul soarelui, un microprocesor
identifică mai întâi cea mai mare regiune de pixeli conectați (numi tă discul soarelui),
aruncându -le pe toate cele mai exagerate. Diferiți parametri ai acestui disc sunt examinați și
comparați cu valorile preconizate pentru forma soarelui, permițând respingerea erorilor
datorate opacității sau a norului. Prelucrarea supli mentară este apoi efectuată pentru a
determina centrul soarelui [1].

24
CAPITOLUL 2
Sistem de auto -orientare a panourilor
fotovoltaice . Dimensionare și realizare

2.1 Principiul de funcționare
În continuare este prezentat un sistem de urmă rire a soarel ui (auto -orientarea unui panou
fotovoltaic), realizat să permită orientarea sarcinii pe două axe. Acesta își propune să crească
eficienț a panoului fotovolta ic prin orientarea acestuia după vârful de lumin ă solară.
Schema bloc de principiu a sistemului de auto-orientare a unui panou fotovoltaic
realizat, este prezentată în Fig. 20.

Fig 20. Schema bloc de principiu a sistemului de auto -orientare a unui panou fotovoltaic

25
Sistemul (Fig. 20) colectează informații de la senzor ii care sunt integrați acest uia,
senzori ce pot fi de : lumina, vânt, umiditate, tensiune, curent , temperatură ; Informațiile sunt
introduse în sistemul de procesare al datelor , unde sunt stocate, prelucrate și interpretate de
acesta ; deciziile luate de către procesor sunt transmise m ai departe către subsistemele
conectate la acesta.
Modelul realizat include trei subsisteme c are funcționează independent dar ele comunică
între, iar anumite decizii luate de un subsistem influențează funcționarea celui lalt subsistem.
Subsistemul 1 (Fig. 21) se ocupă de partea c are orientează panoul fotovoltaic .
Acesta primeș te date de la senzorii de l umină ș i de poz iție al panoului, le prelucrează , iar apoi
trimite comenzi către motoarele c are acționeaz ă atât mișcarea pe orizontală câ t și mișcarea pe
verticală.

Fig 21. Schema bloc a Subsistemului 1

26
Orientarea se poate face atât automat cât și manual, această informație fiind transmisă
subsistemului 2 care va afișa pe ecran modalitatea de control. Func ționarea pozitionarea
acestuia este dependent ă si de subsistemul trei, din care se poate comanda oprirea sau pornirea
lui, dar depinde și de condi țiile meteo, starea fiind furnizat ă de către subsistemul 2.
Subsistemul 2 (Fig. 22) este conceput să se preocupe de partea de încărcare a
acumulatorului , fapt care implică citirea tensiuni i furnizată de panou l fotovoltaic , tensiunea
acumulatorului și curen tul de încă rcare, el c omandând circuitului de încărcare să permit ă sau
nu energiei electrice să intre în acumulator.

Fig 22. Schema bloc a Subsistemulu i 2

O alta funcție a acestuia este să primească date de la stația meteo, care conține un senzor de
viteză a vântului, senzor de temperatură și senzor de umiditate. În funcție de aceștia el
comandă Subsistemul 1 să funcționeze normal sau să se poziționeze în condițiile de siguranță.
Aceste condiții de siguranță presupun așezarea panoului paralel cu directia din care sufla
vântul, pentru a se evita suprasolicitarea mecanismelor de susținere.
Subsistemul 3 (Fig. 23) reprezintă partea de interacțiune cu utili zatorul , implementată
pe baza unui sistem de tip SCADA (Monitorizare, control și achiziții de date – Supervisory

27
Control and Data Acquisition) . Acesta preia informațiile de la Subsistemul 2, care se pot
vizualiza de pe un “server” prin intermediul unei pa gini WEB. Acesta permite inclusiv
controlul de la dis tanță, utilizatorul avand posibilitatea sa puna sistemul în poziția de siguranță
în situația în care observă o problema sau eroare în citirea datelor.

Fig 23. Schema bloc a Subsistemului 3

2.2 El emente componente

În Fig. 24 este prezentată o imagine de
ansamblu a modelului de sistem de urmărire a
soarelui. Sistemul este realizat pe un suport
de lemn dimensiune 400 x350 x 12mm, ce
are rol de susținere a componentelor și
permite mi șcarea panoului pe suprafața lui.

Fig 24. Sistemul de auto -orientare a panourilor
fotovoltaice realizat

28
2.2.1 Elemente mecanice
Principalele elemente mecanice ale sistemului de auto -orientare a panourilor fotovoltaice
sunt:
▪ rulmenții asigură mișcarea pe orizontală c u frecări minime, iar solicitarea motorului este
mai mic ă pentru rotirea panoului ( Fig 25);
▪ două cuple mobile permit m odificarea inclinației panoului, contribuie la m ișcarea pe
verticală ( Fig 26);
▪ servo motor – acționează rotirea pe axa orizontală (Fig 27 );
▪ motor pas cu pas – ajustează înclinația panoului (Fig 28 ).

Fig 25. Suport cu rulmeți + motor acționare orizontală Fig 26. Elemente miscare pe vertical ă

Fig 27. Motor acțio nare pe orizontală Fig 28. Motor acționare pe verticală

29
2.2.2 Elemente electronice
Principalele elemente mecanice ale sistemului de auto -orientare a panourilor fotovoltaice
sunt:
• Afișare și control – Circuitul este o subcomponenta a circuitului de a cționare, ce este
utilizat pentru comanda acestuia și afișarea informațiilor.
• Circuitul de acționare – Circuitul de citire, prelucrare, interpretare și acținoare al
sistemului.
• Stație meteo – Stația meteo furnizează informații legate de viteza vântului, u miditate
si temperatură.
• Senzor lumină – În funcție de intensitatea luminoasă ce este aplicata pe senzorii de
lumină se realizeaza orientarea catre sursa de lumină.
• Panou fotovoltaic cu datele nominale :
▪ Putere nominal ă: 10W;
▪ Tensiune de mers î n gol: 22V;
▪ Curent de scurtcircuit: 0 ,57A;
▪ Tensiunea în sarcină : 18V;
• Invertor – Invertorul, dispozitiv ce transform ă curentul continuu în curent alternativ.
Sarcina maxim ă suportată este de 20W.
• Sistem SCADA + Server WEB – oferă utilizatorului posibilitatea de a vi zualiza și a
da comenzi de la distanță sistemului.

Fig 29. Afișare și control Fig 30. Circuitul de acționare

30

Fig 31. Stație meteo Fig 32. Senzor lumină

Fig 33. Panou fotovoltaic Fig 34. Invertor

Fig 35. Sistem SCADA + Server WEB

31
2.2.3 Schema de montaj
Schema electric ă care a fost utilizată la realizarea parții electrice și electronice a sistemului de
auto-orientare. Schema a fost impartita în două, Fig. 36 care înglobează primele 2 subsisteme
prezentate anterior și Fig. 37 care expune doar subsistemul 3.

Fig 36. Schem ă electronică de montaj pag.1

32

Fig 37. Schemă electronică de montaj pag.2

33
2.3 Funcții implementate
Sistemul de auto -orientare a panourilor fotovoltaice realizat are implementate și următoarele
funcții:
▪ Orientarea automat ă – se realizează pornind de la informațiile furnizate de senzorii de
lumina plasați pe marginile panoului (Fig. 32). Dup ă prelucrarea acestora motoarele de
acționare, servomotor pe orizontală (Fig. 27) și motor pas cu pas pe verticală (Fig . 28) vor
poziționa panoul în poziția optimă.
▪ Orientarea manual ă – funcția de orientare manuală se activează din comutatorul
joystick -ului (Fig. 29), urmând apoi ca mișcarea pe cele două axe ale panoului sa se
realizeze tot cu ajutorul acestuia, poziționarea pe orizontală se face mișcând de controler
stânga -dreapta, iar poziționarea pe verticală se face acționând controlerul sus -jos.
▪ Prote cție la condi țiile meteo extreme – aceasta funcție este posibilă datorită stației
meteo (Fig. 31) atașată sistemului de auto -orientare, când viteza vântului depășește o
valoare prestabilită, panoul va trece în poziția de siguranță, acesta însemnând așezare a pe
orizontală a panoului, astfel vântul nu va avea un impact asupra mecanicii sistemului.
▪ Afisare informatii pe ecran LCD – în cazul acesta se utilizează un ecran de tip LCD, ce
poate afișa câte 16 caractere pe fiecare rând din cele două. Se vor afișa i nformații precum,
tensiuni, cureți, date meteo, modalitate de control.
▪ Afisare informaț ii cu ajutorul paginii WEB – Pagina WEB va furniza informa țiile care
sunt disponibile și pe ecranul sistemului, însă se pot vizualiza de la distață și toate în
același t imp.
▪ Control de la distan ță – posibilitatea de control de la distanță este disponibilă tot prin
intemediul paginii WEB , programată în Java Script si HTML5 . Daca cel ce se ocupă de
monitorizarea datelor și observă ceva ce nu este în parametrii poate aduce sistemul în
poziția de siguran ță doar printr -o atingere de buton.
▪ Invertor – oferă posibilitatea utilizatorului de a alimenta de la sistem echipamente ce
funcționează la tensiunea nominal ă de 230V.

2.4 Rezultate experimentale
Pentru preluarea informații lor necesare s -a implementat un algoritm încărcat pe un
microcontroler ce avea ca scop citirea , la un interval de timp , tensiunea furnizată de panou.
Aceasta a fost salvată într -un fisier format ”txt” împreună cu momentul de timp la care s -a
făcut masurăto area, pentru cele două cazuri, montat pe suport fix și motat pe suport mobil.

34
Informațiile au fost introduse în mediul de dezvoltare numerică si analiză statistică,
Matlab [3], unde au fost reprezentate pe același grafic (Fig 38) pentru observarea diferente lor.

Fig 3 8. Rezultate comparative a tensiunii furnizate de panoul fotovoltaic, poziționare fixă versus auto -orientare.

După cum se observă în grafic ( Fig 38 ) cele doua masurători prezintă difetențe seminificative
la începutul și sfarșitul perioade lor de măsurare. Curba de culoare neagră reprezintă tensiunea
la bornele panoului, în gol, masurat ă pe o perioad ă de 10 ore în luna mai, în situa ția în care
panoul a fost montat într-o pozitie fix ă. Aceasta la capete, respectiv începutul și sfârțitul
masur ătorii, unde a fost începutul zilei (ras ăritul) și sfarsitul zilei (apusul), tensiunea are o
creștere în perioada rasaritului exponen țială, acela și lucru poate fi observat si pe partea de
apus, unde tensiunea are o scadere exponen țială. Aceste aspecte duc la pierderi de enegie ce

35
pot fi semnificative pentru sistemele mari de panouri fotovoltaice. Recuperarea acestora se
poate vedea în cea de -a doua linie de pe grafic, linia ro șie, unde, masurătorile au fost f ăcute cu
panoul montat pe sistemul de urm ărire so lară. Diferenț ele nu sunt considerabile în cazul
sistemului analizat, panoul av ând o putere mic ă, de 10W, c âștigul nu poate fi considerat unul
satisfacator compar ând cu inves tiția facut ă pentru realizarea fizic ă a sistemului de urm ărire.
Monitorizarea da telor a fost posibil ă și in timp real, pe ecranul ata șat sistemului, dar și
prin intermediul paginii WEB ( Fig 39 ). Informa țiile vizualizate pe aceasta le -am împartit în
două, o parte ce se refer ă la datele electrice furnizate de sistem, tensiunea bateriei, tensiunea
panoului, curentul de incarcare și puterea, iar cea de -a doua parte o reprezintă informa țiile
meteo, temperatura mediului ambiant, umiditatea, viteza v ântului combinate cu pozi ția în
timp real a panoului , unghiul pe orizontal ă (0 – 180) si unghi ul pe vertical ă (0 – 90).

Fig 39. Pagina WEB

36
CAPITOLUL 3
Sistem de auto -orientare a panourilor
fotovoltaice. Analiză tehnico -economică

Realizarea unui sistem de auto -orientare a panourilor fo tovoltaice include costuri de
implementare direct proport ionale cu puterea instalat ă a sistemului fotovoltaic dorit. Aceste
costuri ridicate provin din mai multe cauze. Un prim aspect este faptul c ă un sistem
fotovoltaic este realizat din mai multe panouri fotovoltaice, de și cadrul acestora este realizat
dintr -un material ușor (aluminiu ), sus ținerea celulelor și protejarea lor de condițiile meteo este
facut ă cu ajutorul sticlei, care este un material greu, de exe mplu un panou cu dimensiunile
1,7x1m are o greutate de 18kg iar puterea lui maxim ă debitat ă în condi ții optime este de
250W, un sistem cu o putere instalat ă de 2, 5kW implica utilizarea unui sistem cu 10 astfel de
panouri, ce ar însuma o greutate de 180kg. Toat ă aceasta greutate va trebui sa poata fi
supotata de scheletul sistemului dar si de partea de ac tionare a acestuia, în spe ță motoarele
trebuie s ă fie alese astfel încat sa poat ă mișca o greutate asa de mare , un motor mai mare are
nevoie de un controler care s ă poată suporta curentul care este cerut de motor, caracteristica
de curent a unui controler este un indicator de pret pentru acesta . Un alt aspect important este
mediul și condi țiile meteo din zona în care este amplasat sistemul, deoarece acesta va avea o
funcționare non -stop, indiferent de ceea ce se intampl ă în jurul lui, toate elementele ce co nțin
elemente electrice sau electronice și sunt expuse la intemperii, trebuie alese cu un grad de
protec ție si rezisten ță ridicat ă, ceea ce, din nou, va aduce o cre ștere de pre ț semificativ ă a
costurilor cerute de sistem.
Având în vedere aspectele de mai sus, se pune problema câ t de eficient și ce c âștig
aduce sistemul, în raport cu ceea ce consum ă dar și cu pre țul total de implementare. În tabelul
3 sunt expuse toate costurile pe fiecare component ă a sistemului, ce ține strict de partea de
mișcare a aces tuia.

37
Tabel 3. Costuri implementare sistem auto -orientare
COMPONENT Ă BUCA ȚI NECESARE PRE Ț / BUC (RON) PRE Ț TOTAL
(RON)
Suport Lemn 1 6 6
Rulmen ți 4 3 12
Tije Metal 1 2 2
Bara filetat ă 1 1 1
Servo motor 1 35 35
Motor pas cu pas 1 50 50
Driver MPP 1 10 10
Arduino Nano 1 20 20
Senzori lumin ă 4 1 4
Cablaj PCB 1 5 5
Acumulator 1 50 50
Total (lei)
195

Costurile de implementare pentru sistemul prezentat, ce implica exclusiv partea de ac ționare,
fără sistemul de achizitii de date, sta ția meteo și pagina WEB se regă sesc în tabelul 3, costuri
ce însumeaz ă 195lei . Pentru a putea echivala c u sistemele la scar ă mare, aceste costuri se vor
traduce în banii economisiț i dac ă un sistem de acest tip ar fi implementat î ntr-o locuin ță.
Prețul pe kWh în România, în acest moment se încadrează în jurul sumei de 0, 55
bani/kWh. Cu un invertor c are are un randament de 95% am putea utiliza 95% din energia
furnizat ă de panou pe parcursul zilei. Din graficul prezentat mai sus ( Fig. 38), reiese c ă
aproximativ 3h din zi pan oul nu ar furniza energie spre încarcarea bateriei, acesta avâ nd o
putere de 10W, ar însemna în 3 ore o pierdere de energie de 30Wh, ce ea ce ar insemna o
pierdere de 0, 015 bani, o suma foarte mic ă comparativ cu investitia, amortizarea în acest caz
se face într-un timp foarte îndelungat. Utilizarea unor motoare mai puternice, de exemplu
două actuatoare, ce sunt motoare simple de curent continuu, vor crește semnificativ greutatea
ce poate fi supotată de sistem, deci un număr mai mare de panouri ce pot fi montate pe el și în
consecință va fi incrementată fiabilitatea acestuia.
O altă parte ce priveste eficien ța sistemului realizat este daca poate fi capabil, la aceste
specificatii sa p roduca energia necesara alimentă rii sistemului dar și să furnizeze o cantitate

38
de energie spre utilizare și dacă partea de automatizare poate fi optimizat ă astfel încât
consumul de enegie s ă fie minim .
În Fig. 40 este reprezentat ă tensiunea la bornele bateriei cand sistemul este în
funcțiune, împreun ă cu Fig. 41, unde se reg ăsește curentul prin circuit în momentul în care
sistemul este activ, ob ținem puterea abso rbită în timpul func ționării normale a sistemului , o
putere de 3, 92W. La această scară de implementare, cosumul de funcționare a sistemului este
mare , ce face sistemul ineficient. O posibilă optimizare se poate face din codul sursă, prin
oprirea orientării pentru perioade bine definite de timp.

Fig 40 . Tensiunea la bornele bateriei

Fig 41. Curentul prin circuit cu sistem de orientare activ

39
CONCLUZII
În această lucrare s -a prezentat un sistem de auto -orientare a unui sistem fotovoltaic , alcăt uit
din două subsisteme, care permite orientarea unui panou fotovoltaic dupa punctul de lumină
cel mai intens. Rezulta tele experimentale confirmă creș terea eficienței panoului fotovoltaic în
momentele în care razele solare nu sunt perpendiculare pe acesta, la montarea pe suport fix,
față de montarea pe suport mobil.

1. Montarea pe suport fix. Panourile solare fotovoltaice și panourile solare de apă sunt, de
obicei, fixate, adesea montate pe un acoperiș înclinat în mod corespunzător. Avantajele
montării fixe pe trackere includ următoarele:
▪ Avantaje mecanice : Simplu de fabricat, costuri reduse de instalare și întreținere.
▪ Viteza vântului : este mai ușor și mai ieftin de a furniza o montare robustă; toate
suporturile, altele decât panourile fixe, trebuie să fi e proiectate cu atenție, având în vedere
încărcarea vântului datorită expunerii mai mari.
▪ Lumină indirectă : aproximativ 10% din radiația solară incidentă este lumină difuză,
disponibilă la orice unghi de aliniere necorespunzătoare cu Soarele.
▪ Toleranța la alinierea necorespunzătoare : zona eficientă de colectare pentru un panou
plat este relativ insensibilă la niveluri ridicate de aliniere necorespunzătoare cu Soarele –
vezi tabelul și diagrama de la secțiunea Conceptul de bază de mai sus – de exemplu, chia r
și o aliniere necorespunzătoare de 25 ° reduce energia solară directă, decât 10%.

2. Montarea pe suport mobil . Chiar dacă un panou fix fix poate fi setat pentru a colecta o
mare parte a energiei disponibile pe timp de noapte, puterea semnificativă este disponibilă și
în dimineața devreme și în după -amiaza târzie atunci când dezalinierea cu un panou fix devine
excesivă pentru a colecta un rezonabil proporția din energia disponibilă. De exemplu, chiar și
atunci când Soarele se află la numai 10 ° deasupra o rizontului, energia disponibilă poate fi în
jur de jumătate din nivelul energiei de la amiază (sau chiar mai mare în funcție de latitudine,
sezon și condițiile atmosferice).
Astfel, beneficiul principal al unui sistem de urmărire este colectarea energiei solare
pentru cea mai lungă perioadă a zilei și cu cea mai precisă aliniere, pe măsură ce poziția
Soarelui se schimbă cu anotimpurile.

40
În plus, cu cât concentrația utilizată este mai mare, cu atât este mai importantă
urmărirea precisă, deoarece proporția de energie derivată din radiația directă este mai mare,
iar regiunea în care se concentrează energia concentrată devine mai mică.

41
BIBLIOGRAFIE
[1] Gerro Prinsloo, Robert Dobson. (2015). Solar tracking , Book Edition.
[2] I. Bostan, V. Dulgher u, I. Sobor, V. Bostan , A. Sochirean. (2007 ). Sisteme de conversie a
energiilor regenerabile , Chișinău: Editura Tehnica -Info.
[3] Adrian Badea, Horia Necula (coordonatori). (2014). Surse regenerabile de energie .
București: Editura Agir.
[4] Emilian Zaides , Ioana Z aides . (2001). Conversia energiei. T ehnologii și resurse .
București: Editura ICPE.
[5] Victor Lucian (2014). Energia solară . Ghid d e captare ș i conversie a energiei solare
pentru utilizare . București: Editura Universitar ă.
[6] ***. Photovoltaic effect . Online la:
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Photovoltaic_effect#cite_note -3 (accesat
începând cu data 02.2019 )
[7] Koray A ltintas, Tugba Turk, Ozalp Vayvay. (2016). Renewable Energy for a Sustainable
Future, Marmara Journal of Pure and Applied Sciences , Special I ssue (1), pp.7-13.
[8] ***. Solar tracker (Sisteme de urmărire solară ). Online la:
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_tracker (accesat începând cu data 03.2018 )
[9] ***. Solar trackers (sistem de urmărire solară pe o axă și pe două axe ). Online la:
https://www.solarchoice.net.au/blog/solar -trackers/ . (accesat începând cu data 11.2018 )
[10] Suport M atlab. Online la: https://www.mathworks.com/help/matlab/
[11] ***. NSS Fine Sun Sensor (imagine senzor soare ). Online la :
https://www.cubesatshop.com/product/digital -fine-sun-sensor/ . (accesat începând cu
data 02.2019 )
[12] ***. The Sun As A Source Of Energy. Part 1: Solar Astronomy. Sections: Solar
Photovoltaics . Online la : https://www.itacanet.org/the -sun-as-a-source -of-energy/part -1-
solar -astronomy/ .(accesat începând cu data 02.2019 )
[13] ***. The Sun A s A Source Of Energy. Part 4: Irradiation Calculations. Sections: Solar
Photovoltaics . Online la : https://www.itacanet.org/the -sun-as-a-source -of-energy/ part-4-
irradiation -calculations/ .(accesat începând cu data 02.2019 )