Celule Si Panouri Fotovoltaice

Introducere:

“We have proved the commercial profit of sun power în the tropics and have more particularly proved that after our stores of oil and coal are exhausted the human race can receive unlimited power from the rays of the sun.”(Am demonstrat profitul comercial de energie soare la tropice și va fi pus în valoare, după ce depozitele noastre de petrol și cărbune sunt epuizate și rasa umană poate primi energie nelimitată de la radiația soarelui.) Frank Shuman (1862 -1918).

Surse de energie alternativa se definește ca fiind energie din surse regenerabile nefosile, respectiv solară, eoliană, aerotermală, geotermală, hidrotermală și energia oceanelor, energia hidroelectrică, biomasă, gaz de fermentare a deșeurilor, gaz provenit din instalațiile de epurare a apelor uzate și biogaz.

Uniunea Europeană prin DIRECTIVA 2009/28/CE A PARLAMENTULUI EUROPEAN ȘI A CONSILIULUI din 23 aprilie 2009 privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile, de modificare și ulterior de abrogare a Directivelor 2001/77/CE și  2003/30/CE arată necesitatea Uniunii Europene pentru găsirea unor surse de energie alternativă.

Acest interes către energiile alternative a apărut datorită accentuării problemelor de mediu datorită efectelor poluării generate de utilizarea combustibililor fosili (petrol, cărbune, gaze) , epuizarea resurselor globale de combustibili fosili, creșterea accentuată a prețurilor la combustibilii fosili pe măsura epuizării lor, creșterea autonomiei energetice și scăderea dependenței de țările exportatoare de petrol și gaze (peste 50% din energia Europei provine din țările aflate în afara Uniunii), generarea de locuri de muncă prin dezvoltarea unei industrii energetice regenerabile locale, dezvoltarea tehnologiilor de captare și valorificare a radiației solare permite adoptarea de soluții cu un înalt randament, accesibilitatea resurselor regenerabile ce pot fi utilizate aproape oriunde.

Soarele este cea mai importantă sursă de energie pentru Pământ. Experții estimează că dacă s-ar reuși captarea întregii energii solare ce ajunge pe pământ timp de o oră s-ar satisface necesarul energetic global pentru cel puțin 1 an. 

CAPITOLUL I: GENERALITĂȚI.

PERFORMANȚE ÎN DOMENIU

Radiația solară.

Soarele este un Corp ceresc central al sistemului nostru planetar, incandescent și luminos, în jurul căruia gravitează și se învârtește Pământul. Temperatura efectivă a radiațiilor emise de Soare este de aproximativ 6000 °C. O mică fracțiune din această energie ajunge pe Pământ.

Radiația solară este radiația electromagnetică emisă de Soare având lungimi de undă din întregul spectru al undelor electromagnetice.

O parte a radiației solare trece prin atmosfera Pământului, fiind absorbită și încălzind aerul. O altă parte este împrăștiată de particulele din atmosferă (radiația solară difuză). Cea mai mare parte ajunge la suprafața Pământului (radiația solară directă).

Intensitatea radiației solare reprezintă cantitatea de radiație solară, ce cade pe o anumită suprafață terestră într-o perioadă de timp.

Intensitatea și spectrul radiației solare depind de natura moleculelor întâlnite. Albastrul cerului poate fi explicat prin împrăștierea radiațiilor cu lungimi de undă mici, atunci când atmosfera este curată. Abundență și distribuția norilor, a vegetației, a gheții și a pământului influențează procentul de radiație solară absorbită.

Albedo (din limba latină alb) este o măsură a reflectivității unei suprafețe sau a unui corp. Caracteristicile fizice ale Pământului influențează albedoul. Astfel, iarna, în intervalul orar 12:00 – 14:00, albedoul are cele mai mari valori, fiind cuprins în intervalul 58 – 70 % datorită stratului de zăpadă. Vara albedoul este sub 30 %, în acasta perioadă atingându-se cele mai mici valori. Condițiile meteorologice influențează puternic modificarea valorilor albedoului pe parcursul anului.[3]

Valoarea albedoului învelișului vegetal crește în perioadele de vară și toamnă, atunci când plantele ajung la maturitate sau când încep să se usuce. Primăvara albedoul acestora este cuprins în intervalul 10 – 15 %.

Solurile de tipul cernoziomului au valoarea albedoului cuprinsă între 5 – 7 %, pe când solurile de tipul nisipului(deschise la culoare) au valoarea albedoului cuprinsă între 30 – 40 %.

Valorile medii ale albedoului bazinelor hidrografice variază vara între 6 – 7 % și iarna între 12 – 15 %.

În funcție de mișcările de rotație și de revoluție ale Pământului, intensitatea radiației solare directe are variații zilnice, sezoniere și anuale depinzând de starea atmosferei și de poziția pe glob,acesta fiind un efect al variațiilor de temperatură atât între zi și noapte, cât și între anotimpuri.[3]

Constanta solară este mărimea ce caracterizează cantitativ radiația solară. Constanta solară reprezintă cantitatea de energie primită de la Soare de o suprafață cu aria de 1 cm2 așezată perpendicular pe direcția razelor solare, în afara atmosferei terestre, la distanța medie a Pământului de Soare, în unitatea de timp.

Constanta solară măsurată prin atmosfera terestră este:

F=1367W . m-2

Atât variația distanței Pământ – Soare, cât și fenomenele solare influențează această valoare

Distanța medie Pământ – Soare este de aproximativ 149 milioane km, iar traiectoria Pământului în jurul Soarelui este o ușoară elipsă excentrică; această distanță se modifică periodic odată cu solstițiul de vară, respectiv solstițiul de iarnă.

Raportul energetic Soare-Pamant.

Atât interacțiunea dintre atmosferă, litosferă, hidrosferă și radiația solară, cât și balanța de energie dintre radiația primită și cea cedată au ca rezultat climatul Pământului.

Radiația solară este sursa de energie pentru sistemul climatic. În jur de 50% din radiație, are lungimi de undă cuprinse între 400 – 800 nm (UV – VIS). 48% din radiație are lungimi de undă cuprinse între 800 și 2000 nm. Restul încadrându-se în domeniul UV.

Din cantitatea totală de radiație primită de fiecare metru pătrat din suprafața pământului, aproximativ 30% este reflectată, o parte este absorbită de atmosferă și aproximativ 40% este cantitatea de radiație ce încălzește efectiv suprafața pământului și a bazinelor hidrografice. Suprafața terestră cedează o mică parte din această cantitate sub formă de radiații IR sau vapori.

Orice obiect radiază energie într-o anumită cantitate și la o anumită lungime de undă tipică pentru temperatura respectivului corp. La temperaturi mai mari este radiată energie într-o cantitate mai mare, la lungimi de undă mai mici. Pentru că pământul să radieze 50% din radiația primită va trebui să radieze la o temperatură de −19°C cu lungimi de undă cuprinse între 800 și 2000 nm. Această temperatură este cu 33°C mai mică decât temperatura medie de 14°C de la suprafața terestră.

În urma unor măsurări a radiației totale efectuate în spațiu în jurul anilor 1970, s-a constatat faptul că mărimea numită „constanta solară”, variază. Un ciclu solar are 11 ani, iar între minimul și maximul acestuia, variația radiației totale solare este de 0,08%.

Reconstrucția radiației totale solare din trecut se realizează cu ajutorul unor indicatori cum ar fi: diametrul astrului solar, numărul de pete solare, măsurarea directă a acesteia fiind posibilă doar de câțiva ani. Metodele utilizate pentru determinarea radiației totale solare din trecut, sunt ineficiente, deoarece generează rezultate contradictorii.

Chiar și pe parcursul secolului XX radiația totală solară mai avea secrete față de cercetători. Aceștia studiază încă influența pe care o are radiația totală solară asupra stratului de ozon și dacă formarea norilor este influențată de razele cosmice.

În figură de mai jos este prezentată repartiția energetică a radiației solare globale în funcție de lungimea de undă:

Figura 1.1 Repartiția energetică a radiației solare globale în funcție de lungimea de undă.

În următoarea figură este prezentată variația radiației solare globale ultraviolete. Aceasta are o variație diurnă ascendentă până în jurul orelor 12:00, perioada în care se atinge, de regulă, maximul. Pe parcursul celei de-a două jumătăți a zilei, radiația UV are o variație descendența.

Figura 1.2 Variația zilnică a radiației solare globale ultraviolete, la București

Cantitatea și calitatea radiației solare.

Stratul de ozon absoarbe cea mai mare parte a radiației solare din stratosferă. Radiația IR este absorbită de gazele cu efect de seră. Radiațiile cu lungimi de undă în domeniul UV-VIS traversează atmosfera și ajung pe suprafața terestră, norii jucând un rol important în acest proces.

Absorbția și filtrarea radiației solare este cu atât mai puternică cu cât atmosfera este mai densă. Atunci când direcția razelor solare este de 90° intensitatea acestora este mult mai mare. Atunci când direcția razelor solare este de 5° față de orizont, radiația solară parcurge un strat de aproximativ 10 ori mai gros decât situația prezentată anterior. Astfel poate fi explicată posibilitatea ochiului uman de a privi soarele direct, fără protecție la răsărit și la apus, fără să existe pericolul de orbire.

Radiația solară cu lungimi de undă mici este proporțională cu altitudinea, fenomen explicat prin creșterea densității atmosferei și a gazelor cu efect de seră ce absorb radiația.

Aerul curat din zona montană facilitează trecerea radiațiilor. În anotimpul cald, atunci când cerul nu este acoperit de nori, cantitatea de radiație este cu aproximativ 25% mai mare la altitudini de peste 3500 de metrii față de 200 de metrii. Când cerul este înnorat cantitatea de radiație este de 160% la altitudini mari.

Efectul pantei.

Topografia și caracteristicile suprafeței sunt principalele cauze ce pot influența puternic cantitatea de energie primită de o suprafața în munți. Aceasta poate fi determinată dacă diverși parametrii cum ar fi: latitudinea, ora, unghiul și orientarea pantei, înălțimea soarelui, sunt cunoscuți.

O suprafață plană are mai multe ore de radiație solară față de o pantă montană. Astfel la latitudini de aproximativ 45°, suprafețele plane primesc o cantitate mai mare de energie față de pante, fenomen care poate fi explicat prin faptul că soarele este mereu sus pe cer. Pantele sudice din emisfera Nordică primesc o cantitate de energie mai mare, în timp ce pantele nordice din emisfera de sud sunt mai calde.

Suprafețele montane sunt diverse: suprafețe unde predomină iarba, zăpada, apă, pădurea. Cantitatea de energie solară primită de suprafața terestră este puternic influențată ce această diversitate.

Zăpada se topește mai repede în jurul copacilor, deoarece căldură este transferată ca energie termică de lungime de undă mai mare la suprafețele adiacente.[4]

1.2 Interpretarea gragica a radiației solare.

Cu ajutorul satelitior spațiali se poate realiza potențialul de utilizare a energiei solare în România, și este relativ important, așa cum se observă în figurile 1.3, 1.4 și 1.5, care reprezintă hărți ale radiației solare pe glob. Există zone în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450…1600kWh/m2/an, în zona litoralului Mării Negre și Dobrogea ca și în majoritatea zonelor sudice. În majoritatea regiunilor țării, fluxul energetic solar anual, depășește 1250…1350kWh/m2/an.[9]

Pământul:

Figura 1.3 Harta globala cu iradiere orizontala

Europa:

Figura 1.4 Harta Europei cu iradiere orizontala

România:

Figura 1.5 Harta Romaniei cu iradiere orizontala

1.3 Pionierii industriei energiei solare.

Utilizarea energie solare datează încă din antichitate, în momentul de față fiind considerate metode învechite și ineficiente, dar la acel moment reprezenta un punct avansat de tehnologie.

În 1897, Frank Shuman, un inventator din Statele Unite ale Americii, inginer și pioneer în sistemele solore a construit un dispozitiv pentru a face o demostratie ce avea la baza funcționării sale reflexia lunimii solare în cutii pline cu eter, ce are un punct de fierbere mai mic decât apa, iar în interiorul cutiilor au fost montare o serie de conducte negre care alimentau un motor cu abur.

Arhitectura cladiriolor și influieta soarelui asupra lor.

Lumina soarelui a influientat proiectarea clădirilor de la incepul istoriei arhitecturale. Grecii și chinezii au angajat primi oameni experți în planificare urbană în funcție de poziția soarelui pentru o orientare cât mai eficientă în captarea luminii și a căldurii.

Caracteristicile pasive în utilizeare energie solare sunt orientarea față de Soare, umbrire selectivă, suprafere cât mai mari expuse către radiația termică. Dacă aceste caracteristici sunt adaptate climatului local și mediului se obțin spații bine luminate cu temperaturi confortabile. Cele mai recente abordări pentru modelarea proiectelor urbane pe calculator folosind simulatoare se realizează legatura dintre caracteristicele pasive cu cele active (încălzire, ventilație, iluminat, ect.) oferind un pachet de desing solar. Echipamentele solare active pot fi îmbunătățite odată cu avansarea tehnologiei.[10]

Transportul solar.

Panourile fotovoltaice au fost utilizate ca sursă de curent în spațiu. Rar întâlnim ca să alimenteze în totalitate un mijloc de transpot, dar se folosește pentru aplicații sau ca putere auxiliară, astfel reducând din consumult principal de energie. Unele mașini au instalate panouri solare pentru a alimenta aerul condiționat. Un vehicul ce ar depinde în totaliate de energiea rezultată de la panourile solarea ar avea putere și utilitate limitată.

Transportul terestru, aerian și maritim e în plină dezvolare, la nivel mondial organizându-se concursuri între Universitari, centre de dezvoltare, și de la an la an fiecare participant vine cu noi experiențe și noi inovații în domeniu, astfel:

În 1987, viteza medie a câștigătorului concursului din Australia World Solar Challenge a fost de 67 de km/oră (42 mph), și în 2007 viteza medie a câștigătorului a crescut la 90.87 km/oră (56.46 mph) (Fig 1.7).

Există un interes militar considerabil în vehicule aeriene bazate pe energie solară. Ar permite acestora să rămână în aer pentru luni de zile, devenind un mijloc mult mai ieftine de a face unele sarcini făcut astăzi de către sateliți. În septembrie 2007, a fost raportat primul zbor de succes pentru 48 de ore sub energie constantă a unui UAV (Fig. 1.8).

În 1975, prima barcă solară a fost construit în Anglia. Până în 1995, un număr mare de bărci de pasageri aveam panouri fotovoltaice. În 1996, Kenichi Horie a realizat prima traversare cu energie solară din Oceanul Pacific.

Balonul solar este un balon negru, care este umplut cu aer obișnuit. Lumina soarelui strălucește pe balon, aerul din interior este încălzit la fel ca la un balon încălzit artificial cu aer cald.

Aeronave solare includ atât aeronavele ce se baseza doar pe energia solară cât și aeronavele hibrid.[10]

Încălzirea solară.

Captarea energie solare se sealizeaza cu un  colector solar (captator solar, panou solar termic), ce reușește să capteze razele solare și o transformă în energie termică. Deoarece aproape întreg spectrul radiației solare este utilizat pentru producerea de energie termică, randamentul acestor colectoare este ridicat, fiind în jur de 60 % – 75 % raportat la energia razelor solare incidente pe zona respectivă (200 – 1000 W/m² în Europa, în funcție de latitudine, anotimp și vreme).

La latitudini geografice mici (sub 40 de grade), 60 – 70% din consumul de apă caldă menajeră cu temperaturi de până la 60 ° C, pot fi furnizate de către sistemele de încălzire solară.

elementului absorbant fată de mediul înconjurător. În funcție de tehnica utilizată în acest scop se deosebesc:

colectoare ce utilizează materiale izolatoare obișnuite;

colectoare în care izolarea termică se realizează cu ajutorul vidului dar au o tehnologie de fabricație costisitoare;

colectoare ce se bazează pe tehnici simple și care se utilizează la încălzirea bazinelor de înot.

CAPITOLUL II: CELULE ȘI

PANOURI FOTOVOLTAICE

2.1. Celula Fotovoltaică.

O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor cel mai întâlnit fiind siliciul (Si). Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 până la 0,2 mm și sunt dopate cu electroni pentru a forma joncțiuni „p” și „n”. Această structură e similară cu a unei diode cu joncțiune p-n. Când acest strat de siliciu este expus la lumină se va produce o mișcare ordonată a electronilor din material semiconductor și va fi generat un curent electric.

Curentul generat de o singură celulă este mic dar combinații serie, paralel al acestor celule pot fi produși curenți suficienți de mari pentru a putea fi utilizați. Aceste celule de obicei sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și o protecție mai mare la intemperii.

În schema de mai sus nu au fost introduse următoarele categorii de celule fotovoltaice deoarece tehnologiile necesare sau costurile de producție în momentul de față sunt prea ridicate, sunt în faza incipientă de dezvoltare și testare sau au destinație specială, și nu sunt folosite la scară largă:

Celule pe bază de elemente semiconductoare din grupele III – V:

Celulele cu GaAs au randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură, la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu, robust vis-a-vis de radiația ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spațială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)

Celule solare pe bază de compuși organici:

Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuși care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Acestea prezintă totuși un impediment prin faptul că aceste celule au un randament redus și o durată de viață redusă (max. 5000h). Încă nu există in uz general celule solare pe bază de compuși organici.

Celule pe bază de pigmenți:

Aceste celule, numite și celule Grätzel utilizează pigmenți naturali pentru transformarea luminii în energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt de culoare mov.

Celule cu electrolit semiconductor:

De exemplu soluția: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte ușor de fabrict dar puterea și siguranța în utilizare sunt limitate.

Celule pe bază de polimeri:

Deocamdată se află doar în fază de cercetare.

2.2. Tipuri de celule fotovoltaice:

Eficiența celulelor fotovoltaice.

Figura 2.1 Eficiența celulelor fotovoltaice

Randamentul acestor celule solare și module este dependentă de tehnologia folosită (sau materialul folosit). Materiale diferite și combinații produc o rată a randamentului diferită. Randamentul teoretic maxim care poate fi atins este de aproximativ 42 % pentru materialele cunoscute în prezent pentru a produce energie electrică . Sunt unele materiale de top care nu sunt prezentate în figură de mai sus și care sunt utilizate în industria spațială.

Din experiență putem spune că materialele utilizate în laborator au o eficiența cu cel puțin 30% mai mare decât cele utilizate în producția industrială. În general durează între 5- 10 ani pentru ca un material testat în laborator să ajungă pe piață comercială.

Module solare.

Celulele fotovoltatice sunt interconectate pentru a forma module și sunt așezate între două starturi (unul transparent și altul protector) pentru a forma un panou solar. Puterea electrică a acestor module variază între 5W și 200W și uneori și până la 300W.  Modulul solar  fiind „cărămida” de construcție a unui sistem fotovoltaic pentru a obține puterea dorită.

2.3 Caracteristicile unui panou fotovoltaic sunt:

• Tensiunea de mers în gol UOC, respectiv, tensiunea la bornele celulei, atunci când curentul debitat este nul

• Curent de scurtcircuit ISC, respectiv curentul debitat de celulă, atunci când tensiunea la bornele sale este

nulă

• Tensiunea în punctual optim de funcționare UMPP

• Curentul în punctual de putere maximă IMPP

• Putere maximă PMPP

• Factor de umplere FF

• Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei

• Randamentul celulei solare η

Variația puterii funcție de temperatură.

Temperatura celulelor este mai ridicată deoarece celulele sunt expuse radiației solare, . În plus, o parte din energia absorbită nu este convertită în energie electrică: se disipa sub formă de căldură. Din aceste motive, temperatura celulelor este întotdeauna mai ridicată decât a mediului ambient cât timp sunt expuse radiației solare.

Variația caracteristicilor curent-tensiune ale celulelor fotovoltaice funcție de temperatura joncțiunii, la iradiere solară face referire la faptul că cu cât temperatura este mai mică, cu atât celula este mai eficientă.

Sistemele fotovoltaice nu utilizează decât o mică parte din radiația solară și de anumite lungimi de undă, pentru a produce energie electrică. Restul energiei primite la suprafață este transformată în căldură, ce conduce la creșterea temperaturii celulelor componente și la scăderea randamentului lor. În consecință, creșterea productivității energetice a acestor instalații presupune atât eficientizarea funcționării lor în domeniul electric, cât și studiul fenomenelor termice care au loc. Fiecare grad termic de încălzire a celulei, determină o pierdere a randamentului de ordinul a 0,5 %. În mod empiric, s-a constatat că fotocurentul crește puțin cu temperatura (de ordinul a 0.05%/°K, în cazul celulelor cu siliciu).

De asemenea, se poate observa că punctul de putere maximă poate avea variații semnificative.

Variația caracteristicilor celulelor electrice în funcție de iradierea solară

Iluminarea influențează esențial caracteristicile celulelor. În figurile de mai jos sunt prezentate caracteristici I-U (curent-tensiune) și P-U (putere-tensiune), pentru diferite valori a expunerii la lumină. Se poate considera că tensiunea U este constantă, deoarece variația valorii Upmax în funcție de iluminare, este infimă. Pierderea de putere sunt neglijaate.

Pentru creșterea iluminării celulelor, este de dorit ca acestea să fie orientate astfel încât, razele Soarelui să cadă perpendicular pe ele. De exemplu, pe timpul iernii, un panou plasat orizontal este de două ori mai puțin eficient decât un panou înclinat, astfel încât incidentă radiației să fie perpendiculară pe acesta.

În condiții standard STC (1000W/m2, 25°C, AM1.5), puterea maximă a unei celule de siliciu de 10 cm2 va fi de aproximativ 1,25 W. Celulă fotoelectrică elementară reprezintă, deci, un Pentru creșterea iluminării celulelor, este de dorit ca acestea să fie orientate astfel încât, razele Soarelui să cadă perpendicular pe ele. De exemplu, pe timpul iernii, un panou plasat orizontal este de două ori mai puțin eficient decât un panou înclinat, astfel încât incidentă radiației să fie perpendiculară pe acesta.

În condiții standard STC (1000W/m2, 25°C, AM1.5), puterea maximă a unei celule de siliciu de 10 cm2 va fi de aproximativ 1,25 W. Celulă fotoelectrică elementară reprezintă, deci, un generator electric de foarte mică putere, insuficient pentru majoritatea aplicațiilor casnice sau industriale. În consecință, generatoarele fotoelectrice sunt realizate prin conectarea în serie și în paralel a unui număr mare de celule elementare. Aceste grupări se numesc module, care la rândul lor vor forma panourile solare.

Această conectare trebuie să se realizeze cu respectarea anumitor criterii precise, ținând cont de dezechilibrele care se creează în timpul funcționării într-o rețea de fotocelule. Practic, chiar dacă numeroasele celule care formează un generator, sunt teoretic identice, datorită inevitabilelor dispersii de fabricație, ele au caracteristici diferite. Pe de altă parte, iluminarea și temperatura celulelor nu este aceeași pentru toate celulele din rețea. Din aceste motive trebuiesc luate măsuri pentru evitarea deteriorării celulelor (diode de protecție).

Tensiunea și intensitatea curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică din siliciu, la diferite intensități ale radiației solare

2.4 Sisteme fotovoltaice.

Sistemul fotovoltaic mai dispune și de alte componete iar cele mai importante sunt acumulatorii și invertoarele. Sistemele fotovoltaice pot fi descrise de două categorii principale.

Sisteme independente:

Aceste sisteme sunt utilizate în zone fără energie electrică.  În principiu energia produsă de panourile solare este stocată în baterii, iar de acolo este furnizată cu ajutorul unui invertor (convertor curent continuu – curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220V.

Figura 2.2 Sisteme independente

Aceste sisteme sunt în general grupate pe aplicații profesionale de telecomunicații , sisteme de pompare, iluminat, etc., sau pe aplicații în mediul rural fără energie electrică.

Sisteme conectate la rețea:

Aceste sisteme sunt utilizate în zone cu energie electrică.  În principiu energia produsă de panourile solare este livrată în rețeaua națională și în același timp folosită pentru aplicatile casnice.

Figura 2.3 Sisteme conectate la rețea

Aceste sisteme permit reducerea semnificativă a costurilor cu energia electrică consumată dar presupun o investiție inițială care se va amortiza în timp.

CAPITOLUL III: ARDUINO

3.1 Platforma Arduino.

Este o platformă electronică pentru realizare de prototipuri bazat pe open-source, ușor de utilizat hardware și software. Este destinat pentru artiști, designeri, hobby-uri, și oricine este interesat de crearea de obiecte interactive.

Arduino poate simți mediul prin intrările pe care le are la dispoziție, o varietate de senzori și poate controla jocuri de lumini, motoare, și alte elemente de acționare/afișare. Microcontrollerul de pe placă poate fi programat folosind limbajul de programare Arduino și mediul de dezvoltare Arduino (pe bază de procesare). Proiectele Arduino pot fi de sine stătătoare sau pot comunica cu software-ul care rulează pe un calculator (de exemplu Flash, procesare, MaxMSP).

Proiectele de referință hardware (fișele CAD) sunt disponibile sub o licență open-source.

Arduino a primit o mențiune de onoare în secțiunea Comunități Digital din 2006 Ars ​​Electronica Prix. Echipa Arduino este formata din: Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino și David Mellis.

Tipuri de plăci Adruino.

3.2 Modelul Adruino ales.

Arduino Duemilanove.

Placa Adrduino Duemilanove(„2009”) are microprocesorul bazat pe ATmega328. Are 14 intrări/ieșiri digitale, din care 6 pot fi folosite ca ieșiri PWM, 6 intrări analogice, un oscilator de 16 MHz, un conector USB, o mufă de alimentare de tip jack, un cap ICSP și un buton de restart.

Conține tot ce are nevoie să suporte microprocesorul, se alimentează cu un cablu USB la calculator, adaptor AD-DC sau cu o baterie.

Figura 3.1 Placa Arduino Duemilanove

Caracteristici:

Putere.

Arduino Duemilanove poate fi alimentat via un cablu USB sau o sursă exterioară, aceasta fiind selectată automat.

Sursele externe (non USB) pot fi ori adaptoare AC-DC ori baterii. Adaptorul poate fi conectat prin montarea a unei mufe de 2.1 mm cu centru de intrare jack. În același mod se poate monta și bateria.

Placa poate funcționa, fiind alimentata de la o sursă exterioară de la 6 la 20 de volți. Dacă este alimentată la mai puțin de 7V, este posibil ca la pinul de 5V ai aibă o tensiune mai mică și placa să fie instabilă. Dacă sunt mai mult de 12V, regulatorul de tensiune este posibil să se supraîncălzească și să distrugă placa. Tensiunea recomandată este de 7-12V.

Pinii de alimentare sunt:

VIN. Atunci când folosești o sursă de alimentare externă;

5V. Regulatorul de tensiune alimentează microprocesorul și alte părți componente de pe placa de dezvoltate;

3V3. Această tensiune de 3.3V este generată de cipul FTDI, oferind un curent de maxim 50mA;

GND. Pini de masă.

Memoria.

Atmega168 are 16KB de memorie Flash pentru stocarea codurilor (din care 2 KB sunt dedicați pentru bootloader), 1 KB de SDRAM și 512 bytes de EEPROM ce pot fi citiți și/sau scriși cu biblioteca EEPROM ;

Atmega328 are 32KB de memorie Flash pentru stocarea codurilor (din care 2 KB sunt dedicați pentru bootloader), 2 KB de SDRAM și 1KB de EEPROM ce pot fi citiți și/sau scriși cu biblioteca EEPROM ;

Intrări și ieșiri.

Fiecare din cei 14 pini de pe Duemilanove pot fi folosiți ca pini de intrare sau de ieșire, folosind funcțiile pinMode(), digitalWrite() și digitalRead(). Operează fiecare la 5 volți. Oricare dintre pini poate debita sau primi maxim 40 mili-Amperi și au un rezistor interior (deconectat din setările stabilite) de 20-50 kOhmi. Unii pini au funcții speciale:

Serial: 0(RX) și 1(TX). Folosiți la primirea(RX) și transmiterea(TX) de date serial TTL. Acești pini sunt conectați și corespund cu pinii FTDI USD la TTL serial chip.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10 și 11. Cu funcția analogWrite() furnizează 8-biti la ieșirea PWM

SPI: 10(SS), 11(MOȘI), 12(MISO), 13(SCK). Pini suportă comunicație SPI prin SPI library.

LED: 13. Atunci când există semnal ledul de la pinul 13 se aprinde, iar la dispariția semnalului se stinge.

Duemilanove are 6 intrări analog, fiecare oferind 10 biți de rezoluție( 1024 valori diferite).

Mai există și alți pini pe placa de dezvoltare:

AREF. Curent de referință pentru intrările analog. Se folosește cu analogReference()

Reset. Folosit pentru resetarea microcontrolerului .

Comunicația.

Posibilitățile de comunicare pe care le are Arduino Duemilanove cu un calculator, cu o altă placă Arduino sau alte microcontrolere sunt multiple. Atmega168 și Atmega328 oferă UART TTL(5V) comunicare serială, ce este disponibilă pe pinii 0(RX) și 1(TX). FTDI FT232RL de pe placă merge peste canalul serial USB și FTDI și oferă un port COM virtual pe calculator. Softul Arduino include un monitor serial care permite text simplu să fie trimis către și de la placa Arduino. Ledurile RX și TX de pe placă se vor aprinde când informații sunt transmire via FTDI Chip prin cablu USB din calculator (dar nu și prin comunicația serial de 0 și 1).

SoftwaewSerial library permite comunicarea serial pe oricare din pinii digitali ai plăcii.

Atmega168 și Atmega328 suporta I2C(TWI) și SPI.

Programarea.

Arduino Duemilanove poate fi programat cu softeware-ul Arduino. Se selectează Arduino Diecimila sau Duemilanove w/ Atmega168” sau Arduino Duemilanove w/ Atmega 328” din TOOLS>Board.

ATmega168 și ATmega328 vine programat cu un bootloader ce permite încărcarea codurilor noi fără a fi nevoie de un programator extern. Comunicația se face cu protocolul STK500 original.

Se poate trece peste bootloader și să programezi microcontrolerul prin ICSP.

Resetare Automată (software).

În loc să resetezi placa manual, înainte de o încărcare a unui cod, Adruino Duemilanove e proiectat într-un mod ce îți permite să îl resetezi din software când este conectat la un calculator. Linia microprocesorului este resetată de un condensator cu o capacitate de 100 nanofarazi. Arduino folosește această funcție pentru simplitatea încărcări unui cod, doar apăsând pe butonul de încărcare. Asta inseamana ca bootloaderul poate avea o scurtă perioadă de nefuncționalitate.

Această setare are și alte implicații. Atunci când placa este conectată la un calculator ce folosește ca sistem de operare Mac OS X sau Linux, se resetează de fiecare dată o legătură făcută din program. Pentru următoarea jumătate de secundă bootloaderul rulează pe Duemilanove. Cât timp este programat să ignore informațiile modificate(n.r. orice în afară de încărcarea unui cod nou), va intercepta primii câțiva biți ai informației trimise către placă după care conexiunea este deschisă. Dacă un program lucrează pe placă, primește o singură dată configurația sau alte informații când pornește prima dată. Trebuie să te asiguri că programul cu care comunică, așteaptă o secundă înainte de a deschide conexiunea și o secundă înainte să trimită informațiile pe canalul de comunicare. Duemilanove are un senzor ce poate fi dezactivat pentru a evita autoresetul. Piciorușele de pe fiecare parte a senzorului pot fi unite pentru a reactiva autoresetul. Deasemenea poți dezactiva autoresetul prin conectarea unei rezistențe de 110 ohmi între linia de reset și 5 V.

Protecție supracurent USB.

Arduino Duemilanove are o siguranță resetabilă care protejează portul USB al calculatorului de scurtcircuit și de supraîncărcări. Cu toate că majoritatea computerelor au protecție internă la porturileUSB, siguranța oferă o protecție suplimentară. Dacă un curent mai mare de 500 mĂ este aplicat portului USB, siguranța va sări automat și va întrerupe conexiunea până când scupracurentul este îndepărtat.

Caracteristicile fizice.

Lungimea maximă a PCB Duemilanove este de 2.7 respectiv 2.1 inchi, având conectoarele de USB și mufa de alimentare peste dimensiunea specificată. Găurile pentru șuruburi din placă îi permit acesteia să fie atașată de o suprafață sau o carcasă. Este de precizat că distanța dintre pinii digitali 7 și 8 este de 160 mil (0.16”), nu un multiplu de 100 mil spcific celorlalți pini.

3.3 Modulele auxiliare arduino.

Modulul SD-Card.

Microcontrolere au extrem de limitat spațiul de stocare încorporat. De exemplu, Mega cip Arduino (Atmega2560) are 4Kbytes spațiu de stocare EEPROM.

Modulul SD-Card și Memoria Flash SD.

Cardul SD lucrează doar la 3.3V, iar puterea de intrare/ieșire trebuie să fie egalizata. Modulul folosește un FETs pentru schimbarea nivelurilor și are un regulator de putere în cazul în care se operează la 5V. Modulul poate fi folosit cu Arduino dar nu numai.

Modulul are un slot de cad SD prins fix pe placa auxiliară, dimensiunea memoriei flash suportate fiind de până la 8 GB. Funcționarea se face cu biblioteca SdFAT, iar cardul se formatează cu FAT32 și SD/HC.

Paginile hardware Arduino pe site-ul oficial prezintă următoarea configurație de PIN:

-10 (SS) "Slave"

-11 (Moși), "Master Ouț Slave În"

-12 (MISO) "Master în Slave Ouț"

-13 (SCK) "System Clock"

Fizic pentru a conecta acest modul trebuie conectați astfel:

-10 (SS) pentru CS

-11 (Moși) pentru DI

-12 (MISO) pentru DO

-13 (SCK) pentru CLK

– G pentru GND

– + pentru 5V

Modulul RTC.

DS1307 Serial Real-Time Clock este un modul de joasa putere, codat binar (BCD) pentru ceas / calendar pe 56 bytes de NV SRAM. Adresele și datele sunt transferate serial prin intermediul a 2-fire bi-directional pe magistrala.

RTC-ul prevede secunde, minute, ore, ziua, data, luna și anul. Funcționează fie în format de 24 ore fie 12 ore, cu indicator AM / PM. Are un circuit construit un sens de putere, care detectează căderi de tensiune și comută automat la alimentare de la baterie.

DS1307 funcționează ca slave pe magistrala serială. Accesul se obține prin implementarea unei condiții START și urmat de o adresă de identificare dintr-un registru. Registre ulterioare pot fi accesate secvential pana la executarea unei condiții STOP. Când VCC scade sub 1,25 x VBAT dispozitiv termină accesul în curs de desfășurare și resetează adresa dispozitiv. Când VCC scade sub VBAT +0.2V dispozitivul intra in modulul baterie de rezervă de curent mic.

Figura 3.2 Modul RTC Serial

Elementele principale ale RTC serial.

Celula fotovoltaică.

Specificații tehnice:
Condiții de operare standard (STC):
• Radiație solară: 1000W/m2
• Temperatura celulei 25°C
• Spectrul radiației AM 1,5

• Tensiune de mers în gol: 5.27V
• Curentul de scurt circuit: 102.5mA
• Tensiune de ieșire MPP: 4.40V
• Curentul de ieșire MPP: 95.0mA
• Puterea de ieșire MPP: 418.0mWp
*STC=În condiții de încercare standard; MPP=punctul maxim:

• Țip: Mono
• Clasa de protecție: IP65
• Dimensiuni : 41.0 x 67.5 x 1.8mm
• Temperatura de operare: -30…+60°C

Pagina de catalog va fi anexata la Anexa1.

CAPITOLUL IV:

REALIZAREA PRACTICĂ A DISPOZITIVULUI DE MONITORIZARE ȘI ÎNREGISTRARE A RADIAȚIEI SOLARE

4.1 Dispozitivul de monitorizare și înregistrare a radiației solare.

Acest dispozitiv este format dintr-o placă Arduino Duemilanove, un modul RTC , un modul SD Cadr,un card SD, un acumulator și o celulă fotovoltaică.

Schema de principiu [1]:

Schema de conectare a circuitului:

În cazul în care avem un panou fotovoltaic ce generează o tensiune mai mare de 5V, realizăm un divizor de tensiune pentru a proteja dispozitivul iar pentru înregistrarea corectă a tensiunii generată de panoul fotovoltaic imultim cu raportul de vizizare conform formulei[2]:

Schema de conectare a modulelor:

Figura 3.3 Dispozitivul de monitorizare și înregistrare a radiației solare.

Plăcii de dezvoltare Arduino Duemilanove i se atașează în pinul 0 și GND conexiunile ce vin de la panoul fotovoltaic pentru efectuare a măsura tensiune debitată la bornele acestuia. Modulul SD Card se va conecta astfel: pinul 13 la pinul SCK, pinul 12 la MISO, pinul 11 la MOȘI, pinul 10 la CS(SS), pinul 5V la 5V și pinul GND la GND. Modulul RTC Seerial se va conecta astfel: pinul 5V la Vcc, pinul GND la GND, pinul 4 la ȘCL și pinul 5 la SDA (Fig. 3.4).

Figura 3.4 Modulele atașate dispozitivul de monitorizare și înregistrare a radiației solare.

4.2 Codul Programului.

După realizarea dispozitivul practic, se va încărca codul ce va inițializa data și ora. Data și oră vor rămâne stabilite conform acestei setări până în momentul în care bateria modulului RTC se va consuma sau până la defectarea modulului.

Codul sursă RTC Serial:

Dacă a fost setată data și ora se poate încărca programul pentru monitorizarea și înregistrarea radiațiilor solare pe placa Duemilanove. Se va efectua citirea tensiunei panoului fotovoltaic prin pinul „0” și „GND” , și se va înregistra rezultatele măsurătorilor împreună cu data și ora la care au avut loc.

Codul dispozitivului de monitorizare și înregistrare a datelor:

4.3 Funcționarea dispozitivului.

Dispozitivl realizat este conectat la un calculator prin cablu USB de tip A/B și prin intermediul programului Arduino accesăm monitorizarea serială. La deschiderea COM 3 o să ne apară o fereastră care ne informează că SD Card se instalează (Fig 4.3).

Figura 4.3 Instalarea SD Card

După finalizarea instalării SD Card suntem anunțați dacă instalarea s-a încheiat cu succes sau dacă a eșuat (Fig. 4.4 – 4.5).

Figura 4.4 Instalarea SD Card reusita Figura 4.5 Instalarea SD Card esuata

Dacă la începerea instalării nu este introdus cadul SD în modulul SD Card va apărea un mesaj cu „initialization failed!” ce indică faptul că instalare a eșuat. Se introduce cardul SD și se va da un restart.

Dacă instalarea a reușit va apărea mesajul „initialization done.” urmat de dată, ora și tensiunea înregistrată. La fiecare înregistrare pe cardul de momorie va apărea acest text cu data, ora și tensiunea măsurată.

Rezultate obținute.

Pentru citirea și interpretarea rezultatelor se va scoate cardul de memorie din modulul SD Card și în vom conecta la un calculator prin internediul unui cititor de carduri.

Dacă cardul SD a fost formatat până la introducerea în dispozitiv, la citirea acestui pentru recoltarea datelor vom găsi un singur fișier text (Fig 4.6), voltage.txt în cazul nostru, și la deschiderea lui vom găsi informații de formă: 14/7/13;18:25:15 0.32, unde 14/7/13 reprezintă dată în care a fost făcută măsurătoarea, respectiv 2014-Iulie-13, 18:25:15 reprezintă ora la care a fost făcută măsurătoarea și 0.32 reprezintă tensiunea măsurată în acel moment pe celula fotovoltaică (Fig. 4.7).

Figura 4.6 Fisierul cu textul voltage

Figura 4.7 Continutul textului voltaje

Rezulatele obținute pot fi prelucrate după caracteristi U-I specifică fiecărei tip de celula său complex de conexiuni de celule fotovoltaice, caracteristică ce este specificată în foaia de catalog a produsului său pe site-ul producătorului.

Datele obținute, odată ce sunt importate în programul Microsoft Office Excell se pot obține statistici sub formă de grafice pe zile, luni sau ani, ceea ce arată dacă explotarea radiației solare în acea zonă geografică sunt sau nu rentabile.

Concluzii:

În condițiile actuale, în care problematica energetică câstigă în importanță, iar protecția mediului a devenit o cerință a societății, s-au intensificat și eforturile pentru dezvoltarea tehnologiilor de valorificare a energiilor neconvenționale.

Pe plan mondial se utilizează sisteme solare termice într-o gamă largă de aplicații, cu un nivel ridicat de complexitate.

Dezvoltarea și perfecționarea tehnologiilor de captare și valorificare a radiației solare rămane un subiect de actualitate, datorită avantajelor pe care energia solară le oferă:
• Soarele este o sursă de energie nepoluantă și practic inepuizabilă

• Energia solară poate fi transformată și în alte forme de energie.

Sistemele solare implementate în prezent au performanțe energetice ridicate, având ca rezultat economii considerabile de combustibil.

În aceste condiții inginerul trebuie să își însușescă tehnologiile adecvate și să le aplice în așa fel încât să asigure creșterea randamentului în utilizarea energiei. Menținerea unui regim termic optim reprezintă cerința de bază în proiectarea și exploatarea unui sistem termic solar.

Este necesar ca la alegerea soluției tehnice să se țină seama de caracteristicile climatice ale zonei, de particularitățile construcției și totodată se impune analiza economică a sistemului ales.

Prezenta lucrare cuprinde două parți, respectiv o parte documentară și una experimentală:

În partea documentară am prezentat informații generale privind Soarele și activitatea sa. Am continuat cu o serie de considerații teoretice privind radiația solară privită ca fenomen fizic, urmată de o analiză a radiației solare. Am prezentat componentele radiației solare și variația valorilor sale, fiecare componentă fiind descrisă din studii documentare.

În capitolul al doilea am prezentat celula fotovoltaică, arătându-i caracteristicele ce o definesc. Realizând o clasificare a celulelor am reușit să arăt o gamă variată de tehnologi în plină dezvoltare.

În partea experimentală, am realizat un dispoziti ce monitorizează și înregistrează radiația solară într-o zonă geografică, astfel după recoltarea datelor oferite de dispozitiv să se poată preciza dacă o investiție cu panouri fotovoltaice la scară largă ar fi rentabile sau nu.

Dispozitivului este autonom, cu fuctie de memorare a timpului în cazul în care rămâne fără alimentare, iar colectarea informațiilor se realizează direct prin scoaterea cardului de memorie SD din dispozitiv și copierea acestuia în calculator.

Bibliografie:

Moise A- Automate programabile, Curs, Editura MatrixRom, Bucuresti 2004;

Bucur Cr., Circuite electronice, Ed. Universității „Petrol-Gaze”, Ploiești 2005;

Crisrian Oprea – Radiația Solară , București 2005;

http://www.revista-informare.ro – Clima, Dorin Jurcău

http://archive.today Frank Shuman (1862 -1918)

http://www.energie-solara.com.ro/ Sisteme fotovoltaice

http://www.conexelectronic.ro – Celula Solara folosita

http://www.lpelectric.ro/ro/support/cell_solar_ro.html

http://www.solargis.info/ – Harti solare 2011

http://en.wikipedia.org – Solar_energy

http://mitei.mit.edu/publications/working-papers Celule fotovoltaice.

Bibliografie:

Moise A- Automate programabile, Curs, Editura MatrixRom, Bucuresti 2004;

Bucur Cr., Circuite electronice, Ed. Universității „Petrol-Gaze”, Ploiești 2005;

Crisrian Oprea – Radiația Solară , București 2005;

http://www.revista-informare.ro – Clima, Dorin Jurcău

http://archive.today Frank Shuman (1862 -1918)

http://www.energie-solara.com.ro/ Sisteme fotovoltaice

http://www.conexelectronic.ro – Celula Solara folosita

http://www.lpelectric.ro/ro/support/cell_solar_ro.html

http://www.solargis.info/ – Harti solare 2011

http://en.wikipedia.org – Solar_energy

http://mitei.mit.edu/publications/working-papers Celule fotovoltaice.