Centrala Fotovoltaica DE 3 Kw Pentru Uz Casnic

CENTRALĂ FOTOVOLTAICĂ DE 3 KW PENTRU UZ CASNIC

CUPRINS

Introducere

Capitolul 1.

1.1.

1.2.Principiul de funcționare al celulei solare

1.3.Tipuri de celule solare

1.3.Eficiența celulei solare

1.4. Radiația solară

Capitolul 2.

2.1. Panoul fotovoltaic

2.2. Subcapitolul

2.3.

Capitolul 3.

3.1. Subcapitolul 1

3.2. Subcapitolul 2

3.3

Capitolul 4. (MAXIM 5 CAP )

4.1.Subcapitolul 1

4.2.Subcapitolul 2

4.3

Concluzii și propuneri

Anexe

Bibliografie

Introducere

Energia solară stă la baza vieții pe pământ. El furnizează sursa de energie necesară planetei noastre pentru a ne desfășura toate activitățile. Soarele este steaua sistemului nostru solar și durata sa de viață este estimată la încă aproximativ 5 miliarde de ani, rezultă că el reprezintă o sursă regenerabilă și inepuizabilă de energie, privit pe scara noastră de timp.

La nivel global, ne confruntăm cu probleme majore cum ar fi cele ridicate de energie, apă, alimentație, schimbări climatice, rezolvarea lor fiind cheia pentru o dezvoltare durabilă. În contextul crizei energetice, o prioritate mondială o reprezintă economia de energie. Efecte cum ar fi schimbări climatice vizibile, cauzate de emisia în atmosferă a gazelor cu efect de seră sau efecte ce derivă din epuizarea și exploatarea surselor de energie convenționale conduc la o preocupare intensă în domeniul energiilor regenerabile la nivel mondial.

Într-un an, soarele trimite spre Pământ de 20000 de ori mai multă energie decât necesarul de consum al întregii populații, de 15,7 TWh.

Structurat pe X capitole, proiectul de diplomă tratează tema construirii sistemelor fotovoltaice.

Capitolul I prezintă..

Capitolul II se referă la .

La final, lucrarea cuprinde bibliografia consultată și

Scopul prezentei lucrări este de a proiecta o centrala fotovoltaică de tip off-grid, neconectată la rețea, pentru uz casnic. În general, sistemele off-grid casnice au până la 5 kW putere, ele oferind energie electrică gospodăriilor care nu sunt conectate la rețeaua de energie electrică. Ele oferă energie electrică pentru iluminat, refrigerare și alte sarcini de putere mică, au fost instalate în întreaga lume și sunt adesea tehnologia cea mai potrivită pentru a răspunde cerințelor de energie a caselor sau comunităților rurale izolate.

Centrala fotovoltaică va avea 3 kW, va conține 12 panouri fotovoltaice cu puterea nominală de 250 Wp, un invertor, o baterie de acumulatori, un generator fotovoltaic cu puterea nominală de 3000 W. Sistemul va fi destinat caselor izolate și va asigura energia electrică necesară.

Energia solară

Putem afirma că energia solară este cea mai importantă formă de energie pentru om întrucât stă la baza vieții lui și a întreținerii lui, dar și a florei și a faunei. Datorită energiei recepționată de Pământ de la Soare, a apărut viața în forme elementare

Pentru a înțelege potențialul energetic oferit de soare, în figura 1 este reprezentată harta lumii sub radiația solară. Concentrarea luminii solare pe punctele negre ar putea oferi energie întrgii lumi. Astfel, daca s-ar instala celule solare cu o eficiență de doar 8% în cele 6 zone marcate pe hartă ar putea produce aproximativ 18 TW energie electrică. Această valoare este mai mare decât puterea instalată a tuturor centralelor care utilizează surse primare de energie (petrol, cărbune etc.)

Culorile indică media pe trei ani a radiației solare, inclusiv în timpul nopții și pe vreme noroasă.

Energia solară reprezintă una dintre viitoarele surse de energie, fie folosită pentru înlocuirea definitivă a surselor convenționale de energie, fie folosită ca alternativă la utilizarea resurselor de energie clasice, mai ales pe timpul verii. Avantajul energiei produse din surse solare este prețul său, care se află în continuă scădere, și se estimează că în maxim două decenii, prețul energiei solare va fi comparativ cu prețul energiei convenționale.

Se primesc anual, pe continente, aproximativ 1,5 x 1018 kWh, adică o valoare de 10000 de ori mai mare decât consumul energetic global ****

Problematica se ridica datorita caracterului aleator și variațiilor meteorelogice bruște și, de cele mai multe ori, imprevizibile.

Contextul actual

Mediul înconjurător este rezultatul interferenței dintre elementele naturale (sol, aer, apă, climă etc.) și elementele create de om. Acestea interacționează și influențează condițiile în care noi trăim și, mai mult decât atât, influențează posibilitățile de dezvoltare viitoare ale societății noaste.

Datorită ritmului de creștere al populației și progresului tehnologic, cererea pentru resursele energetice clasice crește foarte mult. O data cu creșterea cererii, în timp, prețul lor crește și cantitatea scade.

Un semnal de alarmă asupra consecințelor activității umane asupra mediului s-a făcut în urmă cu 43 de ani, în 1972, într-un raport. Concluzia la vremea aceea era că modelul de dezvoltare practicat în acea perioadă nu putea fi continuat pe termen lung. Apoi, această problematică a intrat în preocupările primei conferințe ONU asupra mediului.

Dezvoltarea durabilă este rezultatul unei abordări integrate a factorilor decizionali și politici, în care se ține cont de protecția mediului înconjurător și de creșterea economică pe termen lung. În acest concept, aceste două elemente sunt complementare și reciproc dependente.

Este de datoria noastră, a oamenilor și mai ales a tinerilor, să căutăm și să promovăm resursele de energie regenerabilă (solară, eoliană, geotermală). Această energie electrică obținută este în totalitate ecologică, inepuizabilă și nu implică transportul înainte de utilizare.

Ce este de fapt efectul de seră?

Bioxidul de Carbon (CO2), gazul metan (CH4) și vaporii de apă(H2O) din atmosferă pot absorbi radiația, această radiație încălzește atmosfera Pământului.

Energiile regenerabile în contextul actual european

Pentru înlăturarea unor amenințări privind epuizarea resurselor energetice convenționale s-au luat în calcul utilizarea surselor naturale regenerabile cum ar fi apa, vântul sau soarele. Aceste surse pot constitui soluții pentru obținerea de energie electrică. Cu trecerea timpului se accentuează două fenomene: pe de-o parte, agravarea situației în ceea ce privește energiile convenționale și pe de altă parte progresul tehnologic accelerat. Acestea sunt și motivele pentru care sursele regenerabile devin tot mai importante și demne de luat în seama în mixul de energie la nivel global.

Pe lângă limitarea ce o impun resursele de enegie convenționale, se mai ridică o problemă ce favorizează utilizarea regenerabilelor și anume problema schimbărilor climatice. La nivel global, situația devine dezastroasa: se emit gaze cu efect de seră ce conduc prin concentrarea lor la perturbații climatice.

Se mai iau în calcul tendințele actuale mondiale care manifestă o creștere lentă a necesarului global de energie. Așadar, deducem ca există o usoară creștere chiar și în contextul crizei economice.

În contextul european, unde resursele de țiței și gaze naturale sunt scăzute, s-a luat în considerare creșterea capacitățiilor de producție a energiei regenerabile. Problema este că aceste surse sunt încă scumpe și din acest motiv sunt greu de suportat de consumatorii casnici, încă afectați de pe urma crizei economice sub impctul ritmului lent de redresare a economiilor naționale.

Uniunea Europeană prin Strategia Europa 2020, generează cadrul de dezvoltare a energiei din surse regenerabile. Acesta are trei obiective:

Reducerea emisiilor cu efect de seră

Securitatea energetică

Sprijinirea creșterii economice și a competivității

Pentru anul 2020, UE s-a angajat să reducă emisiile de gaze cu efect de seră cu 20 %, să producă 20% din consumul final brut de energie pe baza regenerabilelor și nu în ultimul rând, să îmbunătățească eficiența energetică cu 20%. Obiectivul general al politicii energiei regenerabile constituie și o țintă pentru Strategia Europa 2020: adoptarea unor tehnologii mai curate și mai eficiente pentru o creștere inteligentă, durabilă și favorabilă și în vederea sprijinirii procesului de stabilizare a schimbărilor climatice și în vederea maximizării beneficiilor dezvoltării economice.

Emisiile de gaze cu efect de seră, element ce stă la baza schimbărilor climatice globale provin, într-o proporție mare, din utilizarea și producerea de energie. Așadar, putem spune că politica energetică gândită la nivel global sau european este radicală pentru atingerea obiectivelor privind stoparea sau încetinirea schimbărilor climatice.

Referitor la percepția europenilor privind schimbările climatice, conform unui sondaj Eurobarometru, mai mult de 2 europeni din 3 percep schimbările climatice ca pe o problemă foarte gravă. 80% din europeni consideră că lupta împotriva combaterii acestui fenomen ar putea impulsiona economia. Alarmant este că în percepția respondeților, schimbările climatice se situează pe locul 2 in topul celor mai grave probleme cu care ne confruntam la nivel european, dupa saracie, foamete și lipsa apei potabile. 51% din interogați consideră schimbările climatice ca fiind problema cea mai gravă sau una din cele mai grave probleme, în timp ce 44% spun acest lucru despre situația economică. Așadar, din rezultatele acestui sondaj realizat în iunie 2011, deducem că europenii devin mai preocupați de schimbările climatice decât de situația economică.

Potrivit Directivei 2009/28/CE, fiecare stat membru al UE trebuie să se asigure că operatorii din sistemul de transmisie al energiei electrice vor garanta și vor da prioritate generatoarelor ce folosesc resurse regenerabile de energie în condiții de funcționare în siguranță și pe baze transparente și ne-discriminatorii (art. 16, Directiva 2009/28). De asemenea, fiecare stat membru trebuie să se asigure că pentru fiecare producător nou de energie regenerabilă care dorește conectarea la sistemul de energie electrică, se furnizează informațiile necesare referitoare la estimarea costului total și detaliat asociat conectării, dar și un program precis și rezonabil pentru primirea și procesarea cererii de conectare la rețea.

Perspectivele mixului de electricitate în 2020

Se anticipează, în baza planului de acțiune a statelor membre UE, că sursele energiei regenerabile vor depăși obiectivul de a acoperi 20% din consumul energetic final, în 2020. (The Renewable Energy Directive s – 27 National Renewabile Energy Action Plans). În domeniul consumului total de electricitate al UE se estimează o acoperire de 34% din surse regenerabile, comparativ cu 15% în anul 2005.

Creșterea cea mai mare a ponderii în capacitatea totală bazată pe regenerabile va fi înregistrată la instalațiile fotovoltaice, care vor reprezenta 17% în anul 2020, comparativ cu anul 2005, când reprezenta 1,3%.

Referitor la ponderea energiei bazate pe regenerabile în consumul total de electricitate a statelor membre UE, în anul 2020 se estimează că: Austria și Suedia vor avea cel mai mare grad de acoperire a consumului de energie din surse regenerabile (60-70 %), iar România, pe locul 7 în topul statelor membre UE cu cel mai ridicat grad de acoperire a consumului electric din regenerabile (aproximativ 40%).

După adoptarea primului pachet de măsuri privind clima și energia prin care s-au stabilit cele trei obiective, cunoscute ca “Obiectivele 20/20/20”, precizate mai sus, la nivelul anului 2012, CE trasează într-un bilanț realizări și estimări pentru 2020. Astfel, în 2012, nivelul emisiilor de gaze cu efect de seră era cu 18% mai mic în raport cu nivelul înregistrat în 1990. Estimările spun că până în 2020, emisiile vor scădea, ajungând cu 24% mai reduse decât în 1990.

Pe de altă parte, ponderea energiei regenerabile în consumul total de energie a crescut, în 2012 fiind de 13% și se estimează că în 2020 va ajunge la 21%.

În favoarea acestor direcții ale UE, s-au oferit, în 2013, reduceri ale stimulentelor și reforme ale schemei de sprijin pentru producătorii de energie din surse regenerabile.

Comisia Europeană a publicat, în ianuarie 2014, o comunicare ce oferă planul său pentru reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră pentru anul 2030. Astfel, se dorește reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră cu 40% în 2013, comparativ cu nivelul din 1990. Pentru 2030, Comisia Europeană indică o creștere a ponderii regenerabilelor cu cel puțin 27% din consumul energetic final, comparativ cu 20% pentru anul 2020, urmând ca fiecare stat membru să-și stabilească în mod flexibil obiectivele naționale. Aici intervine diferența dintre cadrul actual si cel pentru anii 2020-2030. Așadar, cel din urmă va avea caracter obligatoriu la nivel UE, dar nu va fi transpus în obiective naționale, nu va avea caracter obligatoriu. Acesta va fi îndeplinit de statele membre prin angajamente asumate, având în vedere necesitatea îndeplinirii obiectivului comun stabilit la nivelul Uniunii Europene, dar și obiectivele actuale pentru 2020 ale fiecărui stat.

Se consideră că pentru îndeplinirea tuturor obiectivelor menționate mai sus, este necesarp o cooperare continuă a statelor membre UE și o mai bună integrare a surselor de energie regenerabilă pe piața europeană.

Politica României în domeniul surselor regenerabile de energie

Pe de-o parte, România este prima țară ce a semnat Protocolul de la Kyoto, un instrument juridic important în lupta împotriva schimbărilor climatice. Pe de altă parte, în calitate de stat membru al UE, României îi revin o serie de obligații privind reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră.

În 2007 a fost elaborată strategia energetică a României. Aceasta este în conformitate cu direcțiile politice stabilite la nivel european și conține prevederi generale privind sursele regenerabile de energie. Evident, strategia este construită pentru perioada 2007-2020 și are tot trei obiective strategice, ca și orientările strategice ale Uniunii Europene. Obiectivele României în acest sector se referă la:

– dezvoltarea durabilă; acest obiectiv se referă la promovarea producerii energiei pe baza regenerabilelor, dar și la mecanisme de susținere a producției. În acest sens, s-au impus următoarele direcții:

promovarea producerii energiei din regenerabile, în așa fel încât din totalul consumului de energie, ponderea energiei electrice produse din surse regenerabile să fie de 33% în 2010, 35% în 2015 și 38% în anul 2020. În 2010, din totalul de energie, 11% a fost asigurat de sursele regenerabile.

stimularea investițiilor pentru îmbunătățirea eficienței energetice (de la resurse, continuând cu producția, transportul și terminând cu consumul)

susținerea activităților de cercetare-dezvoltare în domeniul energetic

protejarea mediului înconjurător prin utilizarea tehnologiilor curate

(Directii de actiune, strategia energetica a romaniei 2007)

– siguranța energetică

– competivitate

Un element cheie ce stă la baza promovării surselor de energie regenerabile este educația (cultura) populației, în special a tinerilor dacă privim în sensul unei dezvoltări durabile.

(pagina 59/ incotro)

IEA

PNAER

Clean Energy Ministerial, pag 21, 22

Climate and Enegy, UE

European Energy Review, sept 2013

Strategia de valorificare a surselor regenerabile de energie a Romaniei 2010-2015

Strategia Energetica a Romaniei 2035

Ibidem

National Renewable Enerty Action Plans, http://ec.europa.eu/energy/renewables/transparency_platform/action_plan_en.htm

Foaia de parcurs spre o economie competitiva cu emisii scazute de carbon in anul 2015, eurostat 2012 – pag 42 energii regenerabile. incotro? pana la II.6 (44)

the solar energy industries association 2013, Usa

Scurt istoric al sistemelor fotovoltaice

Din punct de vedere etimologic, cuvântul fotovoltaic provine din grecescul “photos” (se traduce prin lumină) contopit cu volt, unitate de măsură în domeniul electricității. În acest mod, întelegem că termenul fotovoltaic definește transformarea luminii in electricitate.

Efectul fotovoltaic se caracterizează prin generarea unei tensiuni sau curent electric într-un material când acesta este expus la radiație luminoasă. Cu alte cuvinte, anumite materiale au proprietatea de a absorbi fotonii de lumină și apoi de a elibera electroni. Atunci când fotonii sunt capturați rezultă un curent electric care poate fi utilizat ca electricitate.

La baza descoperirii efectului fotovoltaic a stat Edmond Becquel, fizician francez care in anul 1839 publica o lucrare în care explică experimentele sale, pe parcursul cărora observă cum tensiunea de la bornele celulei crește, pe măsură ce electrozii săi sunt expuși la lumină.

În 1877, Adams și Day, descriau într-o lucrare observații cu referire la modificarea proprietăților ale seleniului atunci când acesta este expus în lumină.

Primul patent ce face referire la celula solară îi revine lui Charles Edgar Fritts în 1883. Această celulă era formată din fire de aur subțiri distribuite pe o plachetă de Seleniu, însă avea o eficiență de aproximativ 1%. Eficiența celulei solare poate fi definită ca o parte a fluxului solar incident pe suprafața ei si care se transformă în electricitate.

În 1905, Albert Einstein explica efectul fotoelectric cu care mai târziu (în 1921) obține Premiul Nobel în fizică.

În 1954, Daryl Chapin, Calvin Fuller și Gerald Pearson dezvoltau prima celulă solară din siliciu bazată pe joncțiuni p-n ce avea o eficiență de 6% în Bell Laboratories. La vremea acea, o celulă fotovoltaică de 1 Wp costa în jur de 250$ preț care, in comparație cu 1 W produs într-o termocentrală pe bază de cărbune (2-3 $).

Primele celule solare și-au găsit utilitatea în cadrul sateliților artificiali. Astfel, în 1958, la satelitul Vanguard I celulele solare reușeau să alimenteze un radioemițător. Datorită acestui succes, s-a creat interes în ceea ce privește alimentarea satelițiilor cu energie electrică provenită de la celule solare. Datorat programelor spațiale s-a demarat progresul tehnologic al fotovoltaicelor, fiabilitatea s-a îmbunătățit iar costul a început să scadă.

În anul 1960 crește eficiența celulelor solare până la 14% datorită lui Les Hoffman. La 53 de ani după această îmbunătățire, într-o demonstrație ce a fost realizată de cei de la Institutul pentru Sisteme de Energie Solară Fraunhofer, se ajunge la o eficiență de 44,7% .

Celula fotovoltaică.

Structură și principiu de funcționre

Pentru înțelegerea funcționării dispozitivelor fotovoltaice, este necesar să analizăm structura semiconductorilor – Germaniu și Siliciu fiind reprezentativi, însă tehnologia predominantă pentru fabricarea celulelor fotovoltaice are la bază siliciul. Acest element se găsește din abundență, fiind al doilea element chimic, în privința cantității, din compoziția scoarței terestre, după oxigen. Dezavantajul este că nu se poate folosi în stare pură întrucât se găsește în compuși cum ar fi silica sau silicați. Pentru fabricarea celulelor solare un factor semnificativ îl reprezintă puritatea plăcii de siliciu pentru asigurarea unei durate de viață mare pentru purtătorii de sarcină.

La dispozitivele semiconductoare transformarea energiei fotonilor se realizează în două etape

1. se realizează absorbția fotonilor cu energie mai mare decât lărgimea benzii interzise a semiconductorului și se generează perechi electron-gol.

2. se separă spațial purtătorii de sarcină de semne diferite în așa fel încât această separare duce la apariția unei diferențe de potențial între două regiuni diferite ale semiconductorului.

Luând în considerare ipotezele modelului ideal al joncțiunii p-n (Sah, 1991),

ecuația caracteristicii curent-tensiune a unei celule fotovoltaice expusă unui flux perpendicular de fotoni pe joncțiune este:

unde este curentul invers la saturație în absența iluminării, se mai numește si curent de întuneric, este ca un curent obișnuit printr-o diodă.

este numit fotocurent, curent direct proporțional cu intensitatea iluminării, determinat de perechile electron-gol, depinzând deci de densitatea fluxului luminos, dar și de natura semiconductorului de bază, forma joncțiunii, dimensiunile și ansmablul proprietățiilor sale fizice.

este tensiunea aplicată joncțiunii p-n.

FIGURA PRINCIPIU DE FUNCT + caracteristica curent tensiune (pag. 14, 15, 16 ) !!!!

Dependența de temperatură a caracteristicilor electrice

Vorbind în esență de o joncțiune p-n, când temperatura celulei fotovoltaice crește, caracteristica se deplasează spre tensiuni mai mici. În consecință, puterea maximă furnizată consumatorului se micșorează. Pentru modelul ideal al unei celule fotovoltaice cu joncțiune p-n, coeficientul termic al tensiunii în circuit deschis se exprimă cu relația (Paulescu și Schlett, 2002)

CONTINUARE – PAGINA 16 SI 17/ SISTEME FOTOVOLTAICE

În ciuda faptului că procesul de producție a siliciului în stare pură este energofag, dacă se ia în considerare că panourile solare au o durata de viață de peste 20 de ani rezultă un bilanțul energetic pozitiv.

O celulă fotovoltaică are în structura sa două sau mai multe straturi de material semiconductor. Fiecare strat are valoarea grosimii situată între 0,001 și 0,2 mm. O caracteristică importantă o reprezintă doparea cu impurități în vederea formării joncțiunilor de tip p și n. Doparea materialului intensifică generarea de sarcini electrice.

Ca prim exemplu, Fosforul folosit in doparea Siliciului induce sarcini negative suplimentare. Această combinație se numește Siliciu dopat n sau N-Si și este un conductor electric mai bun decât siliciu monocristalin pur. Valența Fosforului este 5, iar a Siliciului este 4, rezultă că, impuritatea cu valență mai mare decât a siliciului este capabilă să doneze electroni suplimentari).

Un alt exemplu – doparea cu Bor a Siliciului ce produce sarcini pozitive (de tip p). Acest tip se numește Siliciu dopat p. Lipsa de electroni în acest material genereaza locuri cu ioni pozitivi (goluri).

Această structură este asemânătoare cu cea a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se produce următorul fenomen: fotonii aparținând radiației solare cad pe materialul semiconductor și sunt supuși procesului de absorbție provocând procese de generare a electronilor liberi. Se provoacă deci o mișcare a electronilor din structura materialului datorată fotoniilor. Această agitație produsă in material conduce la generarea de curent electric. Așadar, sunt construite asemânător unor fotodiode cu suprafață mare utilizate ca sursă de curent.

O singură celulă fotovoltaică generează un curent electric mic. Organizate serie sau paralel, mai multe celule pot produce curenți mai mari pentru utilizări practice. Astfel, celulele sunt fixate în panouri. În acest mod, se realizează protecție la intemperii, și, de asemenea, o rezistență mecanică ridicată.

La început, celulele solare aveau o formă rotundă, însă în zilele noastre forma rotundă este rar utilizată, fiind înlocuită de forme dreptunghiulare sau forme pătrate cu colțuri teșite.

Tipuri de celule fotovoltaice

După grosimea stratului de material, distingem:

celule cu strat gros;

celule cu strat subțire.

După felul materialului utilizat, putem avea:

celule cu siliciu;

celule cu CdTe. Se formează prin depunerea pe suprafețe mari a unor straturi subțiri în anumite condiții (tehnologia CBD). Au un randament de sub 10% pentru modulele fabricate iar în laborator au atins peste 16%;

celule cu GaAs. Acestea au un randament mare, tehnologie scumpă și se utilizează în special în industria spațială. O altă caracteristică este stabilitatea ridicată la schimbările de temperatură;

celule pe bază de compuși organici. Așa cum le spune numele, au la bază tehnologia bazată pe chimia organică. Permite fabricarea de celule solare ieftine, însă au un randament mic și o durată de viață redusă (maxim 5000h);

celulele pe bază de pigmenți organici sau celule Grätzel utilizează pigmenți naturali având la baza formării lor efectul de fotosinteză. De obicei, sunt de culoare mov;

celule cu electrolit semiconductor sunt ușor de fabricat însă au puterea și siguranța în utilizare limitate. Exemplu: oxid de cupru sau NaCl.

Dintre acestea, cel mai utilizat este siliciu. De aceea, mai departe, voi realiza o clasificare după natura cristalină a siliciului folosit pentru fabricarea celulelor:

Celulele de siliciu monocristalin (c-Si) sunt obținute prin turnarea siliciului pur sub formă de baghetă sau vergea. Baghetele se taie în plăci subțiri. Procedeul Czochralski se folosește la fabricarea de vergele lungi monocristaline. Astfel, înainte ca plăcile să fie tăiate, baghetele rezultate se ajustează în așa fel încât să reprezinte o secțiune pătrată. Alte caracteristici:

se remarcă prin randament mare, ele atingând un randament energetic de 20% în producția de masă, material continuu fără imperfecțiuni;

procesul tehnologic este costisitor;

intră în categoria celulelor cu strat gros.

Celulele de siliciu policristalin (mc-Si) au la bază unul din următoarele procedee de realizare:

– procedeul de turnare: Se topește siliciul pur într-un cuptor cu inducție. Apoi, se toarnă sub formă pătrată. După procesul de răcire lent, blocul solidificat astfel obținut se taie în mai multe blocuri mai mici. Un alt mod îl reprezintă turnarea continuă, prin care materialul se toarnă direct în dimensiunea cerută.

– procedeul Bridgman: Se topește siliciul pur tot în cuptorul cu inducție, însă materialul se supune unor încălziri progresive, astfel încât în momentul topirii stratului superior, întărirea materialului se produce deja la baza acestuia.

Alte caracteristici:

se formează cristale care au la marginea lor unele defecte de structură;

se caracterizează printr-un randament mai mic comparativ cu celule de siliciu monocristalin (atingând un procent de 16% în producția de serie), însă sunt considerate ca având cel mai bun raport preț – performanță;

procesul de fabricare este complicat;

se încadrează tot în categoria celulelor cu strat gros.

Celulele cu siliciu în stare amorfă (a-Si) sunt obținute prin depunerea unui film foarte subțire de siliciu pe o suprafață de sticlă (sau pe un substrat din alt material). Solidificarea se realizează sub forma unei rețele atomice cu dispunere neregulată. În aceasă structură amorfă apar și defecte care diminuează performanțele electrice ale materialului.

Alte caracteristici:

au randament energetic de 5-7%, mult mai redus în comparație cu structurile cristaline;

costurile de fabricație reduse întrucât cantitatea de material utilizat este foarte mică;

se utilizează cu preponderență la echipamente cu putere redusă deoarece au cost redus (exp – ceasuri sau calculatoare de buzunar) ;

strat subțire, grosimea stratului amorf fiind mai mică de 1 µm.

Celulele cu siliciu în stare microcristalină nu sunt răspândite, iar așa cum le spune numele, sunt celule cu strat subțire și cu structură microcristalină. Ele vin cu un randament mai bun decât cele în stare amorfă.

Tabel 1. Performanțele tipurilor de celule fotovoltaice

Într-un raport IEA PVPS se precizează că, în momentul scrierii articolului (2014), 80% din producția totală de celule fotovoltaice în țările IEA PVP se baza pe tehnologiile cu siliciu cristalin. Conform aceluiasi raport, celulele cu siliciu policristalin devin din ce în ce mai populare.

Eficiența celulei solare poate fi definită ca acea parte a fluxului solar incident pe suprafața ei care se transformă în electricitate.

Fenomene ce limitează creșterea eficienței celulelor fotovoltaice:

parte importantă din fotonii care alcătuiesc radiația solară au un nivel energetic insuficient pentru determinarea trecerii electronilor de pe stratul de valență pe cel de conducție

în cazul fotoniilor cu nivel energetic prea scăzut, energia lor se poate transforma în căldură și nu în energie electrică

datorită reflexiei radiației solare, apar pierderi optice pe suprafața celulelor fotovoltaice

datorită rezistenței electrice a materialului semiconductor sau a cablurilor electrice de legătură apar pierderi

performanțele scad când există defecte de structură a materialului semiconductor.

Elemente energetice ce caracterizează celulele fotovoltaice:

Randamentul este raportul dintre puterea furnizată la bornele sale și puterea radiației incidente:

Răspunsul spectral

Factorul de formă

Panourile fotovoltaice sunt dispozitive ce realizează conversia luminii în energie electrică la nivel atomic

Modelarea celulelor fotovoltaice

Modelul shockley

O reprezentare simplificată a celulei solare este prezentată în figura . printr-un circuit echivalent.

Tipuri de sisteme fotovoltaice

Mai multe celule fotovoltaice conectate serie-paralel formeaza un panou fotovoltaic, iar mai multe panouri legate și ele serie-paralel formeaza un sistem fotovoltaic. După racordarea la rețeaua de electricitate, sistemele fotovoltaice pot fi de două feluri:

Sistemele fotovoltaice independente (Stand-alone systems/ off-grid), se mai numesc și de tip insulă sau izolate. Acestea se folosesc în zonele care nu au acces la rețeaua publică de energie electrică, la case de locuit, case de vacanță sau case autonome. Acest sistem costă de obicei dublu față de cel conectat la rețea, însă instalarea lor nu necesită autorizări. La aceste sisteme, este necesară o baterie de stocare pentru a furniza energie în timp noros sau pe timp de noapte.

În același mod în care sunt conectați oameni fără linii traditionale, cu ajutorul telefoanele mobile, aceste sisteme fotovoltaice independente sunt percepute ca o modalitate de a furniza energie electrică, fără a construi rețelele complexe și costisitoare.

Opțional, un plan B îl poate constitui un generator diesel care poate crea mai multă putere, de exemplu, atunci când sunt oaspeți.

SCHEMA !!!

Sistemele fotovoltaice conectate la rețea (on grid) necesită autorizație pentru conectare la rețea (ATR- Aviz Tehnic de Racordare) pentru a se realiza legătura sistemului fotovoltaic la rețeaua publică. Aceste sisteme produc un surplus de electricitate care este preluat de rețea, proprietarul primind în schimb certificate verzi. Costurile de instalare sunt reduse față de sistemele independente. În cazul acestor sisteme, un invertor va fi folosit pentru a converti energia electrică de la curent continuu (CC) la curent alternativ (AC), care este apoi injectată în rețeaua de electricitate.

Siliciul pur

Radiația solară

Soarele este o sfera formată din gaze fierbinți aflată la o distanță de 150 de milioane de kilometri de Pamant si cu un diametru de 1,39 milioane de kilometri. Acesta se rotește în jurul axei sale la fiecare patru săptămâni. Aproximând, soarele este considerat un corp negru (emițător perfect de radiație). Astfel, Pământul primește din spațiu aproape toată energia sub forma radiației electromagnetice solare. Soarele are temperatura efectivă de 5777 K, egală cu cea a unui corp negru.

Energia primită de la soare se împarte în următorul mod:

35% se întoarce în spațiul cosmic (29% este reflectată de către atmosferă și 6 % este reflectată de suprafața terestră)

18% este aborbită de atmosferă

47% este absorbită de suprafața Pământului

Necesarul de energie actual la nivel mondial al Pământului ar putea fi satisfăcut de energia emisă de pe numai 10 ha din suprafața Soarelui. Suprafața Soarelui radiază energia electromagnetică sub forma fotonilor și neutronilor.

Unitatea de măsură pentru radiația solară (fluxul radiativ) este watt pe metru pătrat(W/m2)

În vederea studierii radiațiiei solare, se impune definirea urmatoarelor mărimi:

Constanta solară sau intensitatea maximă a radiației solare la intrarea în atmosferă, definită ca fiind fluxul de energie termică unitară primită, ce se măsoară perpendicular pe direcția razelor soarelui, în straturi superioare ale atmosferei noastre terestre. Valoarea medie anuală ce se acceptă pentru aceasă mărime este de aproximativ GSC = 1350 W/m2 (1367 W/m2 – Organizația Mondială de Meteorologie, 1982). Această valoare s-a obținut prin măsurători cu ajutorul sateliților. La suprafața soarelui sau în interiorul lui se produc anumite procese (ciclul petelor solare, erupții solare etc.) care provoacă fluctuații ale radiației emise, însă acestea nu depășesc 0,1%.

Temperatura corpului radiant (5777 K) poate fi obținută din legea Stefan-Boltzmann până la constanta ce depinde de raza soarelui RS și de distanța soare-pământ RSP:

unde: este factorul geometric dat de relația: .

Dacă folosim conceptul radiației corpului negru în descrierea radiației solare, putem folosi legea lui Planck, referitoare la fluxul de fotoni recepționat pe unitatea de suprafață plană, în domeniul de frecvențe (v, v + dv)(Spolschi, 1952):

, unde h este constanta lui Planck

c este constanta luminii în vid

este constanta lui Boltzmann

Iradiația, definită ca fluxul de energie radiantă incident pe unitatea de suprafață a Pământului. Comparativ cu constanta solară, fluxul de energie radiantă solară care ajunge pe Pământ este mai mic, întrucât intensitatea radiației solare este redusă treptat în timpul traversării atmosferii terestre. Mecanismele care asigură modificarea radiației solare sunt absorbția și difuzia.

Radiația atmosferică este rezultatul proceselor de absorbție și difuzie. Mai exact, radiația absorbită este transformată în căldură iar radiația difuză este retransmisă în toate direcțiile. Prin aceste procese, se încălzește atmosfera și se produce radiația atmosferică. O parte a radiației solare este reflectată de atmosfera terestră. Prin reflexie, se disipă o parte din radiația solară (difuzie Rayleigh). Radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței pe care cade. Radiația solară difuză nu împărtășește această dependență, ea poate fi considerată aceeași, indiferent de felul în care este orientată suprafața receptoare.

Atunci când radiația solară intră în atmosferă, o parte a energiei incidente este împrăștiată de moleculele de aer, iar altă parte este absorbită de moleculele constituienților atmosferici. Radiația care rămâne (care nu este imprăștiată sau absorbită), după un parcurs în linie dreaptă de la soare, atinge suprafața pământului, poartă numele de radiația directă. Radiația împrăștiată se mai numește și radiație difuză. O altă parte a radiației solare se poate reflecta de pe sprafața solului ca mai apoi, să atingă suprafața colectoare. Aceasta se numește radiație reflectată. Radiația totală este suma dintre radiația directă, radiația difuză și radiația reflectată. Radiația globală ajunsă de la Soare, pe o suprafață orizontală la nivelul Pământului într-o zi senină, reprezintă suma dintre radiația directă și radiația difuză.

Energia termică unitară ce este primită de la Soare, atunci când este senin, măsurată la nivelul suprafeței solului, perpendicular pe direcția razelor solar, în zone ale Europei de Vest, Europei Centrale si Europei de Est, în jurul prânzului poate ajunge la 1000 W/m2. Această valoare este reprezentată de suma dintre radiația directă și cea difuză.

Un element cheie în vederea determinării cantității de energie electrică produsă de sistemele fotovoltaice este cunoașterea radiației solare la nivelul solului. Proiectarea sistemelor fotovoltaice se bazează pe date despre iradierea solară globală.

Radiația solară este influențată de următorii factori:

înălțimea Soarelui pe cer subliniată de unghiul format de direcția razelor solare cu planul orizontal;

unghiul de înclinare a axei Pământului;

modificarea distanței de la Pământ la Soare;

latitudinea geografică;

sezonul, ziua, ora

cantitatea de praf și vapori de apă din atmosferă

Componentele principale ale radiației solare ajunsă pe Pământ sunt exprimate in următorul tabel:

Tabel 2. Componentele radiației solare

Din tabel, se observă că în domeniul radiației infraroșii se află cea mai mare cantitate de energie termică (55%), și nu în domeniul radiației vizibile. De aici, înțelegem că captarea se poate face eficient și atunci când cerul nu este perfect senin.

Măsurarea radiației solare

Măsurarea radiației solare se realizează cu ajutorul unor radiometre. Radiația solară în plan orizontal (GHI) ajunsă la suprafața Pământului se compune din radiația difuză în plan orizontal (DHI) și radiația cu incidență normală de la soare (DNI).

GHI = DHI + DNI x cos(θ) , unde θ este unghiul zenital solar

Principiu de funcționare

Pentru a produce energie electrică, sistemele fotovoltaice nu utilizează decât o parte din radiația solară. Restul energiei primite este transformată în căldură. Datorită acestui fenomen, crește temperatura celulelor și totodată, scade randamentul acestora. În concluzie, dacă dorim creșterea productivității energetice este necesară eficientizarea funcționării în domeniul electric dar și studiul fenomenelor termice care au loc.

Un panou solar este format dintr-un ansamblu de mai multe celule fotovoltaice orientate spre același plan.

Un sistem fotovoltaic constă într-unul sau mai multe module fotovoltaice, conectate fie la o rețea de electricitate(grid-connected PV), fie individual, neconectat la rețea(off-grid).

Componente ale sistemelor fotovoltaice

Componentele esențiale ale unui sistem fotovoltaic sunt celulele fotovoltaice (adesea numite celule solare) întâlnite sub diferite tipuri, interconectate și încapsulate pentru a forma un modul fotovoltaic, structura de montaj pentru matricea de module, invertorul, bateria de stocare și regulatorul de încărcare.

Pentru a proiecta un sistem fotovoltaic vom folosi module fotovoltaice. Un astfel de modul reprezintă cea mai mică rețea de celule fotovoltaice, având protecție față de mediu, caracter unitar prin asamblare și disponibilitate pe piață. Într-un modul sunt dispuse mai multe rânduri de celule conectate serie. Structura este modulară și astfel se permite fabricarea unor surse fotovoltaice pentru puteri de ordinul miliwatt-ilor, dar și de ordinul megawatt-ilor.

Când avem în vedere proiectarea unui produs tehnologic complex, este evident că apar anumite cerințe ce trebuiesc luate în considerare. Astfel, în cazul modulului nostru avem: protecția utilizatorului la accidente nedorite cum ar fi electrocutarea, protecția la acțiuni ale mediului (ploaie, vânt, grindină, zăpadă, aer umed), să fie fiabile în sensul în care trebuie să-și păstreze caracteristicile un număr determinat de ani și evident, să aibă un cost cât mai redus.

În vederea aprecierii calității unui modul, vom defini eficiența nominală definită de relația:

unde:

puterea nominală se definește ca fiind puterea electrică maximă ce se poate debita de modul în condiții standard de măsură;

Φ reprezintă fluxul solar global.

Puterea furnizată de un modul fotovoltaic variază în mod continuu datorită modificării poziției soarelui, condițiilor meteorologice și valorii temperaturii celulelor fotovoltaice. Cu trecerea timpului, există posibilitatea ca o parte din modulele care intră în alcătuirea unei rețele fotovoltaice să fie umbrite sau unele celule ale unui modul să se deterioreze. Aceste circumstanțe pot diminua puterea de ieșire. Pentru evitarea acestor probleme se montează câte o diodă în paralel cu fiecare modul. În acest mod, se evită situația ca un modul să devină sarcină suplimentară atunci când furnizează un curent mai mic decât celelalte module în conexiune serie sau întreruperea curentului pe ramură dacă modulul se deteriorează. Alegerea diodei se face ținând cont ca tensiunea de prag să fie cât mai mică posibil și să suporte curentul prin ramură. Figura XX arată conectarea diodelor de protecție la o rețea. Dioda antiretur decuplează rețeaua fotovoltaică atunci când tensiunea la bornele ei devine mai mică decât tensiunea la bornele elementului de stocare a energiei. Astfel, se evită ca rețeaua să devină sarcină atunci când iradiația este mai mică decât o valoare de prag.

Pe piață, fabricanții livrează celule fotovoltaice conectate în module, formate dintr-un număr de ramuri conectate în paralel, fiecare conținând un număr de celule conectate în serie. Modulele fotovoltaice au de obicei valori cuprinse între 50 W si 315W(72 celule).

Panourile fotovoltaice

Panourile fotovoltaice sunt alcătuite din mai multe celule solare. Ele sunt produse în variate dimensiuni și având puteri diferite. Panourile fotovoltaice se pot conecta între ele formând sisteme de puteri mai mari. Un sistem pv ce are un singur charger, trebuie să aibă panouri fotovoltaice la fel, de aceeași putere și de la același producător, să fie orientate și înclinate la fel și să nu fie umbrite parțial.

Panourile disponibile comercial au eficiența energetică cuprinsă între 5 și 15%(înseamnă că 5-15% din energia luminoasă ce cade pe panou este transformată în energie electrică). În laborator, eficiența panourilor ajunge la 30%. Însă dacă ar avea un astfel de randament, costul lor de producție ar fi și el ridicat.

Bateria de acumulatori

Rolul bateriei este de a asigura alimentarea la parametrii nominali a sarcinii atunci când modulele fotovoltaice nu furnizează energie. Pe scurt, rolul său este de a stoca energie. În vederea alegerii tipului de baterie și al dimensionării acesteia, trebuie avute în vedere următorele cerințe:

sistemul fotovoltaic trebuie să fie capabil să asigure alimentarea sarcinii atunci când insolația lipsește sau este scăzută, cum ar fi noaptea sau în zile noroase;

caracteristicile meteorologice ale locației;

trebuie avute în vedere tipul de consumator și ritmul de consum al acestuia.

Aproape toate bateriile folosite pentru sistemele fotovoltaice sunt de descărcare adâncă de tip plumb-acid. Alte tipuri de baterii (de exemplu NiCad, NiMH, OIM), sunt de asemenea adecvate și au avantajul că nu pot fi supra-încărcate sau adânc descărcate, dar sunt mult mai scumpe. Durata de viață a unei baterii variază în funcție de regim și condițiile de funcționare, dar este de obicei între 5 și 10 ani.

Cu cât trebuie stocată mai multă energie, cu atât costul bateriei sau setului de baterii crește. De aici avem de a face cu doua compromisuri frecvent utilizate:

utilizarea surplusului de energie pentru activități care se pot activa la detectarea unui surplus de energie disponibilă. Pentru exemplu, un hidrofor care se alimenteaza un bazin cu apa poate fi alimentat cu energie electrica;

o capacitate mai mică de stocare prin utilizarea în paralel a unui generator(de tip diessel). Personal, nu sunt de acord cu această variantă întrucât generatorul este poluant, iar sistemul fotovoltaic este creat pentru a intatura aceste efecte negative.

Dacă se alege varianta on-grid, pentru o casă conectată la rețea, aici apare oportunitatea de a folosi un sistem electronic care face trecerea de la un sistem de alimentare la altul în funcție de nivelul de încărcare al acumulatorilor.

În funcție de tipul de baterie instalată, ele au o durată de viață între 10 și 20 de ani. Evident, o baterie ce rezistă 20 de ani vine la un preț mai mare.

Montajul are în vedere ca bateria de acumulatori să stea într-un loc acoperit, aerisit, răcoros, ventilat natural, ferit de accesul străinilor sau al animalelor.

Greutatea bateriei diferă funcție de capacitatea acesteia. De exemplu, pentru o baterie de 75 Ah vom avea 28 kg, iar pentru una de 185 Ah, 65 kg. Astfel, pentru cele mai ușoare, transportul si montarea se face manual, iar pentru cele mai grele, se apelează la dispozitive mecanizate (ridicătoare hidraulice sau dispozitive de ridicat).

Bateria sau setul de baterii se vor monta pe un postament de lemn, cu dimensiunile bazei egale cu ale suprafeței de așezare a setului de baterii.

Regulatorul de încărcare

Sistemele de putere trebuie să aibă o strategie de control. Dacă se folosesc acumulatori ca formă de stocare a energiei electrice, se impune prezența unui controler de încărcare.

Regulatorul sau controlerul de încărcare este un dispozitiv folosit pentru administrarea fluxului de energie într-un sistem fotovoltaic. El colectează informația despre tensiunea de la bornele bateriei de acumulatori și cunoaște valorile minime și maxime acceptate. Cu alte cuvinte, regulatorul are rolul de a menține bateria la cea mai inalta stare posibilă de încărcare și să ofere utilizatorului cantitatea necesară de energie electrică protejând în același timp bateria de descărcare profundă sau de supraîncărcare.

Controlerele pot opera în două moduri principale:

Condiții de operare normale, când tensiunea de la bornele bateriei de acumulatori este normală, situată între valoarea minimă și maximă;

Condiții de supraîncărcare și supradescărcare, când tensiunea la bornele acumulatorilor atinge valoarea maximă sau minimă.

Unele regulatoare au integrate trackere de urmărire MPP pentru a maximiza energia electrică generată.

Invertorul

Invertorul este un dispozitiv ce transformă energia de curent continuu produsă de generatorul fotovoltaic și stocată de acumulator într-o energie de curent alternativ, caracterizată printr-o anumită tensiune, formă și frecvență necesare aplicațiilor. Pe scurt, transforma curentul continuu în cunrent alternativ necesar consumatorilor.

Cele mai multe invertoare încorporează un maxim Power Point Tracker (MPPT), care reglează continuu impedanta de sarcină pentru a oferi puterea maximă dintr-un modul fotovoltaic.

Tipuri de invertoare

După tipul de sistem folosit, on-grid sau off-grid, invertoarele se clasifică în:

Invertoarele autonome se folosesc în cazul sistemelor stand-alone, care furnizează energia electrică independent de rețeaua națională de distribuție a energiei electrice.

Invertoare ce funcționează în interacțiune cu rețeaua publică de energie electrică, folosite în sistemele de tip on-grid, care operează în paralel cu rețeaua publică și care pot furniza surplusul de energie produsă rețelei.

Invertoarele bimodale au capacitatea de a funcționa în mod interactiv sau autonom în raport cu rețeaua națională de distribuție a energiei electrice. Aceste invertoare nu funcționează simultan și folosesc în general acumulatori.

Mai există și invertoare

– cu ieșire sinusoidală(asemânător energiei electrice furnizate de rețea)

– cu ieșire cuasinusoidală(aceastea au curba cu pante foarte abrupte care pot afecta funcționarea unor aparate sensibile, cum ar fi laptop, aparat tv ; frigiderele, aspiratoarele și elemenetele de iluminat nu sunt afectate în general)

Montajul invertorului

Se va monta în interiorul casei, într-un loc ferit, aerisit si ventilat. De-o parte și de alta a invertorului se vor lăsa aproximativ 15 cm liberi pentru circulația aerului și pentru a evacua fără probleme aerul cald după ce invertorul se încălzește în interiorul carcasei. Între baterie și invertor este recomandat ca lungimea legăturilor electrice să nu fie mai mare de 1,5 m (pentru a nu avea pierderi). De asemenea, între invertor și primul consumator (cel mai apropiat) se recomandă ca distanța să fie mai mare de 1,5 m.

Figura 4. Montare invertor – poziționarea acestuia în raport cu bateria de acumulatori și consumatori

Un invertor are greutatea în funcție de puterea nominală. Montarea se face manual. Prinderea carcasei se face cu 4 șuruburi livrate de furnizor în poziția indicată de producător. Fabricantul va asigura o garanție de 2 ani de la data livrării.

Trackere solar

Panourile fotovoltaice sunt fixate suporturi care se mișcă pentru a urmări soarele în timpul zilei. Astfel energia solară este folosită la maxim.

Sistemele simple sau cu două axe de urmărire au devenit recent mai multe și mai atractive pentru sistemele montate la sol, în special pentru utilizarea PV în țările cu o pondere ridicată de iradiere directe. Prin utilizarea unor astfel de sisteme, randamentul energetic poate fi crescut de obicei cu 25-35% pentru trackere axa unică și 35-45% pentru trackere duble axa comparativ cu sistemele fixe.

Dimensionarea sistemului fotovoltaic

În vederea dimensionării sistemului fotovoltaic, un factor important ce trebuie luat în considerare este intensitatea luminii solare, Așadar, proiectanții din acest domeniu dimensionează un sistem fotovoltaic în funcție de o zi de iarnă. Specialiștii estimează că într-o zi de iarnă, un astfel de sistem poate produce cam 40% din puterea sa maximă. Este evident că pe perioada verii, sistemul va produce o cantitate de energie electrică care va depăși consumul locuinței. Aici intervine rolul bateriilor de stocare, ele preiau acest surplus și îl stochează pentru perioada nopții. Dacă vorbim de un sistem conectat la rețea, acest surplus va fi injectat în rețeaua națională de distribuție.

Analiza financiară a panourilor fotovoltaice

Analiză economico – financiară

Deși în ultimii ani costurile au scăzut, energia electrică produsă de modulele fotovoltaice este încă scumpă față de cea produsă convențional. În spatele prețului pe care mulți îl văd mare, considerând instalarea unui sistem fotovoltaic o investiție costisitoare, sunt anumite beneficii ce se văd imediat dar și o rata de amortizare bună. Printre beneficii avem reducerea facturilor la energie electrică. Referitor la pretul energiei din surse convenționale, în ultima decadă, s-a manifestat o creștere a lor, probabil datorită faptului că resursele ajung la un nivel tot mai scăzut.

Prețul fotovoltaicelor a scazut semnificativ la nivel mondial datorită unor factori cum ar fi stimulentele guvernamentale, creșterea uriașă a producției de panouri solare din China din ultimii ani, dar și creșterea prețurilor pentru sursele convenționale de energie.

Analiza pieței fotovoltaice

Capacitatea instalată

Țările IEA PVPS aveau mai mult de 125 GW cumulați în instalții fotovoltaice, la sfârșitulanului 2013. Opt țări care nu fac parte din IEA au reprezentat 10,7 GW, mai ales în Europa: Grecia cu 2,56 GW, Cehia cu 2,17 GW, România cu 1,15 GW și Bulgaria, cu 1,02 GW și Slovacia și Ucraina cu mai puțin de 1GW. Pe lângă aceste țări, India a instalat mai mult de 2,3 GW în timp ce Taiwan a ajuns la 376 MW. Numeroase țări din întreaga lume au început să se dezvolte PV dar puțini au atins încă un nivel de dezvoltare semnificativă în ceea ce privește capacitatea instalată la sfârșitul anului 2013.

Asociația Industriei Europene Fotovoltaice consideră că un supliment de

3,6 GW de sisteme fotovoltaice au fost instalați in ultimii doisprezece ani. Alte surse indică doar 1 GW. În prezent se pare că 136,5 GW reprezintă minimul instalat până la sfârșitul anului 2013. Adăugarea 3,6 GW de capacitate suplimentară răspândit peste tot în lume ar crește la un total de 140 GW. În 2013, au fost instalați între 39 si 40 de GW. În graficul XX se observă tendința de creștere în 2013, după un an de relativă stagnare (2012).

Piața globală la nivelul anului 2013

China a instalat 12,92 GW în 2013, stabilind un record, care plasează țara pe primul loc. Pe locul al doilea este Japonia, cu 6,97 GW instalați în 2013. SUA instalat 4,75 GW de sisteme fotovoltaice în 2013. Pe locul al treilea se află SUA. În top 10 se aflau în 2013 aceleași state ca în 2012 cu excepția României care a urcat în primele 10 state scoțând Franța din acest top.

Tabel 3 Evoluția primelor zece țări pe perioada 2011-2013

Sursa: IEA-PVPS, EPIA

Dezvoltarea pieței pentru sistemele fotovoltaice neconectate la rețea

Piața sistemelor fotovoltaice individuale poate fi cu greu comparată cu piața sistemelor conectate la rețea. Dezvoltarea rapidă a rețelei conectate la rețea a stopat creșterea pieței pentru sisteme neconectate la rețea așa cum se poate observa în figura X.x.. Cu toate acestea, aplicațiile cu fotovoltaice idependente, neconectate la rețea sunt în curs de dezvoltare mai rapidă în comparație cu anii ​​trecuți.

În Australia 28 MW de sisteme fotovoltaice off-grid au fost instalate în 2013 și în Japonia 14,1 MW. În China, unele estimări arată că 500 MW de aplicații neconectate la rețea au fost instalate în 2013. În majoritatea țărilor europene, piața off-grid rămâne una foarte mică, în special pentru așezări izolate, rurale și pentru dispozitive de comunicare care oferă energie electrică pentru utilizări specifice. Unele așezări montane sunt echipate cu aplicații fotovoltaice ca o alternativă la aducerea combustibilului în locuri îndepărtate, greu accesibile. Totuși, această piață rămâne destul de mică, cu cel mult 1 MW pe an pentru fiecare țară, cu 1,2 MW în Suedia.

Interesant în Europa este cazul Greciei, cu numeroase insule ce nu sunt conectate la rețeaua de pe continent, care au instalat zeci de MW de sisteme fotovoltaice off-grid în anul 2013. Aceste sisteme furnizează energie electrică la câțiva mii de clienți.

Provocarea de a furniza energie electrică pentru iluminat, comunicare, inclusiv pentru acces la Internet, va vedea progresul PV ca una din sursele cele mai fiabile și promițătoare de energie electrică în țările în curs de dezvoltare în următorii ani.

pagina 13. trends

Proiectarea centralei fotovoltaice de 3kW

La proiectarea unui sistem fotovoltaic pentru o casă izolată de rețeaua de distribuție este necesară acordarea atenției asupra aparatelor casnice utilizate și mai ales, asupra economiei de energie

Astfel, pentru sistemele fotovoltaice individuale se recomandă folosirea unor elemente de iluminat economice (care au nevoie de 20% din energia electrică necesară elementelor de iluminat clasice). Utilizarea laptopului în defavoarea unui calculator clasic întrucât laptopul utilizează doar 40-50 W, iar sistemele de tip desktop 200-300 W. Însă oricum sistemul este proiectat pentru o casă de vacanță. Frigiderul trebuie să fie modern întrucât un frigider economic clasa A++ are nevoie de doar jumătate din energia consumată de un frigider fabricat acum 10 ani.

Centrala proiectată se potrivește unei case de dimensiuni mică spre medie. Pentru centrala de 3 kW se poate alimenta: un frigider, becuri, un TV, încărcător de telefon și de laptop.

Centrala fotovoltaică este ideală pentru o casă de vacanță de aproximativ 150 mp, care aparține unei familii cu 4 membri. Necesarul ar fi de 4-6 kWh/zi. Această energie electrică poate fi acoperita, si pe timp de iarna, cu o instalatie fotovoltaica cu puterea instalata in panouri de pana la 3000 W.

Centrala va funcționa în felul următor – energia electrică de curent continuu este creată de panourile fotovoltaice solare, trece printr-un controler de încărcare, care controlează tensiunea care ajunge în baterii, protejându-le. Atunci când puterea este cerută de casă, puterea este preluată de la baterii, prin invertor, care este apoi transformată în energie electrică de curent alternativ, care poate fi folosită de majoritatea aparatelor.

Panouri solare 12 x 250W. Fiecare panou va avea aproximativ 1.6 m x 1m, deci va fi nevoie de un spațiu de aproximativ 20 m2 pe acoperiș.

Invertor

Sistemul va scoate în medie 12kWh/zi, scoțând mai mult în zilele lungi de vară și mai puțin în cele de iarnă.

Puterea de ieșire pentru centrala fotovoltaică de 3 kW poate varia și depinde de o serie de factori:

locația geografică și valorile iradiației solare

orientarea și unghiul de înclinare al panourilor solare

existența umbrei pe panourile fotovoltaice

temperatura de funcționare a panourilor

Invertorul utilizat va prelua curentul continuu de la regulatorul de încărcare si il va converti în curent alternativ cu tensiunea de 220V si frecventa de 50 Hz.

Aspecte referitoare la utilizarea energiei solare pentru producerea energiei electrice în România

Conform PVGIS, România beneficiază de aproximativ 210 zile însorite pe an și de o radiație anuală cuprinsă în intervalul 1000 – 1500 kWh/ m2/an. Rezultă că, în România, potențialul de utilizare a energiei solare este relativ semnificant, există zone (Litoralul Mării Negre, Dobrogea si zonele sudice) în care fluxul energetic solar anual ajunge la valori de 1450-1600 kWh/m2/an. Media fluxului energetic solar anual se situează în jurul valorii de 1300 kWh/m2/an. Pentru România, panourile fotovoltaice au unghiul optim de înclinare de 34°, iar orientarea optimă este spre sud.

În România, radiația solară atinge valorile maxime în luna iulie (6 kWh /m2/an ), iar valoarea minimă se înregistrează în luna decembrie(1,15 kWh /m2/an). Temperatura medie lunară în luna iulie este de (19.7 °C)…, iar valoarea minimă a temperaturii medii lunare se atinge în ianuarie cu o valoare de….(-2,8 °C), pe toată perioada zilei.

Figura 7 Harta radiației solare anuale pe plan orizontal Sursa SolarGis

sursa – http://solargis.info/doc/free-solar-radiation-maps-GHI#R , accesat la 08-05-2015

Analiza SWOT a utilizării energiei solare prin implementarea unui sistem fotovoltaic individual, în România

Analiza costurilor pentru un sistem independent de 3 kW

Un sistem de 3kW costa în medie acum 7 ani 40000$. Acum, în 2015 el costă aproximativ 10000$. În figura X.X se observă scăderea prețului la un sfert din valoarea lui din 2008.

Prețul unui sistem fotovoltaic variază nu numai după dimensiunea pe care o alegeți ci și după tipul acoperișului pe care îl aveți. Pe de o parte, forma lui va dicta prețul: dacă forma lui e clasică vor fi mai ușor de montat panourile fotovoltaice. Pe de altă parte, contează și materialul din care este constituit. Dacă acoperișul este metalic, panourile sunt mai ușor de instalat, se folosesc mai puține componente la montaj, rezultă un cost mai mic. La un acoperiș din țiglă sau șindrila bituminoasă, costul instalării panourilor fotovoltaice va fi mai mare. Dacă acoperișul este plat, va exista un cost suplimentar pentru scheletul metalic ce va favoriza înclinarea panourilor până la unghiul optim.

Prețul mediu de energie solară per watt este acum în jur de 3$/Wp 6$ ?. În general, cu cât sistemul este mai mare cu atât scade prețul pe watt.

Costul total este împărțit între sistem, instalare și costuri operaționale în rapoartele

panouri solare – 30%

balanța sistemului -20%

labor 15%

permits, inspection fees -15%

costuri operaționale -15%

Bibliografie

[1] Lucian, V. (2014) Energia solară: ghid de captare și conversie a energiei solare pentru utilizare, Editura Universitară, București

[2] Câmpeanu, V., Pencea, S. (2014) Energiile regenerabile – Încotro? : Între “mit” și realitățile post-criză din Europa și România, Editura Universitară, București

[3] Fara, L., Tulcan-Paulescu, E., Paulescu, M. (2005) Sisteme fotovoltaice, Editura Matrix Rom, București

[4] Badea, A., Necula, H. (2013) Surse regenerabile de energie, Editura A.G.I.R., București

[5] Revista Ecoterra, nr.26/2011

[6] Revista Tehnica Instațiilor nr.5/2003

[7] Trends 2014 in photovoltaic applications – Survey Report of Selected IEA Countries between 1992 and 2013, IEA (International Energy Agency) http://www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/statistics/IEA_PVPS_Trends_2014_in_PV_Applications_-_lr.pdf , accesat

[8] Paulescu, M., Paulescu, E., Gravila, P., Badescu, V. (2013) Weather Modeling and Forecasting of PV Systems Operation, Springer- Verlag London

[9] Global Trends in Renewable Energy Investment 2015, http://www.fs-unep-centre.org (Frankfurt am Main), Frankfurt School of Finance & Management- UNEP Centre, 2015

[10] Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European și a Consiliului din 23 aprilie 2009 privind promovarea utilizării energiei din surse regenerabile, 2009

[11] Solar Cell, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell, accesat

How much do solar panels cost – Energy Informative – http://energyinformative.org/solar-panels-cost/, accesat pe 21-04-2015

*** intgrarea fotovoltaicelor în clădiri sursa ssg, Arhitectura solara

4 Times Square skyscraper in Manhattan

romania – masuratori ale iradierii solare pe suprafete orientate

Specificarea Temei Centrală fotovoltaică va avea puterea de 3 kW și tensiunea de iesire de 220V cu valoare frecventei 50 Hz. Centrala va fi conceputa pentru utilizari casnice.

http://www.green-report.ro/

http://ro.wikipedia.org/wiki/Laboratoarele_Bell

http://www.3nanosae.org/files/documents/1065.pdf

Nivelul de insolație este reprezentată de cantitatea de energie provenită de la soare care pătrunde în atmosferă și ajunge pe suprafața pământului. Acest nivel este exprimat ca media zilnică lunară sau anuală în kWh/m2