Incarcator Solar cu Controler Pentru Urmarirea Punctului de Putere Maximă (mppt)

LUCRARE DE LICENȚĂ

Încărcător solar cu controler pentru urmărirea punctului de putere maximă ( MPPT )

CUPRINS:

MEMORIU JUSTIFICATIV

1. ENERGIA SOLARA

1.1. Consideratii privind radiatia solara

1.2. Compozitia spectrala a radiatiei solare

1.3. Captarea radiatiei solare

2. CELULE FOTOVOLTAICE

2.1. Efectul fotovoltaic

2.2. Principiul de functionare a celulelor fotovoltaice

2.3. Tipuri uzuale de celule fotovoltaice

2.3.1. Celule din siliciu monocristalin

2.3.2. Celule din siliciu policristalin

2.3.4. Celule din siliciu in stare amorfa

2.3.5. Celule cu film subtire

2.3.6. Celule din semiconductori organici (polimeri)

3. SISTEME FOTOVOLTAICE

3.1. Sisteme fotovoltaice cuplate la retea

3.2. Sisteme fotovoltaice offgrid

3.3 Creșterea productivității electrice a panourilor fotovoltaice

4. STOCAREA ENERGIEI

4.1. Principii generale

4.2. Baterii (Acumulatori)

4.3. Incarcarea bateriilor

4.4. Determinarea capacitatii si descarcare a acumulatorilor

5. INCARCATORUL SOLAR

5.1. Modul de functionare

5.2. Caracteristici ale incarcatoarelor

5.3. Moduri de utilizare ale incarcatoarelor

5.4.Tipuri de incarcatoare solare

5.5. Incarcatorul solar MPPT

5.6. Caracteristici tehnice ale incarcatoarelor

5.7. Definirea si determinarea MPPT

SCHEME PRACTICE PENTRU REALIZAREA MPPT

6.1. Algoritmi MPPT

6.2. Algoritm fractiune de tensiune in circuit deschis

6.3. Algoritmfractiune de curent de scurtcircuit

6.4. Algoritm perturb and observe (P&O)

APLICATIE PRACTICA CU MPPT30

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

MEMORIU JUSTIFICATIV

Încălzirea globală și necesitatea depoluării, manifestările atmosferice extreme, creșterea prețului energiei, dorinșa independenței energetice, reducerea importurilor de produse petroliere care afectează grav economiile țărilor sunt tot atâtea motive de dezvoltare fără precedent a energiilor din surse regenerabile. Dezvoltarea are loc cantitativ dar și calitativ prin creșterea performanțelor sistemelor cu energii regenerabile. Creșterea performanțelor are loc atiâ prin perfecșionarea componentelor cât și prin mangementul energiei.

Legislația mondială și europeană este favorabilă în acest moment. Se încearcă elaborarea unei legislații unitare pentru că poluarea afectează toate țările.

Și în Romania legislația stimuleaza dezvoltarea instalațiilor cu energii regenerabile prin diverse stimulente și subvenții. În Romania instalațiile eoliene construite depășesc 2GW, iar instalațiile solare realizate în anul 2013 sunt aproape de 1GW.

Odată cu instalațiile mari s-au dezvoltat și instalații mici pe acoperiș care acoperă consumul propriu.

Cele enumerate mai sus au fost motivele care m-au determinat să abordez această temă din domeniul instalațiilor fotovoltaice. A existat și un interes personal în realizarea unei astfel de instalații pentru locuință.

Controlerul este legatura între sursa de energie (panoul fotovoltaic) care este primul element în lanț și sarcina care este ultimul element din lanț. Acest lucru a impus analiza întregului lanț și a relațiilor dintre ele.

S-a pornit de la energia solară, valoarea ei, factorii care o influențeaza, interpretarea lor, cum pot fi ei folosiți sau atenuați după caz. S-a trecut apoi la captarea energiei solare, analiza componentelor, aportul lor in performanta instalației. În acest domeniu evoluția este foarte rapidă. Din literatură rezultă că șansa cea mai mare o au semiconductorii organici. Pe acelasi drum se inscriu și cercetări privind fotosinteza artificială. Până acum fotosinteza este cea care valorifică cel mai bine energia solară.

După analiza sistemelor fotovoltaice ongrid și offgrid am dat mai mare atenție sistemelor offgrid, cel puțin din două motive: sistemele offgrid, mai mici, au fost mai puțin studiate și dezvoltarea lor este explozivă. Această dezvoltare are loc prin creșterea numărului de instalații (relee radio, antene GSM dar și ferme agricole, pensiuni, locuințe individuale) dar și prin creșterea puterii lor. Au apărut sisteme insularizate de puteri mari. Această dezvoltare a fost impusă de viața, dar favorizată de tehnologiile noi în comutație, baterii de acumulatoare, sisteme de management a energiei.

Legat de sistemele offgrid în capitolul 4 sunt analizate soluțiile de stocare a energiei cu accent pe bateriile de acumlatoare.

Având analizate toate componentele sistemului în capitolul 5 se trece la subiectul lucrării – analiza încărcătoarelor solare. Lucrul cel mai important este definirea funcțiilor încărcătorului și evidențierea avantajelor încărcătoarelor MPPT (maxim power point tracker).

Capitolul 6 analizează modalități de a realiza funcția MPP și algoritmii de comandă ale convertorului DC-DC.

În capitolul 7 se analizează schema și funcționarea unui controler MPPT 30 existent pe piața. S-a "extras" schema după care s-a realizat schema bloc, identificând componentele și funcțiile lor. S-au realizat experimente calitative neavând la dispozitie un stand complet pentru măsurători cantitative. Avantajul soluției MPPT este evident. Funcție de condițiile meteo (insolație mică) dar și de variația sarcinii (modificarea punctului de funcționare) eficientă adusă de MPPT poate ajunge la 30%.

1. ENERGIA SOLARĂ

1.1. Considerații privind radiația solară

Soarele reprezintă sursa de energie a Pamântului, contribuind la mentinerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K, întâlnită în spațiul interplanetar și este singura sursă de energie capabilă să întrețină viața pe Pământ.

Soarele reprezintă practic o sursă inepuizabilă de energie, estimându-se o durată a existenței radiației solare de încă aproximativ 4…5 miliarde a ani.

Pentru studiul radiației solare, este important să fie definite câteva mărimi importante.

Constanta solară reprezintă fluxul de energie unitară primită de la Soare, măsurată în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcția razelor solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1350 W/m2, reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliților de cercetare științifică.

Atmosfera terestră și suprafața Pământului interacționează cu radiația solară, producând o serie de transformări ale acesteia, așa cum se observă în

figura 1.1.

Fig. 1.1. Schema interacțiunilor dintre energia solară și atmosfera, respectiv suprafața terestră: Rev. Tehnica Instalațiilor nr. 5/2003

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

Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiației solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbția și difuzia.

În atmosferă este absorbită (reținută, filtrată) aproape total radiația X și o parte din radiația ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon și alte gaze existente în atmosferă, contribuie la absorbția radiației solare de către atmosferă.

Radiația absorbită este în general transformată în căldură, iar radiația difuză astfel obținută este retrimisă în toate direcțiile în atmosferă.

Prin aceste procese, atmosfera se încălzește și produce la rândul ei, o radiație cu lungime de undă mare, denumită radiație atmosferică.

În plus fața de cele două mecanisme de modificare a intensității radiației solare, o parte din radiația solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componente ale sale (moleculele de aer și anumite categorii de nori). Prin reflectare, o parte din radiația solară este disipată, mecanismul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezintă radiația bolții cerești.

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

Radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței receptoare.

Radiația solară difuză poate fi considerată aceeași, indiferent de orientarea suprafeței receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferențe.

Figura 1.2 prezintă proporția dintre radiația difuză și radiația directă, în radiația globală. Este interesant de remarcat că in zona noastra radiația difuză prezintă o pondere aproximativ egala cu radiația directă.

Fig. 1.2. Raportul dintre radiația difuză și radiația directă Rev. Tehnica Instalațiilor nr. 5/2003

Energia unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeței Pământului, perpendicular pe direcția razelor solare, pentru condițiile în care cerul este perfect senin și lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale și Europei de Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2. Această valoare reprezintă suma dintre radiația directă și difuză.

Radiația solară este influențată de modificarea permanentă a câtorva parametrii importanți, cum sunt:

– Înălțimea soarelui pe cer (unghiul format de direcția razelor soarelui cu planul orizontal);

– Unghiul de înclinare a axei Pământului;

– Modificarea distanței Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe o traiectorie eliptică, ușor excentrică.);

– Latitudinea geografică.

În figura 1.3 este reprezentată variația densității radiației solare în funcție de înălțimea Soarelui, adică unghiul format de direcția razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situații atmosferice.

Fig. 1.3. Variația radiației solare în funcție de direcția razelor solare, pentru diferite situații atmosferice: Rev. Tehnica Instalațiilor nr. 5/2004

Potențialul de utilizare a energiei solare în Romania, este relativ important, așa cum se observă în figurile 1.4 și 1.5, care reprezintă hărți ale radiației solare globale. 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.

Fig. 1.4. Harta intesității radiației solare în Europa și România

Fig. 1.5. Harta schematică a radiației solare în România Rev. Tehnica Instalațiilor nr. 5/2003

Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta și chiar de la o zi la alta, în aceeași localitate și cu atât mai mult de la o localitate la alta. În figura 1.6, este prezentat nivelul mediu al insolației, reprezentând cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă și cade pe suprafața pământului, în localitatea București.

În același mod și energia captată variazaă cu poziția geografică, anotimp, momentul zilei, starea meteorologica.

Fig. 1.6. Nivelul mediu al insolației în București Rev. Tehnica Instalațiilor nr. 5/2003

Evident, radiația solară este distribuită neuniform pe suprafața Pământului, poziția geografică și condițiile climatice locale, având o influență deosebită pentru impactul radiației solare asupra suprafeței terestre. Câteva dintre datele statistice rfeferitoare la radiația solară, disponibile pentru România, sunt prezentate în tabelele 1…3.

Tab. 1. Densitatea puterii radiante solare globale medii [W/m2], pe o suprafață orizontală, în București

A – cer acoperit, S – cer senin

Tab. 2. Durata medie orară de strălucire a soarelui, la ora 12 (11:30 – 12:30)

Tab. 3. Sumele medii orare ale duratei de strălucire a Soarelui

1.2. Compoziția spectrală a radiației solare

Principalele componente ale radiației solare care ajunge pe Pamânt și participația fiecărei

componente în radiația globală, din punct de vedere energetic, sunt:

– radiație ultravioletă 3%

– radiație vizibilă 42%

– radiație infraroșie 55%

Fiecărei componente a radiației, îi corespunde câte un domeniu bine definit al lungimilor de undă:

– radiație ultravioletă 0,28 – 0,38 μm (microni);

– radiație vizibilă 0,38 – 0,78 μm (microni);

– radiația infraroșie 0,78 – 2,50 μm (microni).

Contribuția energetică a radiației solare globale, în funcție de lungimea de undă, între 0,3 si 2,5 μm (microni), pentru o suprafață perpendiculară pe acea radiație, esteica.

Fig. 1.6. Nivelul mediu al insolației în București Rev. Tehnica Instalațiilor nr. 5/2003

Evident, radiația solară este distribuită neuniform pe suprafața Pământului, poziția geografică și condițiile climatice locale, având o influență deosebită pentru impactul radiației solare asupra suprafeței terestre. Câteva dintre datele statistice rfeferitoare la radiația solară, disponibile pentru România, sunt prezentate în tabelele 1…3.

Tab. 1. Densitatea puterii radiante solare globale medii [W/m2], pe o suprafață orizontală, în București

A – cer acoperit, S – cer senin

Tab. 2. Durata medie orară de strălucire a soarelui, la ora 12 (11:30 – 12:30)

Tab. 3. Sumele medii orare ale duratei de strălucire a Soarelui

1.2. Compoziția spectrală a radiației solare

Principalele componente ale radiației solare care ajunge pe Pamânt și participația fiecărei

componente în radiația globală, din punct de vedere energetic, sunt:

– radiație ultravioletă 3%

– radiație vizibilă 42%

– radiație infraroșie 55%

Fiecărei componente a radiației, îi corespunde câte un domeniu bine definit al lungimilor de undă:

– radiație ultravioletă 0,28 – 0,38 μm (microni);

– radiație vizibilă 0,38 – 0,78 μm (microni);

– radiația infraroșie 0,78 – 2,50 μm (microni).

Contribuția energetică a radiației solare globale, în funcție de lungimea de undă, între 0,3 si 2,5 μm (microni), pentru o suprafață perpendiculară pe acea radiație, este reprezentată calitativ în figura 1.7.

Fig. 1.7. Distribuția energiei radiației solare, în funcție de lungimea de undă (microni)www.stgobain.ro/

Se observă că cea mai mare cantitate de energie se regăsește în domeniul radiației infraroșii și nu în domeniul radiației vizibile, ceea ce sugerează ideea că această radiație poate fi captată eficient și în condițiile în care cerul nu este perfect senin.

Cunoasterea spectrului radiatiei solare este importanta pentru a realiza panouri solare care sa capteze cit mai mult din aceasta.

1.3. Captarea radiției solare

Transformarea, sau conversia energiei solare în energie electrica si termică, este realizată în captatori solari, având funcționarea bazată pe diverse principii constructive.

Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare sa fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă.

Poziția captatorilor solari este definită prin două unghiuri și anume, unghiul de înclinare față de orizontală, prezentat în figura 2.8 și notat cu α numit inaltime, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea față de direcția sudului, prezentat în figura 2.9.

Fig. 1.8. Unghiul de înclinare a captatorilor solari față de orizontală

.

Fig. 1.9. Unghiul azimutului (orientarea față de direcția Sud) www.viessmann.com

Figura 1.10 prezintă într-un mod sintetic, influența combinată a celor doi parametri care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile.

Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obține cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea țărilor din Europa, inclusiv pentru România.

Fig. 1.10. Influența combinată a unghiului de înclinare și a unghiului azimutului, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile www.viessmann.com

Analizând figura 1.10, se observă că unghiul de înclinare optim, care permite captarea optimă a radiației solare, este de cca. 15…55° depinzind de anotimp, iar abaterea de la direcția Sud, poate să se situeze între ±20° fără a fi afectată major capacitatea de captare a energiei solare. Pentru unghiuri de înclinare de 5…65°, radiația solară poate fi captata în proporție majora. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează murdărirea suprafeței captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutățirea performanțelor optice ale captatorilor. Chiar și colectorii montați vertical, cu o abatere de până la ±20° față de direcția Sud, pot recupera 70% din radiația solară, ceea ce sugerează posibilitatea montării acestora pe fațadele clădirilor.

Exista softuri specializate care evalueaza energia electrica produsa functie de pozitionare pentru ca nu totdeauna este posibila orientarea sud si inaltimea optima. De exemplu la amplasarea instalatiilor pe acoperis pot exista abateri functie de modul de orientare a constructiei. Dupa cum am aratat mai sus inaltimea este variabila cu inaltimea soarelui deci cu anotimpul. Tot din softuri se stabilesc unghiuri optime functie de scopul urmarit. Daca se urmareste ca energia electrica sa fie maxima pe durata unui an inaltimea optima este 35 grade pentru Romania. Aces unghi este determinat de paralela pe care se afla locul de montaj. Daca se cere randament maxim pentru perioada verii (instalatii in agricultura) inaltimea este aproximativ 20 grade.

Cel mai bine valorifica energia solara instalatiile orientabile (trackere) dupa una sau doua axe.

2. CELULE FOTOVOLTAICE

2.1. Efectul fotovoltaic

Efectul fotovoltaic – constă în apariția unei tensiuni electromotoare la contactul dintre un semiconductor și un metal sau la contactul dintre doi semiconductori dacă regiunea de contact este iradiată cu un fascicul de lumină.

Interacțiunea dintre solid și undele electromagnetice determină, printre alte fenomene de absorbție a radiației incidente. În cazul semiconductorilor, unul din mecanismele absorbției constă în tranziția unui electron din banda de valentă în banda de conducție. Astfel numărul purtătorilor de sarcină liberi crește, la fel și conductivitatea electrică, fenomen numit fotoconductibilitate sau efect fotoelectric intern. Pentru ca acesti purtatori de sarcină să determine apariția unei diferențe de potențial este necesară redistribuirea lor între fața luminată și cea neluminată. În cazul nostru ,a celulei fotovoltaice, această redistribuire are loc datorită unui câmp intern local din semiconductor determinat de doparea diferită a semiconductorului (jontiune p-n). Diferența de energie între nivelele energetice ale materialului de bază și impurități determină intervalul de lungimi de undă care produc efectul fotoelectric. Intervalul energetic 0,2-2,3 eV corespunde intervalului de lungimi de undă de 6,2-0,5 microni deci domeniul vizbil și infrarosu apropiat.

Efectul fotovoltaic este studiat pentru prima dată de Alexandre Edmond Becquerel, în anul 1839. Primele celule fotovoltaice au fost construite de către Johann Elster și Hans Geitel, fiind utilizate la măsurarea intensității luminoase.

2.2. Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice

În anul 2001, 99% dintre celulele fotovoltaice au fost realizate din siliciu, element chimic din familia cristalogenilor, cel mai abundent din natură după oxigen (27, 6%). Siliciul se găsește în formă naturală în compuși precum silica ( nisip, quartz, cristobalit etc. ) sau silicații (feldspat, caolin etc.), nefiind un element toxic .

Datorită faptului că siliciul are 4 electroni pe ultimul strat, pentru a realiza elemente electronegative (de tip N) sau electropozitive (de tip P), acesta este dopat cu elemente de valență superioară (fosfor), respectiv cu elemente de valență inferioară (bor). Prin acest procedeu se alcătuiesc semiconductoarele de tip N, respectiv semiconductoarele de tip P.

Prin punerea în comun, în aceeași rețea cristalină în maniera de a avea conductivitate electrică, a unui material de tip N cu un material de tip P se obține o joncțiune PN. O celulă fotovoltaică este alcătuită dintr-o joncțiune de acest tip, doi electrozi, o grilă conducătoare și un strat antireflexie .

Figura 2.1. – Structura și principiul de funcționare al unei celule PV cu Si

O celulă PV transformă o parte din energia radiativă primită de la soare în electricitate, pentru lungimile de undă cuprinse în spectrul vizibil și foarte puțin din ultraviolete și infraroșii. Acest fenomen se datorează faptului că electronii din materialul de tip N absorb energia fotonilor proveniți din radiația solară, devenind liberi în rețeaua cristalină.

Datorită existenței câmpului electric creat de joncțiunea PN, acești electroni liberi se deplasează către electrodul pozitiv, dând naștere unei diferențe de potențial.

Pentru ca un electron din banda de valență a materialului să devină liber și să poată participa la conducție, acesta trebuie să absoarbă o anumită energie. Această cantitate are o valoare proprie pentru fiecare material semiconductor. Valorile uzuale pentru celulele PV sunt:

– pentru siliciul cristalin 1.12 eV (λ=111 nm)

– pentru siliciu amorf 1.65 eV (λ=75 nm)

– pentru germaniu 0.66eV (λ=88 nm)

În consecință fotonii cu lungimi mari de undă, a căror energie cinetică este mică desprind puțini electroni de pe stratul de valență și au o eficiență scăzută în producerea energiei electrice. Pe de altă parte fotonii cu lungimi foarte mici de undă, bogați în energie vor fi absorbiți la suprafața celulei într-o zonă nefavorabilă producerii energiei electrice. Surplusul de energie este transformat în căldură și conduce la încălzirea materialului.

2.3. Tipuri uzuale de celule fotovoltaice

Siliciul este cel mai utilizat material pentru producerea de celule PV la nivel industrial. În urma proceselor tehnologice industriale se obține siliciul metalurgic cu o puritate de 98%. Acesta este supus apoi unei etape de purificare chimică, obținându-se siliciul de calitate electronică, sub formă lichidă. Ultima etapă este cea de dopare pentru obținerea materialelor de tip P și de tip N. O celulă PV trebuie să funcționeze între 2 și 3 ani pentru a produce energia necesară procesului său de fabricație.

2.3.1. Celule din siliciu monocristalin

În urma răcirii sale, siliciul cristalizează, dând naștere unui singur cristal. Acesta se decupează în fâșii subțiri pe care sunt aplicate apoi celelalte straturi componente ale unei celule PV. Culoarea lor este în general albastru uniform. Avantajul principal al acestui tip de celule este randamentul lor foarte bun (aprox %17). Dezavantajele constau în costul ridicat de producție și randament scăzut în cazul unei slabe iluminări.

2.3.2. Celule din siliciu policristalin

În timpul cristalizării se formează mai multe cristale. Decuparea în fâșii conduce la realizarea de celule compuse din mai multe cristale. Acestea sunt de asemenea albastre, dar se pot distinge diversele motive formate în urma cristalizării.

Avantajele acestei tehnologii sunt: randament bun al celulelor (aprox 13%) , preț de producție mai scăzut.

Dezavantaje: randament scăzut în cazul unei slabe iluminări.

Sunt cele mai utilizate celule la nivel industrial, pentru producerea de panouri PV, având cel mai bun raport calitate-preț. Au eficienta buna in cazul radiatiei difuze mari spre deosebire de celulele din siliciu monocristalin care au eficienta buna in cazul radiatiei directe mari.

2.3.3. Celule din siliciu în stare amorfă

În acest caz siliciul nu este cristalizat, ci se depune pe o foaie de sticlă. Culoarea are o tentă gri.

Avantajele constau într-un randament bun în cazul unei slabe iluminări și în costul scăzut de producție.

Dezavantajele sunt un randament scăzut în cazul intensităților mari ale radiației solare și degradarea materialului într-un timp relativ scurt de funcționare. Au un randament de conversie de aproximativ 8%.

2.3.4. Celule tandem

Celulele din siliciu s-au răspândit pentru că au eficiența cea mai bună pe tot spectrul solar. Există materiale care au un randament mult mai bun, dar pe porțiuni de spectru (rosu, albastru). Suprapunând 3 astfel de celule care valorifică bine o parte din spectru se obține o celulă cu randament total superior. Fiecare celulă este transparentă pentru restul spectrului.

Celulele tandem se realizează prin asocierea acestor tipuri de celule prezentate mai sus, sub formă de straturi. Această combinație conduce la absorbirea unui spectru mai larg al radiației electromagnetice pentru producerea de energie electrică. În acest fel se ameliorează randamentul de conversie, față de o celulă simplă. Se ajunge la randamente de 40%.Costul de producție în acest caz este evident mai ridicat.

2.3.5. Celule cu film subțire

Această tehnologie presupune reducerea cantității de material folosită la producerea de celule PV, dar poate conduce și la o scădere a randamentului de conversie. Acest tip de celule a devenit des utilizat din prisma costurilor scăzute de fabricație, greutății reduse a panoului și flexibilității lor. Din această categorie fac parte celulele CdTe, CIGS și GaAs.

2.3.6. Celule din semiconductori organici (polimeri).

Acest tip de celule se fabrică din polimeri organici și reprezintă una dintre cele mai noi tehnologii PV. Celulele sunt în general realizate în film (10 nm) din polifenilen-vinil și fulerene de carbon (nanomateriale).

3. SISTEME FOTOVOLTAICE

Sistemele fotovoltaice sunt destinate producerii energiei electrice casnice și industriale prin conversia luminii (energiei solare) în energie electrică.

Există două mari sisteme fotovoltaice: sisteme ongrid care sunt sisteme cuplate la rețea și livreaza energia electrică produsă în SEN (Sistemul Energetic Național);sisteme offgrid care sunt sisteme independente (sisteme insularizate). Sistemele fotovoltaice offgrid pot fi utilizate ca sisteme autonome pentru alimentarea cu energie electrică a unor consumatori aflați la distanță mare de sistemul național de alimentare cu energie electrică.

Sistemele fotovoltaice se mai numesc si centrale fotoelectrice, parcuri fotovoltaice sau ferme fotovoltaice si au puteri instalate de la câteva sute de wati pâna la ordinul zecilor si sutelor de MW.

Pentru a încuraja investițiile în sisteme fotovoltaice conectate la rețea, Uniunea Europeana acordă finanțări atât pentru achiziția echipamentelor cât și pentru subvenționarea prețului de achiziție a energiei furnizate in SEN. Durata normală de viața a unui sistem fotovoltaic, pentru o putere de ieșire mai mare de 80 % din valoarea inițială, este de 25 de ani, iar perioada de garanție de 5 -10 ani de la livrare.

În componența unui sistem fotovoltaic conectat la SEN intră un generator fotovoltaic format dintr-un număr bine determinat de panouri, unul sau mai multe invertoare de rețea ,un sistem pentru măsurarea energiei electrice produse si echipamentul de conectare si protecție adecvat. Sistemele fotovoltaice de rețea nu au în compunere baterii de acumulatori, iar energia electrică produsă pe durata zilei este utilizata pentru consum propriu sau injectată în SEN pentru a fi utilizata de alți consumatori.

La sistemele offgrid energia produsă de panourile solare alimenteaza consumatorii conectați dar și acumulează energie pentru alimentarea consumatorilor atunci când energia solară este insuficienta sau nu există (noaptea). Din această cauză pe lânga panouri, sistemele offgrid au un încărcător care convertește energia de curent continuu a panourilor solare în energie de curent continuu cu alți parametri (tensiune, curent) pentru alimentarea consumatorilor de curent continuu și încărcarea bateriilor de acumulatori și un invertor offgrid pentru producerea de energie de curent alternativ.

Alegerea corectă a componentelor unui sistem fotovoltaic, a panourilor fotovoltaice, invertoarelor și a bateriei de acumulatori este un proces laborios în care proiectantul trebuie să țină cont de parametrii tehnici ai panourilor fotovoltaice, variațiile de temperatură, coeficienții de variație cu temperatura ai puterii de ieșire și ai tensiunii la puterea maximă a panourilor fotovoltaice, nivelul și variația radiației solare, plaja și valoarea maximă a tensiunii de intrare a invertoarelor de rețea, curentul de încărcare maxim al încărcătoarelor și controlerelor de încărcare și al invertoarelor de baterii, tipul rețelei, locul de montaj, curba de consum, etc.

3.1 Sisteme fotovoltaice cuplate la rețea

Sistemele fotovoltaice conectate la rețea reprezintă cea mai la îndemâna și cea mai oportună investiție a momentului în Romania, având o rata de profitabilitate foarte mare și o durată de amortizare de aproximativ 8 ani. Țara noastră oferă cele mai favorabile condiții din Europa pentru aceste investiții, cadrul legal de promovare a producerii energiei din surse regenerabile fiind prevăzut în Legea nr. 220/2008 completată prin OUG nr. 57/2013. Pentru energia electrică produsă în centrale fotoelectrice se acordă pentru fiecare MWh livrat în rețea o subvenție în afara costului energiei.

Dacă obiectivul (casa, imobil, unitate economică, etc) este deja conectat la rețea ca loc de consum, cei interesați să investească în sisteme fotovoltaice pot opta doar pentru reducerea consumului propriu sau pentru o soluție destinată exclusiv producerii de energie electrică. Din punct de vedere al avizelor și aprobărilor necesare pentru realizarea investițiilor în sisteme fotovoltaice pentru consum propriu offgrid, procedura este mult mai simplă decât cea pentru centralele fotoelectrice destinate exclusiv injectării energiei în rețea.

3.2. SISTEME FOTOVOLTAICE OFFGRID

Sistemele fotovoltaice offgrid (independente) au schema de principiu de mai jos.

Panourile solare se leagă în grupe (stringuri) în serie funcție de tensiunea maximă admisa de încărcător (solar controler) la intrare. Pentru mărirea puterii se pot lega mai multe astfel de grupuri în paralel. Și aici trebuie urmărit să nu fie depăsit curentul maxim al încărcătorului. Pentru puteri mai mari se pot pune mai multe încărcătoare în paralel.

Controlerul alimentează sarcina electrică direct în curent continuu sau prin invertor în curent alternativ. Atunci când energia produsă de panouri este mai mare decât sarcina, încărcătorul încărca bateria de acumulatori. Când energia este insuficientă, tot prin încărcător bateria suplinește deficitul de energie. Tot încărcătorul oprește încărcarea bateriei când bateria este încărcata 100% și oprețte descărcarea bateriei când s-a atins nivelul minim pentru a-i prelungi viața. Acestea sunt cele două mari funcții ale încărcătorului. El trebuie să facă toate acestea cu un randament energetic cât mai bun.

Cele mai multe aplicații sunt alimentarea consumatorilor izolați.

Sistemele fotovoltaice independente pot fi realizate în topologie magistrală de curent alternativ (AC Bus) sau magistrală de curent continuu (DC Bus). Sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu sunt utilizate pentru puteri nominale mici (pâna la 10 kilowati) în timp ce sistemele de tip magistrală de curent alternativ nu sînt limitate în ceea ce privește puterea maximă.

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

Există si sisteme mixte cu o rețea partială de curent continuu și apoi rețeaua de curent alternativ pentru alimentarea consumatorilor.

Un sistem fotovoltaic de tip magistrală de curent alternativ are în compunere un generator fotovoltaic, unul sau mai multe invertoare de rețea, unul sau mai multe invertoare de baterii, o baterie de acumulatori pentru stocarea energiei electrice, și opțional un grup electrogen ca sursă de rezervă. Invertoarele de rețea pentru aceste sisteme transformă energia de curent continuu generată de panourile fotovoltaice în energie de curent alternativ și o injectează direct în rețeaua electrică a imobilului.

Surplusul de energie generat în timpul zilei este stocat în acumulatori pentru a asigura necesarul de energie pe timpul nopții, cu ajutorul invertoarelor de baterii.

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

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

3.3 Creșterea productivității electrice a panourilor fotovoltaice

La ora actuală există diverse tehnologii și materiale pentru a produce celule solare. Dintre cele mai noi se numără materialele organice, plasticul sau celule în film subțire, obținute din combinații ale semiconductoarelor cu alte materiale.

Cu toate acestea piața fotovoltaică este dominată în proporție de aproape 80% de tehnologia siliciului cristalin.

Cele mai mari randamente ale acestora s-au obținut în laborator pentru celule mici (2cm x 2cm), iar valoarea acestora se situează la 30%. Aceste cifre se schimba mereu.

Eficiența modulelor comercializate este de 15% pentru celule din siliciu mono-cristalin (m-Si) și 12-13% pentru cele poli-cristaline (p-Si). În ceea ce privește celulele amorfe cu strat subțire de siliciu, randamentul acestora, utilizând tehnologii complexe de fabricație, nu se ridică la mai mult de 5-8% .

Există două posibilități de creștere a productivității energetice a unui panou fotovoltaic. Fie prin studiul și concepția de noi materiale pentru celulele fotovoltaice care să transforme o mai mare parte din spectrul emis de soare în energie electrică, fie optimizarea și eficientizarea instalațiilor deja existente.

În general există un sistem de urmărire al punctului maxim de putere montat pentru un ansamblu de panouri fotovoltaice. Scopul acestui studiu a fost conceperea unui sistem de achiziție a datelor și de urmărire a punctului maxim de putere, cu microcontroler, care să poată fi implementat pentru fiecare panou al unui câmp fotovoltaic, urmărindu-se prin aceasta creșterea productivității energetice a întregului sistem.

4. STOCAREA ENERGIEI

4.1. Principii generale

Sursele de energie se împart în surse de energie controlabile și surse de energie necontrolabile. La sursele de energie controlabilă se poate comanda momentul producerii energiei. La aceste surse momentul producerii se poate sincroniza cu mometul consumului. Este cazul termocentralelor, hidrocentralelor, centralelor nucleare. La sursele necontrolabile producerea este aleatorie depinzând în general de factori naturali. Aici intră energia din surse solare, eoliene. Momentul producerii nu poate fi sincronizat cu momentul consumului. De aici rezulta necesitatea de a stoca energia la momentul producerii și de a o consuma când există cerere. Poate exista necesitatea stocării energiei chiar și la energiile controlabile în cazul în care consumul instantaneu este mai mare decât puterea sursei. Stocarea energiei se face în dispozitive instantanee, pentru scurtă durată (condensatori, bobine, energie cinetica) de ordinul secundelor (pornirea unui motor), pentru durată de ordinul minutelor pâna la jumătate de oră și stocatoare pentru durată mare, mai mult de jumătate de oră.

Energia se poate acumula în mai multe forme:energie mecanică, energie termică, energie hidraulică, energie chimică, energie electrică. Cel mai adesea energia se stocheaza în forma in care se produce (termică) sau în forma în care se consumă (electrică). Conversiile dintr-o formă de energie în alta sunt afectate de un randament al conversiei, din acest motiv ele sunt de evitat.

Cea mai răspândită formă de acumulare luând în calcul cantitatea de energie, este acumularea apei în lacuri de acumulare din cursuri de apă sau prin ridicarea apei în lacuri.

O mare cantitate de energie se acumuleaza sub formă de energie termică. Metoda constă în încălzirea unor mase mari de fluide cu caldura specifică și latență mare și eliberarea energiei când e necesară sub formă de energie termică (încălzire) sau electrică (trecerea printr-o turbină). Această metodă este specifică instalațiilor tip heliostat. Cu ajutorul unor oglinzi energia solară este concentrată și încălzește și topește sarea în timpul zilei. La cerere printr-un circuit intermediar vaporii antrenează o tubina cuplată cu un generator electric.

În cazul instalațiilor fotovoltaice, cea mai răspândită metodă de stocare a energiei este stocarea în baterii de acumulatoare. Această metodă are avantaje certe. Acumularea se face fără a fi necesară conversia ditr-o formă în alta a energiei. Panourile produc energie electrică și acumulatorii alimenteaza sarcini electrice. Accesul la sursa de energie este practic instantaneu neintervenind inerții termice sau mecanice. Acumularea poate fi de lungă durată ca diferența între momentul încărcarii și momentul folosirii energiei, cu o pierdere de energie admisibila. Ca inconveniente se poate cita durata de viața limitată, prețul de cost relativ ridicat.

4.2. Baterii ( Acumulatori)

O baterie reîncărcabilă sau acumulator este un tip de baterie electrică. Acesta conține una sau mai multe celule electrochimice, și este un tip de acumulator de energie. Acesta este cunoscut ca un element secundar, deoarece reacțiile sale electrochimice sunt reversibile electric. Bateriile reîncărcabile vin în multe forme si dimensiuni, variind de la pastile (celule) pâna la sisteme de megawatt insularizate sau conectate la o rețea de distribuție electrică pentru a o stabiliza în cazul sistemelor smartgrid. Mai multe combinații diferite de produse chimice sunt utilizate: plumb-acid, nichel-cadmiu (NiCd), nichel-metal hibrid (NiMH), litiu-ion (Li-ion) și litiu-polimer ion (Li-ion polimer).

Cele mai utilizate tipuri acumulatori în sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride independente sunt bateriile plumb-acid fiind cele mai ieftine. Mai nou au fost dezvoltate baterii cu Li-Ion si nichel – cadmiu (Ni-Cd) pentru capacități mari, dar prețurile lor sunt deocamdată destul de mari și algoritmii controlerelor de încărcare ai invertoarelor de baterii nu sunt verificați suficient.

Bateriile plumb-acid continuî să reprezinte principala opțiune pentru stocarea energiei, având avantajul prețului și al disponibilității pe lângă faptul că pot elibera o cantitate foarte mare de energie într-un interval foarte scurt de timp, putând suporta curenți foarte mari. Bateriile plumb-acid utilizate în sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride sunt incapsulate si nu necesită completare cu apă și întreținere, supapa regulatoare (VLRA) realizând recombinarea oxigenului și a hidrogenului rezultați în urma reacțiilor chimice de la nivelul anodului si catodului.

Temperatura optimă de funcționare a unei baterii de acumulatori acid-plumb este 20°C – 25°C și influentează direct durata de viată a bateriei. În cazul în care bateriile de acumulatori funcționează la temperaturi superioare acestui domeniu, durata de serviciu se reduce drastic, iar la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. În afara intervalului optim de temperatură este necesară de asemenea, compensarea tensiunii de încărcare cu temperatura. Curentul de încărcare al unei baterii de acumulatori trebuie sa se încadreze în domeniul 10% pâna la 20% din capacitatea ei nominală.

Bateriile plumb-acid au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apă în stare lichidă în bateriile clasice (electrolit lichid), reținut prin efectul capilar în separatoare din fibră de sticla sau silicat de bor (baterii AGM) sau reținut în Gel (baterii cu Gel). Bateriile AGM au separatoarele montate rigid, rezistă foarte bine la șocuri și vibrații, iar electrolitul nu se varsă nici dacă bateriile sunt răsturnate. Pentru caă nu conțin elemente care îngheață pot fi utilizate la temperaturi extrem de scăzute. Desi din punct de vedere al electrolitului sunt similare cu bateriile cu gel, bateriile AGM aparțin clasei lichid, iar tensiunea și algoritmul de încărcare sunt aceleași ca și pentru bateriile clasice.

Bateriile cu Gel au electrolitul sub forma unei mase vâscoase și imobile, având acidul sulfuric reținut în Gel. Pot fi instalate în orice poziție, au rezistentă mare la temperaturi scăzute, șocuri și vibrații, dar necesită tensiuni de încărcare mai mici decât în cazul bateriilor din clasa lichid și de asemenea nu necesită încărcare de egalizare.

Dimensionarea corectă a capacitații pentru o baterie de acumulatori se face

în funcție de puterea nominală a consumatorilor și de diagrama de consum pe intervale orare. Durata de viața a unei baterii de acumulatori este dependenta de adâncimea de descărcare și de temperatura de lucru. În funcție de capacitatea și tipul bateriei de acumulatori se aleg controlerele de încărcare și/sau invertoarele de baterii. Trebuie reținut că utilizarea unui controller de încărcare sau invertor de baterii impropriu poate duce la reducerea capacitații bateriei de acumulatori și a duratei de viața a acesteia sau chiar la distrugerea ei.

Avantajele bateriei cu Gel:

– Durata de viață mai lungă, cam de 2 ori mai mare fața de VLRA

– Descărcare rapidă

– Încărcare rapidă, aproximativ 80% încărcare în 30 de minute

– Rentabilă

– Gama largă de operare în funcție de temperatura, de la -40 C până la 60 C

– Autodescărcare extrem de scăzută

– Rezistență internă mică (în comparație cu VLRA)

4.3. Încărcarea bateriilor

Încărcarea ca și descărcarea corectă a unui acumulator condiționează performanțele și durata lui de viața. Dacă descărcarea în timpul funcționării depinde esențial de utilizator, de sarcina electrică pe care o alimentează, de alegerea corectă a tipului si capacitații și nu poate fi controlată riguros procesul de încărcare poate fi determinat prin alegerea corectă a încărcătorului .

Obținerea randamentului maxim al bateriilor reîncărcabile se bazează, în principal, pe modul în care decurge încărcarea lor. Cei mai mari dușmani ai acumulatoarelor sunt supraîncărcarea și supraîncălzirea.

Ca regulă generală, pe durata procesului de încărcare, bateriile nu trebuie să prezinte fenomenul de supraîncălzire deoarece temperaturile crescute scurtează dramatic viașa acestora. Cu toate acestea, încălzirea bateriilor pe bază de nichel este inevitabilă în cursul încărcării. Ori de câte ori acest fenomen apare, trebuie limitat în timp.

Creșterea de temperatură apare întotdeauna în a doua parte a ciclului de încărcare.

Aceasta precauție trebuie luată, în mod special, în cazul bateriilor NiMH datorită imposibilitații acestora de a converti chimic caldura.

Determinarea încărcarii pe baza măsurarii tensiunii celulei.

Măsurarea tensiunii pe celula neconectata poate fi utilizată pentru determinarea stării de încărcare a bateriei pe baza de plumb la fel ca și la bateriile alcaline sau pe bază de Li.

Încărcarea bateriilor pe bază de Pb este similară cu cea a bateriilor pe bază de Li-Ion și diferă de cea a bateriilor pe bază de Ni prin faptul că se utilizeaza limitarea de tensiune și nu de curent.

Fig. 4.1.

Timpul de încărcare al unei baterii cu Pb este de 12-16 ore ajungând la 36 ore pentru bateriile de capacitate mare. Prin încărcarea la curenți mari în etape diferite, timpul de încarcare poate fi redus la 10 ore sau mai puțin. Un acumulator Pb se încarca într-un timp de 5 ori mai mare decât cel în care se descarcă. Un încărcator în etape pentru baterii Pb va incepe încărcarea la un curent constant până când celula atinge o tensiune prestabilită. Această prima etapă dureaza cam 5 ore și încarca bateria la 70% din capacitate. A doua etapă prezintă o reducere treptatăă a curentului de încărcare până la atingerea unei capacitați de 100%. Neparcurgerea acestei etape are, de cele mai multe ori, drept consecință, reducerea dramatică a duratei de exploatare a bateriei precum și imposibilitatea de a o mai incarcă la capacitatea nominală.

Aceasta etapa durează cam 5 ore. Încarcarea maximă se atinge când curentul de încărcare scade sub 3% din curentul nominal.

Se impune o corectă urmărire a tensiunii celulei, ce poate varia între 2,30V si 2,45V. Alegerea tensiunii este critică: acest tip de baterie trebuie încărcată 100% pentru a evita sulfatarea electrodului negativ dar este dificil de decelat momentul în care începe procesul chimic iar supraîncărcarea duce la corodarea electrodului pozitiv și la generarea de gaze.

Avantajele si dezavantajele tensiunii de încărcare la bateriile cu Pb sunt date în tabelul de mai jos.

Tensiunea maximă variaza, de asemenea, cu temperatura. O temperatură ridicată necesită tensiuni coborâte de încărcare. Încărcătoarele care funcționează în game largi de temperaturi trebuie să fie în mod obligatoriu dotate cu un sistem de măsurare și integrare a temperaturii.

Etapa finală este încărcarea de mentenanță ce urmărește compensarea autodescărcării.

Un alt aspect demn de sesizat este faptul că o baterie Pb nu se recomandă a fi menținută în încărcare la tensiunea maximă pentru un timp îndelungat. Perioada maximă este de aproximativ 48 de ore. După atingerea stării de încărcare, pentru mentenanța (trickle charge) se recomandă o tensiune în jur de 2,25-2,27 V/celulă la 25oC.

Bateriile Pb se vor pastră între utilizari în stare de încărcare completă. La fiecare 6 luni se recomandă o încărcare de topping (etapa a doua) pentru a evita descărcarea sub 2,10V/celulă. Stocarea sub această tensiune duce la sulfatarea ireversibila a bateriei.

4.4. Determinarea capacitații și descărcarea acumulatorilor

Starea unei baterii pe baza de Pb poate fi, cu unele limitări, determinată prin măsurarea tensiunii în gol. Astfel, o baterie (generic 12V) care prezintă o tensiune de 12,65V este 100% încărcată. La 12,45V-75%, 12,24V-50%, 12,06V-25%, sub 11,89V este descărcată.

Scopul unei baterii (fie baterie chioară fie acumulator) este acela de a stoca energia și de a o pune la dispoziția utilizatorului atunci când acesta are nevoie.

Tensiunea de descărcare pentru bateriile cu Pb este de 1,75V/celulă. Descărcarea are loc la tensiune variabilă lent apoi abrupt pe masură ce se apropie de 100%.

Un ciclu de încărcare similar cu cel de mai sus dar foarte sugestiv este cel de mai jos. Se disting prima fază de încărcare bulk la curent constant, faza a doua cea de absobție la tensiune constantă și faza float când încărcarea s-a terminat și bateria este tampon cu încărcătorul.

Fig. 4.2.

Nici unul din grafice nu face referire la regimul de încărcare de egalizare. Acesta se aplică la șirul de baterii legate în serie, ceea ce este cazul instalațiilor fotovoltaice offgrid. Puterea acestor instalații nelegate la rețea a crescut mereu și pentru a nu se ajunge la curenți mari, se recurge la creșterea tensiunii prin legarea în serie a bateriilor.

În toate grupările bateriilor serie, paralel, mixt se recomandă folosirea bateriilor de același tip, aceeași capacitate, aceeași fabricație și dată a fabricației. Totuși oricât ne-am strădui bateriile nu sunt identice și după mai multe cicluri de încărcare-descărcare apar diferențe în gradul lor de încărcare. Din această cauză periodic se impune operația de egalizare a bateriilor. În acest caz se setează tensiunea la o valoare mai mare (2,7V la bateriile cu Pb) iar curentul se limitează la 20-30%. În acest regim bateriile care au un grad mai mic de încărcare se încarca și toate bateriile se egalizează ca grad de încărcare (ceea ce la bateriile cu Pb înseamnă aceeași tensiune).

5. INCARCATORUL SOLAR

5.1. Modul de funcționare al încărcătorului solar

Încărcătorul solar se monteaza în circuitul sistemului solar, între panoul solar fotovoltaic și baterie. Încărcătorul solar asigură o încărcare eficientă a bateriei, pe care o și protejează împotriva descărcării profunde și scurtcircuitelor, protejând în același timp și panoul solar împotriva unui eventual scurtcircuit.

Modul de functionare al unui încărcător solar este exemplificat prin figura de mai jos:

Fig. 5.1.

Încărcătorul solar este folosit pentru a regla fluxul de curent de la panoul fotovoltaic (sau sistemul de panouri) în baterii, și de la baterii la diverse sarcini electrice. Acesta are rolul de a preveni supraîncărcarea atunci când sursa de electricitate solară depăseste cererea, precum si supradescărcarea, atunci când cererea depasește posibilitățile sursei.

Diverse unități de control și display sunt adăugate, în funcție de preț și cât de sofisticată este unitatea, care sunt incluse pentru a proteja bateriile împotriva deteriorării și a asigura un regim de operare care să le maximizeze performanțele și durata de viață. Bateriile sunt o parte scumpă a majorității sistemelor de sinestătătoare, în special acelea care trebuie să furnizeze o sursă de electricitate de încredere zi și noapte, astfel încât costul relativ modest al unui charge controller de calitate reprezintă bani bine cheltuiți.

Cele două sarcini principale ale încărcătorului solar sunt evitarea supraîncărcării și a supradescărcării, în funcție de tensiunea bateriilor.

Supraîncărcarea se evită prin deconectarea panoului odată ce tensiunea în baterii atinge punctul maxim setat, pentru o baterie de 12V valorile fiind în general de 14V pentru încărcare float, 14.4V pentru încărcare boost și 14.7V pentru încărcarea de egalizare necesară în cazul bateriilor nesigilate. Descărcarea excesivă este prevenită prin deconectare a sarcinii și/sau atenționarea odată ce se atinge o valoare minimă, care este de obicei la 11V. Între aceste extreme, încărcarea și descărcarea continuă în acord cu cantitatea de soare care ajunge pe panoul fotovoltaic și puterea consumată de sarcină.

În mod ideal, încărcătorul solar estimează continuu SOC-ul bateriei și se folosește de valoarea acestuia pentru a regla curentul acceptat de la panou. În realitate, este mai complicat decât pare, deoarece SOC-ul nu depinde numai de tensiunea instantanee a bateriei, ci și de comportamentul din trecut. De exemplu, dacă o baterie a furnizat curent sarcinii pentru o perioadă și tensiunea a scăzut, atunci la deconectare își revine ușor, chiar și fară a mai fi încărcata. Invers, dacă bateria se încarcă de ceva timp, și tensiunea a crecut, atunci când se oprește încărcarea, nivelul tensiunii scade puțin.

Cu alte cuvinte, tensiunea pe care încărcătorul solar o culege la nivelul bateriilor nu este un indicator exact al stării de încărcare. Folosind diverși algoritmi, încărcătorul solar trebuie să ia în considerare istoria bateriei împreună cu valoarea curentă a tensiunii și să calculeze astfel SOC-ul și să aleagă în mod corespunzător tipul potrivit de încărcare.

O problemă importantă este cea a histerezisului. Atunci când se atinge valoarea maximă setată și se deconectează panoul pentru evitarea supraîncărcarii, tensiunea bateriei începe imediat să scadă, chiar dacă nu este conectată nicio sarcină. Histerezisul dintre tensiunile de deconectare și reconectare este un compromis care trebuie ales cu grijă. La fel se întampla și la valoarea minimă setată, deoarece tensiunea trebuie lasată o perioada să își revină înainte de reconectarea automată.

În cazul sistemelor de uz casnic bazate pe un singur panou fotovoltaic și o baterie de 12V care ține în funcțiune câteva lămpi cu consum mic și un mic televizor, o unitate simplă care să controleze câțiva amperi de curent la 12V este potrivită. Siguranța montată în apropierea bornei + a bateriei este folosită pentru protecție în caz de scurtcircuit.

5.2. Caracteristici ale încărcătorului solar:

– protecție împotriva conectării inverse a polarităților modulului fotovoltaic sau bateriilor.

– selectarea automată a regimului de încărcare în funcție de SOC-ul bateriilor (boost, float, egalizare).

– protecție împotriva supraîncărcării bateriilor și a descărcării profunde, curenților de sarcină excesivi și scurtcircuitelor accidentale.

– prevenirea curentului invers pe timpul nopții.

– afișarea unor parametri cum sunt tensiunea bateriei și/sau SOC-ul estimat, curenții la nivelul panoului și a sarcinii și anunțarea înaintea deconectării sarcinii.

Costul unitații va depinde cu siguranță de cât de multe din aceste opțiuni sunt incluse, iar cu creșterea complexității sistemului, și evident a puterii, funcțiile de protecție și monitorizare devin mai importante și sofisticate.

Se cunosc trei tipuri de charge controlere: controlere serie, controlere șunt și controlere MPPT (maximum power point tracking) care urmăresc punctul de putere maximă. Cele din urmă reprezinta obiectul de studiu în această lucrare.

5.3. Moduri de utilizare ale încărcătorului solar

Încărcătorul solar poate fi utilizat pentru alimentarea directă a consumatorilor de curent continuu, sau în tandem cu un invertor de baterii pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ, formând împreună cu acesta sisteme fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu. Sunt utilizate numai în sistemele fotovoltaice neconectate la sistemul energetic național și sunt potrivite pentru puteri mici de ordinul zecilor de wati pâna la câțiva kilowati.

Alegerea corectă a încărcătorului solar se face în funcție de tensiunea, curentul de încărcare și tipul bateriei de acumulatori (cu acid lichid, AGM sau Gel), tensiunea și curentul maxim al panourilor fotovoltaice, tensiunea și curentul maxim al consumatorilor, etc.

5.4. Tipuri de încărcătoare solare

Există două tipuri de încărcătoare solare, care folosesc una din cele două tehnologii descrise mai jos:

PWM =Controler cu modulație în durată a impulsurilor

MPPT = Controler cu urmărirea punctului de putere maxima

În comparație cu încărcătoarele de tip PWM, tehnologia MPPT mărește eficiența de încărcare cu 30% și reduce prin aceasta necesarul de putere la panouri. Abilitatea tehnologiei MPPT de a avea această eficiență față de tehnologia tip PWM mărește flexibilitatea sistemului. Încărcătoarele solare care folosesc tehnologia MPPT pot reduce secțiunea conductorilor datorită curentului mai scăzut.

Regulatoare (sau controlere) de încărcare: sunt necesare în sistemele fotovoltaice care stochează energia generată fotovoltaic folosind acumulatoare electrice pentru a prelungi durata de viața a acestora (prin evitarea descărcării excesive sau a supraîncărcării).

MPPT: Mărimea tensiunii continue generată de generatorul fotovoltaic nu corespunde, în general, aceleia necesare funcționării optime a consumatorului. Pentru a "transforma" tensiunea continuă la un nivel corespunzător se folosesc convertoare c.c.. Acestea se întâlnesc și ca blocuri distincte, dar de cele mai multe ori apar în componența invertoarelor sau a controlerelor de încărcare sub forma unor blocuri de adaptare a sarcinii la generator, numite " urmăritoare a punctului de putere maximă (MPPT- Maximum Power Point Tracker).

Mai multe detalii despre MPPT sunt tratate în capitolul separat numit – Urmărirea Punctului de putere maximă.

5.5. Încărcătorul solar MPPT

Până de curând, datorită electronicii complexe și a costurilor mari încărcătoarele solar MPPT erau considerate produse de nișa, folosite în special în sistemele de sine stătătoare mari. Dar odată cu dezvoltarea tehnologică, costul acestora a scăzut, devenind disponibile pentru publicul larg. Avantajul potențial constă în faptul că se realizează un calcul activ al punctului de putere maximă, nu se folosește o valoare prestabilită, putandu-se extrage considerabil mai multă energie îmbunătățind eficiența și permițând sistemului de panouri fotovoltaice să opereze la o tensiune diferită de cea a bateriilor, se deschid noi posibilități.

În figura de mai jos se poate observa schema de bază a unui încărcător solar MPPT. Elementul cheie este un convertor DC-DC care permite panoului să opereze la o tensiune diferită de cea a bateriei. Însă nu asta este partea cea mai importantă și inovativă în charge controlerul MPPT, ci abilitatea de a „simți” punctul de putere maximă MPP (Maximum Power Point) al panoului sau sistemului de panouri cu schimbarea nivelului luminii solare, în momente diferite ale zilei și în diverse stadii ale vremii.

Aceasta se obține printr-un algoritm care realizează o urmărire electronică continuă a punctului MPP al panoului, modificând în funcție de acesta tensiunea la intrarea convertorului.

Fig. 5.2.

La ieșire se folosește un algoritm avansat care asigură o rată de încărcare adaptată continuu la SOC-ul estimate al bateriilor. Acesta dispune de un controler PWM (pulse width modulation)

Fig.5.3.

În figura de mai sus se poate observa diferența de randament dintre încărcarea folosind MPPT și încărcarea clasică. Se poate observa o diferență semnificativă între cele doua situații: – cu albastru închis este reprezentat randamentul în cazul încărcării clasice (care dă un randament maxim de 97% la 85W) – cu albastru deschis randamentul în cazul încărcării MPPT (se observă clar atingerea unui randament peste 98% la puteri mult mai mari)

5.6. Caracteristici tehnice ale încărcătorului solar MPPT

Caracteristici generale:

– Tehnologie MPPT;

– Eficiență maximă de conversie;

– Eficiență maximă de urmărire;

– Modul de răcire;

– Puterea maximă a panourilor fotovoltaice;

– Tensiunea maximă de mers în gol panou fotovoltaic Voc;

– Tensiunea optimă intrare panouri fotovoltaice;

– Tensiune nominală baterie acumulatori;

– Curentul maxim încărcare baterie acumulatori;

– Tensiune deconectare consumatori;

– Clasă de protecție;

– Consum propriu;

– Compensarea temperaturii

– Opțiune pentru baterii tip cu electrolit lichid sau cu electrolit tip gel

– Control inteligent de consum;

– Interfață RJ45

– Garanție: 2 ani

– Certificat CE

Protecție electronică

– Protecție la supradescărcarea acumulatorilor;

– Protecție scurtcircuit de la panouri fotovoltaice;

– Supratensiune de la panouri fotovoltaice;

– Supracurent de la panouri fotovoltaice;

– Supraconsumator;

– Scurtcircuit consumator;

– Polaritate inversă de la panouri fotovoltaice;

– Polaritate inversă de la baterie;

– Vârfuri de tensiune înaltă;

5.7. Definirea și determinarea MPP (maxim power point)

Puterea electrică livrată de o celulă fotovoltaică nu este suficientă pentru majoritatea aplicațiilor domestice sau industriale. Din acest motiv, celulele fotovoltaice se asociază în serie pentru a mări valoarea tensiunii la borne și astfel se realizează un panou (modul).

Apoi, modulele se asociază fie în serie pentru creșterea și mai mult a tensiunii, fie în paralel pentru creșterea curentului prin circuit. Aceste asocieri serie-paralel formează câmpurile fotovoltaice.

Caracteristica principala aunui panou solar este caracteristica U-I (volt amper). Aceasta da legatura intre tensiunea panoului si curentul generat pentru diverse insolatii si sarcini.

Fig.5.3.

Caracteristica tensiune-curent (U-I) a unui modul fotovoltaic depinde în principal de intensitatea radiației solare și de temperatura celulelor. Astfel pentru diferiți parametri meteorologici există o caracteristică de funcționare a generatorului fotovoltaic. La intersecția caracteristicii U-I cu caracteristica sarcinii de la bornele generatorului PV se găsește punctul de funcționare (PF) așa cum este reprezentat în figura 5.3. Acest punct diferă în general de punctul maxim de putere (MPP), la care sistemul poate funcționa, când între generator și sarcină se realizează transferul optim de putere. În consecință MPP depinde de condițiile de funcționare ale generatorului fotovoltaic, dar și de caracteristicile electrice ale sarcinii de la borne .

Scopul sistemelor de urmărire a punctului maxim de putere (MPPT) este de a menține punctul de funcționare cât mai aproape de MPP.

În figura 5.4.sunt prezentate două caracteristici U-I ale aceluiași generator PV pentru două valori diferite ale intensității radiației solare și ale temperaturii celulelor componente, cât și caracteristicile tensiune-putere aferente.

Fig. 5.4.

Un modul fotovoltaic funcționează în punctul maxim de putere dacă sunt îndeplinite simultan condițiile:

Acest lucru nu se întâmplă în mod obișnuit datorită variațiilor parametrilor meteorologici și a parametrilor electrici de funcționare ai generatorului PV. De asemenea utilizatorul de sarcină nu respectă în cele mai multe cazuri condiția de adaptare Rs=Ropt. Pentru a realiza transferul maxim de putere dintre generatorul PV și receptor se interconectează un convertizor DC-DC.

Fig. 5.5.

Convertizorul DC-DC realizează adaptarea continuă a sarcinii la generatorul PV, prin utilizarea unui semnal de comandă în impulsuri modulate. Semnalul este aplicat pe baza unui tranzistor MOSFET cu timp mic de comutație. Pentru aplicații ce necesită tensiuni mici se utilizează un convertizor coborâtor de tensiune (buck), iar pentru aplicații ce necesită tensiuni ridicate unul ridicător de tensiune (boost). Schema de principiu a unui convertizor buck este redata in fig.5.6. Iar aunui convertizor boost in fig.5.7.

Fig.5.6.

Fig.5.7

Există în literatură mai multe tipuri de algoritmi de urmărire a MPP, iar dintre cele mai utilizate se numără algoritmul P&O (Perturbe & Observe), metoda circuitului deschis și a scurt circuitului (Open and Short Circuit), algoritmul Conductanței Incrementală (Incremental Conductance) și altele [LIU. 04]. Cu toate că aceste metode sunt utilizate pe scară largă, ele prezintă dezavantaje ca răspuns lent la variații rapide ale intensității radiației solare, oscilații în jurul MPP sau chiar urmărire în direcția greșită.

Fig.5.8.

În figura 5.8. am reprezentat algoritmul P&O și schema logică aferentă. Acest algoritm este foarte simplu și ușor de implementat. Modalitatea de a găsi MPP este prin încercări repetate, adică prin modificarea tensiunii la bornele generatorului și prin compararea puterii electrice livrate în acest caz cu puterea de la pasul anterior. Dacă puterea de la pasul prezent este mai mare se continuă modificarea sarcinii în același sens, iar dacă nu se modifică în sens invers. Această modalitate de a găsi MPP conduce la oscilații în jurul MPP, chiar și în condiții staționare de funcționare, iar în cazul unor variații bruște ale intensității radiației solare poate conduce chiar la urmărirea MPP în direcția greșită .

Un alt algoritm mai des utilizat în sistemele MPPT este „Incremental conductance”. Acesta se bazează pe urmărirea valorii derivatei puterii în raport cu tensiunea.

Fig.5.9

Spre deosebire de precedentul, acest algoritm nu prezintă oscilații în funcționare și nici posibilitatea de a greși direcția de urmărire a MPP, dar necesită resurse informatice importante și poate influența frecvența curentului și a tensiunii alternative produse.

Cercetările în acest domeniu se orientează către două direcții și anume: fie optimizarea algoritmilor deja existenți, fie dezvoltarea de noi metode și algoritmi. În ceea ce privește prima alternativă se poate menționa lucrarea lui Taftich. Acesta studiază un model MPPT bazat pe măsurarea tensiunii la bornele generatorului. Algoritmul combină o metodă neliniară cu algoritmul P&O. Rezultatele arată o creștere a eficienței de urmărire a MPP cu 17%. Îmbunătățirea algoritmului P&O a fost studiată și în lucrarea lui Hua, prin modelarea funcției de transfer și utilizarea mai multor modele de semnal de comandă a MPPT.

Cea de a doua modalitate de eficientizare a sistemelor MPPT este crearea de noi algoritmi. În general aceștia se bazează pe utilizarea tehnicilor de inteligență artificială, mai cu seamă a rețelelor neuronale artificiale.

Experimental, s-a observat că celulele fotoelectrice (FE) prezintă mari variații ale puterii electrice debitate, în funcție de condițiile meteorologice. În plus, când ele debitează pe sarcină, apar anumite probleme, iar puterea transferată sarcinii, rareori corespunde puterii maxime furnizate de generatorul FE. Probleme similare apar și în cazul eolienelor.

Pentru a avea cea mai buna conexiune între o sursă neliniară și o sarcină oarecare și pentru a produce energie în condiții optime, începand cu 1968 a fost dezvoltat sistemul de Urmărire a Punctului de Putere Maximă – Maximum Power Point Tracking (MPPT). Acest tip de regulatoare, special adaptate pentru a comanda o sursă neliniară, forțează generatorul să lucreze in Punctul de Putere Maximă – Maximum Power Point (MPP), determinând ameliorarea globală a randamentului sistemului de conversie electrică.

Când o sursă de energie electrică este conectată la o sarcină, punctul de functionare se stabilește la intersecția caracteristicilor curent-tensiune (I-V) ale celor două. Acest punct se modifică în permanență, deoarece sursa sau sarcina se modifică permanent. Din acest motiv, de cele mai multe ori, nu se functionează in MPP, iar puterea furnizată sarcinii este mai mică decât puterea maximă ce ar putea fi furnizată.

Există mai multe tipuri de regulatoare MPPT. In general, fiecare dintre aceste regulatoare, a fost realizat pentru o anumită aplicație. Precizia și robustețea acestor regulatoare depind de anumiți parametri:

• Randamentul global al sistemului, dorit de constructor;

• Tipul de convertor static ce permite adaptarea si conectarea la sarcină (c.c.-c.c., c.c.-c.a.), sau la rețeaua electrică;

• Aplicația dorită (sisteme autonome, conectate la rețea, spațiale);

• Caracteristicile sistemului MPPT, în funcție de viteza de reacție, calitate;

• Tipul de realizare (analogică, numerică, mixtă).

Principiile regulatoarelor MPPT, se bazează deseori pe "cotul" caracteristicii putere-tensiune (P-V). Este mai mult sau mai putin, o metodă bazată pe tatonare, așa cum se poate vedea în figura de mai jos.

Fig. 5.10.

Fiind într-un anumit punct pe curba (X1), se urmăreste dacă valoarea puterii în punctul următor este mai mare sau nu. Daca "da", punctul de funcționare se deplasează în punctul următor (X2), până când valoarea următoare (Xn) va fi mai mică decât cea precedenta (Xn-1). În acest moment, se consideră intervale mai mici între puncte și se reîncepe, plecând din (Xn-1), până se obține MPP (X).

Animația din Fig. 5.11. de mai jos vă permite să vizualizati căutarea MPP, prin modificarea tensiunii bateriei, pentru a gasi valoarea optimă în funcșie de caracteristicile curent-tensiune (I-V) și putere tensiune (P-V).

Totusi, acest principiu, aparent simplu de realizat în aceste condiții, devine mai puțin accesibil atunci când intervine și modificarea iluminării. Practic, atunci când se modifică intensitatea iluminării, de la E1 la E2, cu E2<E1, caracteristica P-V se modifică. Punctul (X), care era până acum MPP, devine un punct de funcționare nesatisfăcător în noile condiții, așa cum se poate vedea în figura de mai jos. Se observă că un alt punct este MPP, notat (X').

Fig.5.11

Ca și în cazul regulatoarelor lineare, controlul se bazeaza pe un sistem de reglare ce are variabilele de intrare si ieșire Xi, respectiv Xo. În cazul celor mai multe sisteme de reglare, este suficientă o singură măsurătoare pentru a cunoaște raportul dintre Xo și Xi. Aceasta nu mai este însă valabila într-un sistem în care acest raport depinde de timp.

Fig.5.12

Modificarea punctului Xi poate fi asimilată cu o perturbașie în reglarea maximului. În consecintă, dacă se cunoaște semnul derivatei lui Xo și dacă acesta arată ca Xo se departează de maxim, regulatorul schimbă semnul și direcția lui Xi, pentru a regăsi maximul. Această evoluție permanentă a lui Xi determină oscilații permanente în jurul valorii maxime.

Totuși, există mai multe limite:

• Caracteristica putere-tensiune (P-V) a generatorului poate avea mai mult de un maxim. Această situație apare atunci când sunt conectate în serie sau în paralel multe celule FE, cu diodele lor de protecție.

• Apar variații bruște ale iluminării sau ale sarcinii. Dacă sistemul MPPT nu are o dinamică bună, MPP poate fi pierdut. Pe durata intervalului de regăsire a lui MPP, apar pierderi de putere.

• Există oscilații în jurul MPP pe durata căutării acestuia. Acestea determină pierderi.

Trebuie subliniat faptul că sistemele MPPT funcționează la frecvențe audio foarte înalte, între 20 kHz și 50 kHz. Avantajul circuitelor de înaltă frecvență îl constituie faptul că ele pot fi construite cu transformatoare cu randament foarte bun, gabaritul componentelor fiind mai mic.

Dupa 1968 au fost realizate numeroase regulatoare MPPT.

• Primele regulatoare

Se bazeaza pe controlul unui întreruptor, prin intermediul unui comutator basculant. Acesta la rândul lui este controlat de două elemente: diferența dintre valoarea actuală a curentului I și valoarea sa maximă și diferența dintre valoarea actuală a tensiunii V și valoarea sa de vârf. Se face o alegere aleatoare între maximele diferențelor ΔI și ΔV, astfel încăt să se obțină o funcționare aproape de MPP.

• Alte MPPT în aplicații spațiale

Mediul spațial diferă de cel de pe Pământ. Practic, cantiatea de iluminare depinde de poziția satelitului, care este o informație cunoscută și nu de condițiile meteorologice, ca pe Pămțnt. Din acest motiv, pot fi făcute anumite simplificari pentru evaluarea puterii furnizate de generatorul FE.

• Sistemele MPPT care utilizează algoritmi

Algoritmii de programare a regulatoarelor MPPT sunt relativ simpli, datorită limitelor tehnologice ale microprocesoarelor disponibile. Ei pot fi implementati cu ușurinta pe un calculatoar sau un microprocesor.

Există, de asemenea, algoritmi ameliorați, analogici sau numerici. Practic, cei din urmă permit adaptarea comenzii, putându-se obține randamente de 100%.

Față de cele prezentate în acest capitol se pot trage câteva concluzii cu privire la determinarea punctului de putere maxima MPP.

Pentru ameliorarea regulatoarelor existente, cercetările trebuie să se focalizeze asupra caracterului lor:

• Dacă valoarea maximă a puterii este mare. Este cazul conectării unui număr mare de celule FE în serie sau în paralel.

• Dacă apar schimbări bruște ale iluminării sau ale sarcinii. În acest caz, curba de putere a generatorului FE și deci punctul său MPP poate fi modificată oricând.

• Cum se pot elimina pierderile determinate de sistemul de control? Natura oscilatorie a reglajului în jurul lui MPP determină performanțe slabe.

6. SCHEME PRACTICE PENTRU REALIZARE CONTROLERE MPPT

6.1. Algoritmi MPPT

Folosirea unui panou solar sau a unei serii de panouri fără un controler care poate efectua punctul maxim de putere (MPPT), va duce deseori la pierderi de putere, care, în final duce la necesitatea de a instala mai multe panouri pentru a obtine cerinta de putere. Pentru dispozitive mai mici sau mai ieftine, care au bateria conectata direct la panou, acest lucru va avea ca rezultat, de asemenea, defectarea prematură a bateriei sau pierderea de capacitate, datorită lipsei unei proceduri de sfârsit de încărcare corespunzătoare si tensiunii mai mari.

Principala problemă rezolvată de algoritmi MPPT este de a găsi automat tensiunea de functionare a unui panou care permite transfer de putere maximă la iesire. Într-un sistem mai mare, conectarea unui singur controler MPPT pentru mai multe panouri va da rezultate bune, dar, în cazul umbririi partiale, graficul putere combinata va avea mai multe varfuri si vai (maxime locale). Exista unele tehnici de rezolvare a problemelor legate de umbrirea partială, dar acestea fie necesita utilizarea de echipamente suplimentare (cum ar fi o monitorizare suplimentară pe celule, switch-uri suplimentare si senzori de curent pentru măsurarea curentului din panou), sau modele complicate bazate pe caracteristicile panoului (matrice în functie de panou).

În mod ideal, fiecare grup de panouri trebuie sa aiba propriul lor controler MPPT. In acest fel riscul de umbrire partială este redus la minimum, fiecare panou functioneaza la eficientă maximă, si problemele de design legate de convertoare ce manipulează curenti mai mari de 20-30A sunt eliminate.
Un grafic tipic de energie pentru un panou solar (figura 6.1) prezinta tensiunea in circuit deschis la dreapta punctului de putere maxima. Tensiunea in circuit deschis (VOC) este în mod evident tensiunea maximă la iesirea panoului, dar nu se transfera efectiv putere. Curentul de scurtcircuit a panoului (ISC) este un alt parametru important, deoarece este curentul maxim ce se poate obtine de la panou.

Fig.6.1.

Cantitatea maximă de energie, care poate fi extrasă dintr-un panou depinde de trei factori importanți: iluminare energetică, temperatură si sarcină. Potrivirea dintre panou și impedanța de sarcină, cu un DC-DC convertor are sens, pentru că de exemplu, dacă exista o sarcină de 5V/2A, iar un panou de 20W care are MPP la 17.5V/1.15A, conectarea în sarcină direct nu va funcționa. Având în vedere o sarcină simplu rezistivă, si curentul de scurtcircuit de 1,25A, panoul va avea doar posibilitatea de a furniza aproximativ 3V/1.2A, sau mai putin de 4W din 20W.
Temperatura modifică în principal tensiunea panoului în punctul de funcționare, în timp ce iradierea schimbă în principal curentul de operare al panoului. Figura6.1. prezintă, la diferite niveluri de iradiere de pe panou, efectul în tensiune, curent și putere.
Există câțiva algoritmi MPPT care pot fi cu ușurință implementați folosind un microcontroler de 8-biti.

6.2. Algoritmul fracțiune de tensiune în circuit deschis

Punctul maxim de tensiune de alimentare are o dependență liniară de tensiunea de circuit deschis COV în diferite condiții de temperatură și de iradiere.
Calcularea MPP (punctul maxim de putere):

Sesizarea tensiunii de la ieșirea PV se face cu senzori de tensiune, rezultatul fiind apoi convertit digital:

Fig. 6.2.

Ecuatia 1: VMPP = kVOC

Constanta k depinde de tipul și configurația panoului fotovoltaic. Tensiunea în circuit deschis trebuie să fie măsurată și MPP determinat în funcție de diferitele condiții de mediu. De obicei, sistemul deconectează sarcina periodic pentru a măsura COV și calculează tensiunea de funcționare. Această metodă are unele dezavantaje clare, pierderea temporară a puterii ar fi unul evident. O metodă alternativă ar fi să se utilizeze unul sau mai multe celule de monitorizare, dar trebuie să fie alese si plasate foarte atent pentru a reflecta adevărata tensiunea în circuit deschis a sistemului.
Deși această metodă este destul de simplă și robustă și nu are nevoie de un microcontroler, este o solutie brută, o singură constantă permite o aproximare a MPP.

6.3. Algoritm fracțiune de curent de scurt-circuit

MPP poate fi, de asemenea, determinat prin curentul de scurt-circuit al panoului (ISC), deoarece IMPP este liniar legat de acesta în diferite condiții atmosferice.

Se folosește un senzor de curent, integrat sau discret, rezultatul fiind digitizat:

Fig.6.3

Ecuatia 2:

IMPP = kiC
Similar cu fracțiunea de tensiune de circuit deschis, constanta trebuie să fie determinată pentru fiecare tip de sistem. Determinarea ISC este mai dificilă, deoarece din timp în timp, nu numai că măreste pierderea de putere și disipare a căldurii, dar, de asemenea, necesită un comutator suplimentar și senzorul de curent. Evident, acest lucru crește numărul de componente și al costurilor. Cel mai simplu mod de implementare nu necesită microcontrolere, dar pentru precizie mai bună și pentru a rezolva problemele legate de umbrire partială, puterea de procesare mai este necesară pentru a baleia curentul de la 0 la ISC , și pentru a memora profilul tensiunii de ieșire.

6.4 Algoritm perturbă și observă (P&O)

P & O este una dintre cele mai discutate metode utilizate pentru MPPT. Algoritmul implică introducerea unei perturbari în tensiunea de functionare a panoului.

Modificarea tensiunii panoului se face prin modificarea ciclului convertorului. Modul cum se face acest lucru devine important pentru un topologia convertorului. Privind la figura 6.3. este ușor de înțeles că descreșterea tensiunii pe partea dreaptă a MPP măreste puterea. De asemenea, creșterea tensiunii de pe laterala stânga a MPP măreste puterea.

Aceasta este ideea principală în spatele P & O. Să spunem că, după efectuarea unei creșteri a tensiunii de lucru a panoului, algoritmul compară citirea de putere curenta cu cea precedenta. Dacă puterea a crescut, se păstrează aceeași direcție (creștere tensiune), în caz contrar se schimbă direcția (scade tensiunea). Acest proces se repetă la fiecare pas până se ajunge la PPM.

După atingerea MPP, algoritmul natural oscilează în jurul valorii corecte. Algoritmul de bază folosește un pas fix pentru a mări sau scădea tensiunea. Dimensiunea pasului determină mărimea abaterii in timp. Un pas mic va ajuta la reducerea oscilatiei, dar va încetini urmărirea; în acelasi timp un pas mare va contribui la atingerea MPP mai repede, dar va crește pierderea de putere atunci când oscilează.

Pentru a putea pune în aplicare P & O MPPT, este nevoie de măsurarea tensiunii și curentului generat de panou. Deși există implementări care utilizează numai un senzor , se profită de anumite specificații hardware, astfel încât implementarea de fapt, are nevoie de doi senzori.

Implementarea algoritmului P&O este relativ simplă: algoritmul calculează în fiecare moment puterea consumata din PV (f_vin si f_iin), și compară cu cea calculată anterior; dacă puterea a scăzut, algoritmul schimbă direcția convertorului.

Acest sistem este proiectat pentru a rula pentru o lungă perioadă de timp, software-ul este un singur scop si bucle infinite. Fiecare buclă este o iteratie a algoritmului P & O descris mai devreme. Fiecare începe prin stabilirea unei variabile la valoarea calculată de energie furnizata valorile de curent si tensiune cunoscute de la ADC.

Programul comuta apoi dacă punctul de alimentare este în creștere sau în scădere în tensiune. În interiorul fiecărui case valoarea curentă de putere se compară cu precedenta și valoarea PWM este fie mărită sau micsorată pentru a se apropia de MPP; în cazul în care PWM este crescut, tensiunea va fi în crestere, în cazul în care este redus PWM , tensiunea va fi în scădere. Înainte de a repeta bucla, variabila de putere anterioară este setata la valoarea curentă. Pseudocodul pentru acest comportament este mai jos:

next_pwr = calcPwr(adc_voltage, adc_current);

switch(voltage_direction){

case PV_RIGHT :

if (next_pwr > prev_pwr){incDuty();}

else if (next_pwr <= prev_pwr){

decDuty();

voltage_direction = PV_LEFT;}

break;

case PV_LEFT :

if(next_pwr >= prev_pwr){decDuty();}

else if (next_pwr < prev_pwr){

incDuty();

voltage_direction = PV_RIGHT;}

break;

}

prev_pwr = next_pwr;

7. APLICATIE PRACTICA MPPT30

Controlerul MPPT30 are o arhitectura de dublu buck converter.

Senzorii de tensiune și curent sunt implementați cu componente discrete, conversia A/D fiind făcută cu microcontrolerul U1 PIC16F716.

Primul convertor realizează funcția MPPT pentru gestionarea PV și a bateriei.

Componentele folosite sunt Q12 ,Q13, L1, controlul facandu-se cu ajutorul microprocesorului U1. Acesta masoara tensiunea si curentul PV, si conform algoritumului P&O controleaza primul convertor .

De asemenea, U1 monitorizează și tensiunea de pe baterie, evitând supraîncărcarea.

Q15 este stabilizatorul de 12V, iar Q2 cel de 5V, tensiune necesara părtii digitale.

Q7-Q12 , controlate tot de U1, stabilizeaza tensiunea generată sarcinii.

Cele două serii de tranzistoare MOSFET,controlate PWM , sunt izolate de U1 prin folosirea a doua optocuploare.

In continuare sunt date schema electronica extrasa ,circuitul imprimat,si date despre microcontrolerul PIC 16F716

MPPT30 30A ( de asemenea, cunoscut sub numele de controler solar , controler de încărcare , controler de încărcare solar , regulator solar , MPPT solar , solar MPPT , controler PV ) poate reglementa în mod inteligent tensiunea de lucru de la panouri solare , permitând acestora să funcționeze întotdeauna la PP maxim. Poate crește eficiența modulelor fotovoltaice cu 10% -30 % .

Caracteristici ale produsului :

– Aplicabil la diferite tipuri de baterii

– Funcția MPPT

– Protecția împotriva unui scurtcircuit ( restaurare automată )

– Protecție inversă descărcare

– Protecție conexiune polaritate inversă ( restaurare automată )

În studiul lui s-a urmărit implementarea algoritmului de determinare a MPP

în comparatie cu modelele teoretice prezentate în lucrare.

CONCLUZII

Domeniul energiilor regenerabile este un domeniu în plină ascensiune pe plan mondial cu cheltuieli de cercetare impresionante. Energia este plasată pe primul loc în toate analizele ca cea mai bună investiție.

Din punct de vedere al aplicațiilor trebuie cunoscute soluțiile tehnice existente și folosite cele mai performante. În acest sens lucrarea de față are importanță practică mare pentru viitorul meu profesional.

Din toate componentele am ales să analizez încărcătorul solar cu MPPT care poate aduce o creștere importantă a randamentului întregii instalații.

Este o componenta preponderent electronică similară cu pregatirea din facultate. Analiza nu a cerut tehnologii scumpe, experimente îndelungate la care nu aș fi avut acces.

După studiul încărcătorului solar în toate componentele, m-am concentrat pe analiza determinării punctului de putere maximă MPP. Stabilirea lui este importantă și dificilă pentru că este un proces dinamic, poziția lui pe curba U-I fiind determinată atât de producția de energie a panourilor solare cât și de evoluția sarcinii.

Punctul de funcționare al unui sistem se stabilește la intersecția curbei de productie cu cea de sarcină. Curba de producție a panoului solar (caracteristica U-I) este prezentată ca o funcție monotonă. În practică ea are mai multe maxime si minime. Acestea sunt determinate de mulțimea de celule si panouri care sunt înseriate sau puse în paralel și care nu sunt identice. Acest lucru complică foarte mult determinarea maximului absolut.

De cealaltă parte bateria de acumulatori este o sarcina dificilă. Panta curbei U-I este foarte mare. Pe intervalul a 2Vcc curentul crește de la zero la maxim. Intersecția celor două curbe are loc sub un unghi foarte mic, o variație mică a unei marimi duce la deplasarea mare a punctului de funcționare.

Numai câteva aspecte prezentate aici arată cât de importantă este aflarea punctului maxim de putere și cât de dificilă este determinarea lui.

În lucrare s-au studiat 3 algoritmi de stabilire a MPP. Acestea sunt 3 regimuri de funcționare: circuit deschis, scurtcircuit și variația aleatorie (perturbația). Primele doua nu sunt regimuri normale de funcționare ci doar regimuri provocate pentru determinarea MPP. Ele solicită instalația (curenți mai mari, tensiuni mai mari) și determină pierderi de energie (mai ales la instalații mari) dar permit determinarea cu bună precizie a MPP.

Algoritmul "perturbă și observă" este mult mai complex, datorită caracterului aleatoriu al evenimentelor (perturbațiilor).

Nici una din soluții nu este perfectă.

Cu un efort de cercetare soluția "perturbă și observă" poate evolua și cuceri piața. Ea nu complică instalația de curenti tari (convertorul DC-DC) dar complică comanda acestuia. Comanda, cu evoluții remarcabile în tehnologie dar și softuri, poate înclina balanța în favoarea ei.

Din analiza modulului MPPT 30 mi-am mărit cunoștințele practice în determinarea schemelor, recunoașterea componentelor, înțelegerea funcționării, observarea tehnologiilor de montaj. Din experimentele funcționale, calitativ, am analizat regimurile de funcționare ale încărcătorului.

Lucrarea este o dezvoltare a cunoștințelor însușite în timpul facultății și o perspectivă profesională în viitoarea mea activitate.

BIBLIOGRAFIE

1. Attenuation of solar radiation: a climatological study. Monteith, JL. 1962, Q J Meteorol Soc, pg. 508–21.

2. Solar energy in progress and future research trends. Sen, Z. 2004, Progress in Energy and Combustion Science, pg. 367–416.

3. Iqubal, M. An intoduction to solar radiation. Ontario : Academic Press, 1983.

4. Solar radiation modeling and measurements for renewable energy applications: data and model quality. Myers, D. 2005, Energy, pg. 1517–1531.

5. A method for improving global pyranometer measurements by modeling responsivity functions. Lester, A. și Myers, D.R. 2006, Solar Energy, pg. 322–331.

6.Kipp & Zonen. http://www.kippzonen.com. http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

[Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

7. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. [Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.eppleylab.com/.

8. Forecasting based on neural network approach of solar potential in Turkey. Sozen, A., și alții. 2005, Renewable Energy, pg. 1075–90.

9. Photovoltaic materials, history, status and outlook. Goetzberger, A., Hebling, C. și Schock, H.W. 2003, Materials Science and Engineering, pg. 1-46.

10. Crystal growth and materials research in photovoltaics: progress and challenges. Surek, T. 2005, Journal of Crystal Growth, pg. 292–304.

11. High efficiency photovoltaic cell. Sakata, H., și alții. Anchorage, Alaska, : s.n., 2000. Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. p. 7.

12. Simplified method for predicting photovoltaic array output. Evans, DL. 1981, Solar Energy, pg. 555–60.

13. Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy

balance. Mattei, M., și alții. 2006, Renewable Energy, pg. 553–567.

14. Cabaret-Massei, S. Etude Experimentale d’un Champ Photovoltaique Connecte au Reseau Electrique: Modelisation Phsique, Dimensionnement et Analyse des Performances. Ajaccio : Universite Pasquale Paoli, 2001.

15. PV review: World Solar PV market continues explosive growth. Maycock, P. 2005, Refocus, Volume 6, Issue 5,, pg. 18-22.

16. Howell, D. Your solar energy home. New York : Pergamon Press, 1986.

17. Dunn, PD. Renewable energies: sources, conversion and application. s.l. : Peter Peregrinus Ltd, 1986.

18. European Committe for Standardisation. European Standard Draft prEN 12975-2. 1997.

19. Ellehauge, Klaus. A solar combisystem Based on a Heat Exchanger Between the Collector Loop and Space – Heating Loop. s.l. : International Energy Agency, 2002.

20. Teză de doctorat – Creșterea productivității energetice a panourilor fotovoltaice Ing. Ionuț-Răzvan CALUIAN București, 2011

21. http://www.solar-electric.com/solar-charge-controller-basics.html

22. http://thesolarstore.com/charge-controllers-c-40.html

23. http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_controller

24. http://www.brightgreenenergy.co.uk/solar-regulator-information.asp

25. http://thesolarstore.com/charge-controllers-charge-controllers-c-40_42.html

26.http://www.solarpaneltalk.com/showthread.php?2716-Off-grid-solar-charge-controllers

BIBLIOGRAFIE

1. Attenuation of solar radiation: a climatological study. Monteith, JL. 1962, Q J Meteorol Soc, pg. 508–21.

2. Solar energy in progress and future research trends. Sen, Z. 2004, Progress in Energy and Combustion Science, pg. 367–416.

3. Iqubal, M. An intoduction to solar radiation. Ontario : Academic Press, 1983.

4. Solar radiation modeling and measurements for renewable energy applications: data and model quality. Myers, D. 2005, Energy, pg. 1517–1531.

5. A method for improving global pyranometer measurements by modeling responsivity functions. Lester, A. și Myers, D.R. 2006, Solar Energy, pg. 322–331.

6.Kipp & Zonen. http://www.kippzonen.com. http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

[Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.kippzonen.com/pages/693/3/CH1.

7. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. THE EPPLEY LABORATORY, INC. [Interactiv] 23 10 2007. [Citat: 23 10 2007.] http://www.eppleylab.com/.

8. Forecasting based on neural network approach of solar potential in Turkey. Sozen, A., și alții. 2005, Renewable Energy, pg. 1075–90.

9. Photovoltaic materials, history, status and outlook. Goetzberger, A., Hebling, C. și Schock, H.W. 2003, Materials Science and Engineering, pg. 1-46.

10. Crystal growth and materials research in photovoltaics: progress and challenges. Surek, T. 2005, Journal of Crystal Growth, pg. 292–304.

11. High efficiency photovoltaic cell. Sakata, H., și alții. Anchorage, Alaska, : s.n., 2000. Proceedings of the 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conference. p. 7.

12. Simplified method for predicting photovoltaic array output. Evans, DL. 1981, Solar Energy, pg. 555–60.

13. Calculation of the polycrystalline PV module temperature using a simple method of energy

balance. Mattei, M., și alții. 2006, Renewable Energy, pg. 553–567.

14. Cabaret-Massei, S. Etude Experimentale d’un Champ Photovoltaique Connecte au Reseau Electrique: Modelisation Phsique, Dimensionnement et Analyse des Performances. Ajaccio : Universite Pasquale Paoli, 2001.

15. PV review: World Solar PV market continues explosive growth. Maycock, P. 2005, Refocus, Volume 6, Issue 5,, pg. 18-22.

16. Howell, D. Your solar energy home. New York : Pergamon Press, 1986.

17. Dunn, PD. Renewable energies: sources, conversion and application. s.l. : Peter Peregrinus Ltd, 1986.

18. European Committe for Standardisation. European Standard Draft prEN 12975-2. 1997.

19. Ellehauge, Klaus. A solar combisystem Based on a Heat Exchanger Between the Collector Loop and Space – Heating Loop. s.l. : International Energy Agency, 2002.

20. Teză de doctorat – Creșterea productivității energetice a panourilor fotovoltaice Ing. Ionuț-Răzvan CALUIAN București, 2011

21. http://www.solar-electric.com/solar-charge-controller-basics.html

22. http://thesolarstore.com/charge-controllers-c-40.html

23. http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_controller

24. http://www.brightgreenenergy.co.uk/solar-regulator-information.asp

25. http://thesolarstore.com/charge-controllers-charge-controllers-c-40_42.html

26.http://www.solarpaneltalk.com/showthread.php?2716-Off-grid-solar-charge-controllers