Introducere teoretică [305885]

Capitolul 1

[anonimizat]:

Energie regenerabilă. "Energia obținută din fluxuri naturale și persistente ale energiei care se produce în mediul alăturat". Un exemplu evident este energia solară (soare), unde "repetitiv" se referă la perioada fundamentală de 24 de ore. [anonimizat] a acestei puteri. O astfel de energie poate fi numită și Energie Verde sau Energie Durabilă.

Energie neregenerabilă. "[anonimizat]". [anonimizat]. Rețineți că energia este inițial un potențial energetic izolat și este necesară o acțiune externă pentru a iniția furnizarea de energie în scopuri practice. Pentru a evita folosirea cuvântului greoi "neregenerabil", o astfel de sursă de energie se poate numi Sursă Finită sau Energie Brună.

Surse de Energie

Există cinci surse principale de energie utilă:

Soarele.

[anonimizat].

[anonimizat].

Reacțiile nucleare induse de om.

Reacțiile chimice din surse minerale.

Energia regenerabilă derivă continuu din sursele 1, 2 și 3 (acvifere). Energia finită provine din surse 1 (combustibili fosili), 3 (roci fierbinți), 4 și 5. Sursele cele mai semnificative pentru aprovizionarea globală cu energie sunt 1 și 4. Categoria a [anonimizat].

Energia mediului

Fluxurile de energie care trec în mod continuu ca energie regenerabilă prin Pământ sunt prezentate în Figura 2. [anonimizat] 1.2 × 1017 W. Astfel, fluxul solar care ajunge pe suprafața pământului este de ~20MW pe persoană; 20 MW reprezintă puterea a [anonimizat], suficient pentru a satisface toate nevoile energetice ale unui oraș de aproximativ 50 000 de persoane. Densitatea maximă a fluxului solar (iradiere) perpendiculară cu fasciculul solar este de aproximativ 1 kW m-2; un număr foarte util și ușor de reținut. În termeni generali, o ființă umană este capabilă de a intercepta un astfel de flux de energie fără a-i [anonimizat] a fluxului poate începe să provoace stres și dificultăți. Densitățile fluxului de putere de ~ 1 kW m-2 [anonimizat].

[anonimizat] 3 [anonimizat] a energiei regenerabile diferite substanțial. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]. [anonimizat] ([anonimizat], făcând astfel mai multe deșerturi). Astfel, sistemele practice de energie regenerabilă trebuie să corespundă fluxurilor specifice de energie locală care sunt disponibile într-o anumită regiune.

Surse primare – Utilizare finală

Toate sistemele energetice pot fi văzute ca o serie de țevi sau circuite prin care curenții de energie sunt canalizați și transformați pentru a deveni folositori în mediile domestice, industriale și agricole. Figura 3 este o diagramă Sankey a alimentării cu energie, care arată fluxurile de energie printr-un sistem energetic național (denumit uneori "diagrama de spaghete" din cauza aspectului său). Secțiunile pe o astfel de diagramă pot fi desenate ca și diagrame care indică aprovizionarea cu energie primară și furnizarea de energie pentru utilizarea finală.

Figura 3: Diagrama fluxurilor energetice pentru SUA în anul 2012

Situația actuală la nivel global și previziuni

Percepția globală a energiei regenerabile s-a schimbat considerabil din 2004. Pe parcusul a 10 ani, progresele tehnologice continue și desfășurarea rapidă a multor tehnologii în domeniul energiilor regenerabile au demonstrat că potențialul său maxim poate fi atins. Regenerabilele au avansat în continuare spre realizarea acestui potențial în 2013.

Energia regenerabilă produsă a reprezentat un procent estimat de 19% din consumul final global de energie în 2012 și a continuat să crească în 2013. Din această pondere totală în 2012, energiile regenerabile moderne au reprezentat aproximativ 10%, restul (estimat la puțin peste 9%) provenind din biomasa tradițională. Energia termică din surse regenerabile moderne a reprezentat un procent estimat de 4,2% din consumul final total de energie; energia hidroelectrică a constituit aproximativ 3,8%, iar 2% au fost furnizate de energia eoliană, solară, geotermală și biomasă, precum și de biocombustibili.

Figura 4: Resursele regenerabile raportate la consumul global total de energie

Pe măsură ce piețele energiei regenerabile și industriile se maturizează, acestea se confruntă tot mai mult cu provocări noi și diferite, precum și cu o gamă largă de oportunități. În 2013, energiile regenerabile s-au confruntat cu scăderea sprijinului politic și a incertitudinii în multe țări europene și în Statele Unite. Constrângerile legate de rețelele electrice, opoziția din partea furnizorilor de utilități electrice în unele țări au condus la creșterea concurenței, iar continuarea subvențiilor la nivel mondial pentru combustibilii fosili a avut de asemenea probleme. Per ansamblu, cu câteva excepții în Europa și în Statele Unite, evoluțiile din domeniul energiei regenerabile au fost pozitive în 2013.

Piețele, producția și investițiile s-au extins și mai mult în întreaga lume, devenind tot mai evident că energiile regenerabile nu mai depind doar de un numar mic de țări. Ajutată de progresele tehnologice continue, de scăderea prețurilor și de inovațiile în materie de finanțare, toate determinate în mare măsură de sprijinul politic, sursele regenerabile au devenit din ce în ce mai accesibile pentru o gamă mai largă de consumatori din întreaga lume. Într-un număr tot mai mare de țări, energia din surse regenerabile este considerată esențială pentru satisfacerea nevoilor energetice actuale și viitoare. Pe măsură ce piețele au devenit mai globale, industria energiei regenerabile a răspuns prin creșterea flexibilității, diversificarea produselor și dezvoltarea lanțurilor globale de aprovizionare. Mai multe industrii au avut un an dificil, continuând consolidarea, în special în ceea ce privește energia solară și energia eoliană. Însă imaginea s-a luminat până la sfârșitul anului 2013, cu mulți producători de panouri fotovoltaice (PV) și turbine eoliene revenind la profitabilitate.

Cea mai semnificativă creștere a avut loc în sectorul energetic, cu o capacitate globală de peste 1.560 Gigawatți (GW), cu peste 8% mai mult decât în ​​2012. Hidrocentralele au crescut cu 4% până la aproximativ 1.000 GW, iar alte surse regenerabile au crescut în mod colectiv cu aproape 17%. Pentru prima dată, lumea a adăugat mai multă energie solară decât capacitatea de energie eoliană; energia solară și energia hidroelectrică au fost legate în mod esențial, fiecare reprezentând aproximativ o treime din noua capacitate. Panourile solare PV au continuat să se extindă rapid, cu o creștere a capacității globale de aproximativ 55% pe an în ultimii cinci ani. Energia eoliană a adăugat cea mai mare capacitate a tuturor tehnologiilor regenerabile în aceeași perioadă. În 2013, sursele regenerabile au reprezentat mai mult de 56% din adăugările nete la capacitatea de producție globală și au reprezentat cote mult mai mari decât capacitatea adăugată în mai multe țări.

Piața de panouri fotovoltaice a avut un an record, adăugând mai mult de 39 GW în 2013 pentru un total de peste 139 GW. China a înregistrat o creștere spectaculoasă, reprezentând aproape o treime din capacitatea globală adăugată, urmată de Japonia și Statele Unite. Panourile solare PV încep să joace un rol important în generarea de energie electrică în unele țări, în special în Europa, în timp ce prețurile mai mici deschid noi piețe din Africa și Orientul Mijlociu către Asia și America Latină. Interesul a continuat să crească în sistemele deținute de corporații și comunități, în timp ce numărul și dimensiunea sistemelor la scară utilitară au continuat să crească. Deși a fost un an dificil pentru multe companii, predominant în Europa, industria a început să se redreseze în 2013. Prețurile modulelor s-au stabilizat, în timp ce costurile de producție au continuat să scadă, iar eficiența celulelor solare a crescut constant. Mulți producători au început să extindă capacitatea de producție pentru a răspunde creșterii preconizate a cererii.

REN21, Renewables 2005

Panourile solare PV încep să joace un rol substanțial în generarea de energie electrică în unele țări, atingând aproximativ 7,8% din cererea anuală de energie electrică în Italia, aproape 6% în Grecia, 5% în Germania și în multe țări. Până la sfârșitul anului, UE a avut suficientă capacitate fotovoltaică pentru a satisface aproximativ 3% din consumul total (în creștere cu 0,3% în 2008) și 6% din cererea de vârf; capacitatea globală în exploatare a fost suficientă pentru a produce cel puțin 160 TWh de energie electrică pe an.

BNEF, nota 59; DSIRE USA, nota 59

Tehnologia de fabricare a celulelor solare a continuat să se îmbunătățească cu mai multe înregistrări anunțate pe parcursul anului 2013. Poate că cel mai mare avans tehnologic a fost centrat pe materialele perovskite, care au avut o rată abruptă de îmbunătățire a eficienței în perioada 2012 și 2013; acestea sunt totuși încă departe de potențialul celulelor solare performante și există posibilitatea de a fi depășite înainte de a intra pe piață.

Jennifer Runyon, “Spurred by Japan, Steady Growth Predicted for Energy Storage Market,” Renewable Energy World, 19 Martie 2014

Figura 5: Capacitatea totală globală instalată de celule fotovoltaice

Energia solară

2.1.1 Radiația solară

Radiațiile solare ating suprafața Pământului cu o densitate de flux maximă de aproximativ 1.0 kW/m2 într-o bandă de lungime de undă cuprinsă între 0,3 și 25 m. Aceasta este numită radiație de unde scurte și include spectrul vizibil. Pentru zonele locuibile, acest flux variază de la aproximativ 3 până la 30 MJ/m2 pe zi, depinzând de locul, timpul și vremea din acea zonă. Distribuția spectrală este determinată de temperatura de 6000K a suprafeței soarelui. Acesta este un flux energetic de foarte înaltă calitate termodinamică, deoarece este dintr-o sursă accesibilă de temperatură mult mai mare decât cea din sursele convenționale de inginerie. Fluxul poate să fie utilizat atât termic (de exemplu, pentru motoarele termice) sau, mai important, pentru procese fotochimice și fotofizice (de ex. Energia fotovoltaică și fotosinteza).

Temperaturile atmosferei Pământului, la circa 230 K, și suprafețele pământului, la aproximativ 260-300 K, rămân în echilibru la o valoare cu mult mai mică decât temperatura de 6000 K a Soarelui. Prin urmare, radiația exterioară a fluxurilor de energie emise de atmosferă și suprafețele Pământului sunt, de asemenea, de ordinul 1 kW/m2, dar apar în regiune de infraroșu cuprinsă între limitele 5 și 25 m, numită radiație cu undă lungă, atingând o valoare maximă de aproximativ 10 m. În consecință, regiunile radiațiilor de unde scurte sau lungi pot fi tratate ca fiind destul de distincte una de alta, adică o metodă analitică puternică în domeniul științei mediului.

Scopul principal al acestui capitol este acela de a calcula radiația solară care ar putea fi disponibilă ca sursă primară pentru un dispozitiv solar într-o anumită locație, orientare și timp. Un aspect secundar este acela de a explica fundamentele fizice asociate cu efectul de seră atmosferic și schimbările climatice globale, a căror evitare favorizează energia regenerabilă. În primul rând, discutăm despre cum multă radiație este disponibilă în afara atmosferei Pământului.

Proporția radiației solare care ajunge la un dispozitiv, depinde de factorii geometrici, cum ar fi latitudinea și caracteristicile atmosferice cum ar fi absorbția radiațiilor infraroșii prin vapori de apă, dioxid de carbon și alte molecule de acest fel. Cele două secțiuni finale tratează pe scurt măsurarea radiației solare și problema mai dificilă de cum se utilizează alte date meteorologice pentru a estima o măsurare solară.

În fizică, s-a definit un corp negru ca fiind un obiect ce absoarbe toată lumina care cade pe el . Nici un tip de radiație electromagnetică nu trece prin el și nici nu este reflectată; deoarece lumina nu este nici reflectată și nici transmisă, obiectul apare negru când este rece.

Gustav Kirchhoff a introdus in 1860 termenul de corp negru. Lumina emisă de acest corp poartă denumirea de radiație a corpului negru. Calcularea curbei care descrie emisia de radiație a corpului negru atunci când este încălzit a fost o mare provocare în fizica teoretică la sfârșitul secolului 19. Problema a fost în sfârșit rezolvată în 1901 de către Max Planck prin Legea radiației corpului negru a lui Planck , făcând modificări Legii radiației a lui Wien.

Unde:

I(ν)dν – cantitatea de energie pe unitatea de suprafață, pe unitatea de timp și pe unitatea de unghi solid pentru un interval de frecvențe între ν și ν+dν;

T – temperatura corpului negru;

h – constanta lui Planck;

c – viteza luminii;

k – constanta lui Boltzmann.

Figura 6: Curba radiației emise de corpul negru la diferite temperaturi conform Legii lui Planck.

Constanta solară reprezintă iradianța totală integrată pe tot spectrul solar la limita exterioară a atmosferei terestre atunci când soarele și pământul se află la o distanță de 1 UA, adică aria de sub curba din Figura 6, plus 3.7% corespunzător regiunilor din afara spectrului vizibil. Valorile acceptate in mod current sunt în jur de 1360 Wm-2 (Valoarea dată de NASA in ASTM E 490-73a este 1353 ± 21 Wm-2; Organizația Mondială de Metrologie (WMO) promovează o valoare mai recentă de 1367 Wm-2).

Figura 7: Spectrul radiației solare în afara atmosferei, în comparație

cu spectrul corpului negru aflat la 5800 K

Spectrul extraterestru

Figura 7 arată spectrul radiației solare în afara atmosferei terestre. Intervalul arătat, 200 – 2500 nm, include 96.3% din totalul iradianței, cu restul de 3.7% la lungimi de undă mai mari.

Multe aplicații folosesc doar o parte din întregul spectru solar. Într-un astfel de caz, 3 unități solare are de trei ori iradianța soarelui actual în regiunea spectrală de interes și o potrivire spectrală rezonabilă în această regiune.

Spectrul terestru

Spectrul radiației solare la suprafața pământului are mai multe componente (Figura 8).

Figura 8: Radiația globală totală de la nivelul solului are

componentă directă, împrăștiată și reflectată

Radiația directă vine drept de la soare, cea difuză este împrăștiată de cer și de mediul înconjurător. Radiația adițională reflectată de împrejurimi (pământ și mare) depinde de albedo-ul local. Albedo-ul este un termen limitat la radiația solară. El reprezintă reflectanța mediului înconjurător. Acesta se aplică tot spectrului integrat; reflectanța poate depinde puternic de regiunea spectrală. Radiația totală la nivelul solului este numită radiație globală. Direcția suprafeței țintă trebuie definită pentru iradianța globală. Pentru radiația directă suprafața de țintă este orientată spre raza care vine.

Toată radiația care ajunge la nivelul solului trece prin atmosferă care modifică spectrul prin absorbție si împrăștiere. Oxigenul și azotul atomic și molecular absorb radiațiile cu lungimi de undă foarte mici blocând efectiv radiațiile cu lungimi de undă mai mici de 190 nm. Când oxigenul molecular din atmosferă absoarbe undele scurte din ultraviolet, fotodisociază. Acest lucru duce la formarea ozonului. Ozonul absoarbe puternic undele mai lungi din ultraviolet în banda Hartley de la 200 la 300 nm și absoarbe slab radiația vizibilă. Grosimea stratului de ozon este de aproximativ 3 mm. Stratul subțire de ozon absoarbe radiațiile ultraviolete până la 280 nm (prin împrăștierea atmosferică) și modelează capătul din ultraviolet al spectrului solar terestru.

Vaporii de apă, dioxidul de carbon, și într-o proporție mai mică, oxigenul, absorb pe rând în infraroșul apropiat, așa cum e indicat in Figura 9.

Împraștierea Rayleigh și împrăștierea datorată aerosolilor (particule care includ și picăturile de apă) schimbă și ele spectrul radiației ce atinge solul (și cauzează culoarea albastră a cerului). Pentru o atmosferă tipică de vară, fară nori, și pentru un unghi de zenit egal cu zero, cei 1367 Wm-2 care ating exteriorul atmosferei sunt reduși la aproximativ 1050 Wm-2 de radiație directă, și la aproximativ 1120 Wm-2 de radiație globală pe o suprafață orizontală la nivelul mării.

Figura 9: Spectrul solar incident normal la nivelul mării într-o zi clară.

Curba punctată arată spectrul extraterestru.

Variația spectrului solar terestru

Absorbția și nivelele împraștiate se modifică în funcție de schimbările ce au loc la nivelul constituenților atmosferei. Norii reprezintă cel mai banal exemplu de modificare; norii pot bloca cea mai mare parte din radiația directă. Variațiile sezoniere au și ele un efect important asupra nivelului de ultraviolete ce ating solul.

Spectrul de la nivelul solului depinde și de distanța pe care radiația soarelui trebuie să o parcurgă prin atmosferă. Altitudinea reprezintă și ea un factor ce trebuie luat în considerare. De exemplu, orașul Denver are cu 1.6 km mai puțină atmosferă decât are orașul Washington, și impactul pe care îl are perioada din an asupra unghiului solar este și el important, dar cele mai semnificative variații sunt datorate rotației pământului (Figura 10).

Figura 10: Lungimea traiectoriei în unități de Masă a Aerului (AM)

se schimbă cu unghiul de zenit

La orice locație, lungimea traiectoriei pe care lumina trebuie să o parcurgă pentru a atinge nivelul mării se modifică pe parcursul zilei. Așadar nu există numai variațiile evidente ale intensității luminoase din timpul zilei, mergând până la zero pe timpul nopții, dar spectrul radiației variază și el pe parcursul zilei datorită modificărilor in absorbție.

Cu soarele deasupra, radiația directă care ajunge la nivelul solului trece prin toată atmosfera, prin toată masa de aer de deasupra. Numim această lumină radiația „Air Mass 1 Direct” (Masă de Aer 1 Direct – AM 1D) și pentru scopuri de standardizare se folosește un loc de referință de la nivelul mării. Radiația globală cu soarele deasupra este de asemenea numită radiație „Air Mass 1 Global” (Masă de Aer 1 Global – AM 1G).

Deoarece nu trece prin nici-o masă de aer, spectrul extraterestru este numit și spectrul „Air Mass 0” (Masa de Aer 0).

Traiectoria prin atmosferă a oricărui unghi zenit este descrisă simplu relativ la masa de aer de deasupra (Figura 10). Lungimea efectivă a traiectoriei poate corespunde unei mase de aer mai mică decât 1 (locuri aflate la mare altitudine) sau unei valori a masei de aer mult mai mare decât 1 chiar înainte de apus. Simulatoarele solare pot simula acest lucru prin folosirea unor filtre corespunzătoare unor mase de aer de 0, 1, 1.5 si 2.

Tabelul 1: Densități de putere și standarde publicate

Spectrul solar global de la nivelul solului

Radiația solară care atinge suprafața pământului variază semnificativ cu locația, condițiile atmosferice (incluzând perdelele de nori, conținutul de aerosoli, și starea stratului de ozon), timpul zilei, distanța soare/pământ, și rotația și activitatea soarelui. Din moment ce spectrul solar depinde de așa de multe variabile, spectre standard au fost dezvoltate pentru a furniza o bază pentru evaluarea teoretică a efectelor radiației solare și o bază pentru proiectarea simulatoarelor solare. Aceste spectre standard pornesc de la o versiune simplificată (rezoluție mică) a spectrului extraterestru măsurat, și folosesc modele sofisticate ale efectelor atmosferei pentru a calcula spectrul terestru.

Cele mai folosite spectre standard sunt cele publicate de Comitetul Internațional d’Eclaraige (CIE), autoritatea mondială în cazul nomenclaturii și standardelor legate de radiometrie și fotometrie. Societatea Americană pentru Testare și Materiale (ASTM) a publicat trei spectre, AM0, AM1.5 Direct și AM1.5 Global pentru o suprafață înclinată la 37 de grade. Condițiile pentru spectrul AM 1.5 au fost alese de către ASTM pentru că sunt caracteristice pentru condițiile medii în cele 48 de state învecinate ale Statelor Unite.

Figura 11 înfățișează diferențe tipice între spectrul standard direct și cel global. Aceste curbe sunt din datele din standardele ASTM, E891 și E892 pentru AM 1.5, o nebulozitate de 0.27 și o înclinare de 37 de grade față de soare și un albedo la nivelul solului de 0.2.

Figura 11: Spectrul standard pentru AM 1.5. Spectrul direct este din ASTM E 891 iar cel global din ASTM E 892.

Capitolul 2

Celule Solare

Energia fotovoltaică este energia electrică obținută din energia soarelui, directă și indirectă, prin intermediul elementelor fotovoltaice. Energia se obține datorită efectului fotogalvanic, care se bazează pe specificul siliciului de a elimina o cantitate mică de energie la contactul cu lumina solară. Există și alte tipuri de materiale cu asemenea calități, însă siliciul este prioritar deoarece este ușor accesibil și constituie 28% din scoarța terestră.

Sistemele fotovoltaice realizează conversia directă a energiei radiației solare în energie electrică, fără o poluare sonoră și fără emisia unor gaze poluante în mediul ambiant. Sistemele fotovoltaice au fost folosite la început pentru a echipa sateliții, după aceea pe scară mai largă la echiparea ceasurilor electronice precum și a unor calculatoare. În ultimii 20 de ani sute de mii de sisteme fotovoltaice au fost instalate în toată lumea.

Sistemele fotoelectrice, ca regulă, se împart în:

Sisteme autonome, constituite doar din module fotovoltaice. Pot conține regulatoare și acumulatoare.

Sisteme hibride, care reprezintă o combinație de elemente fotoelectrice și alte surse pentru producerea energiei electrice: generatoare eoliene, diesel etc. Aceste sisteme utilizează acumulatoare și regulatoare de capacități și mărimi mai mici.

Sisteme conectate la rețele electrice – reprezintă, practic, stații electrice mici, care livrează energie electrică direct în rețeaua comună.

Ele sunt folosite în orașe mici, precum și în sate în care implementarea unui astfel de sistem este mai rentabilă decât conectarea la rețeaua electrică sau folosirea de baterii / minigeneratoare de curent. Astfel de sisteme au funcționat perioade lungi de timp în domenii ca pomparea apei, electrificarea unor localități sau case izolate, gestionarea unor rezerve de apă, aparate de taxat pentru parcări, telecomunicații sau protecție catodică.

Dintre avantajele sistemelor fotovoltaice putem enumera:

– siguranță înaltă – inițial elementele fotovoltaice au fost elaborate ca tehnologii cosmice;

– rezistente pentru condiții extreme și de durată lungă de viață; astăzi aceste elementele sunt folosite la obținerea energiei electrice zi de zi pe pământ, păstrând calitățile de siguranță inițiale;

– cheltuieli curente mici, elementele folosesc lumina solară, combustibil gratis ;

– datorită lipsei componentelor mobile, nu necesită îngrijire deosebită;

– ecologic curate – nu consumă combustibil fosil, nu produc modificări în mediu, deci nu poluează. Dioxidul de carbon CO2 produce efectul de seră. Utilizând doar energia solară nu se produce degradarea mediului și se reduce efectul de încălzire globală;

– lipsa componentelor mobile nu duce la apariția zgomotelor (nu produc poluare sonoră), deci pot fi utilizate nemijlocit la consumator;

– fiabilitate ridicată, durată de viață lungă;

– comoditate și cheltuieli mici la instalare – sistemele fotovoltaice pot fi de diferite mărimi, fiind adaptate la preferințele consumatorului, mărind sau micșorând ulterior capacitatea. Pot fi mobile și, deci, pot fi utilizate în diverse locuri;

– rentabile mai ales în locuri izolate, spre exemplu, stații de comunicație, cabane, etc;

– eliminarea armonicilor și compensarea pierderilor de putere reactivă;

– investiție inițial redusă și recuperare rapidă;

– efecte ecologice prin reducerea factorilor poluanți;

– cheltuieli mici la transportarea energiei produse – fiind instalate în apropierea nemijlocită a consumatorului nu necesită rețele sau lungimi mari de fire de transport a energiei electrice. Este o prioritate esențială, deoarece se cunoaște că , costul transportării constituie circa 50% din costul final al energiei electrice clasice;

– crearea de noi locuri de muncă într-un domeniu de viitor.

Totusi, în ciuda succesului acestor sisteme în toată lumea, piața lor reprezintă numai un procent mic din ceea ce ar putea reprezenta piața de sisteme independente. Motivul principal nu este atât unul care ține de tehnologie cât lipsa de informație. Existența sistemelor fotovoltaice și rentabilitatea implementării lor, atat la nivel urban cât și rural nu este cunoscută de potențialii utilizatori. Deasemenea, există concepții greșite privind tehnologia fotovoltaică, ca de exemplu ideea că sistemele fotovoltaice funcționează numai în lumina solară intensă, tehnologia este prea sofisticată sau ideea că ar fi prea scumpă comparativ cu extinderea rețelei electrice.

Tipuri și generații de celule solare

Conversia fotovoltaică a energiei solare

Celula solară sau celula fotovoltaică este un dispozitiv care convertește lumina direct în electricitate prin efect fotovoltaic. Uneori termenul “celule solare” este rezervat doar pentru dispozitivele concepute special pentru a folosi lumina solară, iar termenul de “celule fotovoltaice” se folosește când nu se specifică proveniența luminii.

Dispozitivele fotovoltaice, sau celulele solare, se bazează pe efectul fotoelectric, prin care fotonii solari incidenți sunt absorbiți de material eliberând sarcini electrice care trec apoi prin circuitul extern.

Termenul “fotovoltaic” provine din grecescul phōs, care înseamnă “lumină”, și voltaic, care înseamnă “electric”, și este folosit în limba engleză din anul 1849. Efectul fotovoltaic a fost recunoscut pentru prima dată de fizicianul francez A. E. Becquerel în 1839. Cu toate acestea, prima celulă solară a fost construită abia în 1883 de către Charles Fritts, care a acoperit seleniul semiconductor cu un strat foarte subțire de aur pentru a forma joncțiunile. Dispozitivul avea o eficiență de numai 1%. Celula solară modernă cu joncțiune a fost patentată în 1946 de către Russell Ohl, fiind descoperită în timpul unor cercetări ce mai târziu au dus la apariția tranzistorului.

Era modernă a tehnologiilor cu energii solare a început în 1954 când, în Laboratoarele Bell, în timpul unor experimente cu semiconductori, s-a descoperit accidental că siliciul dopat cu anumite impurități este foarte sensibil la lumină. Daryl Chapin, împreună cu Calvin Fuller și Gerald Pearson, au inventat primul dispozitiv practic ce convertește radiația solară în putere electrica utilă, ceea ce a dus la fabricarea primelor celule solare practice, cu o eficiență de conversie a energiei solare de aproximativ 6%.

Primele celule solare cu heterostructură GaAs eficientă au fost create de Zhores Alferov și echipa sa în USSR, în anul 1970. Echipamentele de Depuneri prin Vapori Chimici Organici – Metalici nu au existat pana la începutul anilor 1980, limitând posibilitățile de fabricare a celulor solare cu GaAs. În 1988, în statele Unite ale Americii, Corporația de Energii Solare Aplicate (ASEC) a fabricat în serie primele celule solare cu GaAs cu eficiențe de pana la 17%. Celula solară “dublă joncțiune” a fost produsă accidental de ASEC în 1989 când s-a încercat trecerea de la substratul de GaAs la cel de Ge. Doparea accidentală a Ge cu stratul intermediar de GaAs a dat naștere unor tensiuni de circuit deschis mai mari, demonstrând posibila folosire a substratului de germaniu ca o celulă separată. În final, celulele comerciale cu dublă joncțiune pe baza de GaAs au atins randamente de pana la 22%. Celulele cu triplă joncțiune au inceput de la eficiențe de 24% pentru AM0 (Air Mass Zero) în 2000, 26% în 2002, 28% în 2005 și 30% în 2007.

În prezent putem clasifica celulele solare în trei generații, ce indică ordinea în care fiecare dintre ele a devenit importantă.

Prima generație de celule fotovoltaice este cea pe bază de siliciu, uni-joncțiune, însumând aproape 94% din producția curentă de energie solară. La ora actuală, randamentul celulelor fotovoltaice disponibile comercial variază între 18-22% (Si monocristal), 10-12% (Si amorf) și 14-18% (Si policristalin). Randamentul maxim pentru dispozitivele cu o singură joncțiune de siliciu este de aproape 31% (33% după alți autori) limitat de considerațiile termodinamice bazate pe pierderile de energie cauzate de încălzirea rezultată ca urmare a deplasării purtătorilor de sarcină. Dezavantajul principal al dispozitivelor cu siliciu este cerința de puritate ridicată, ce poate fi obținută numai prin consumuri mari de energie și, în consecință, cu costuri ridicate ale proceselor de separare/purificare.

Materialele din a doua generație de dispozitive fotovoltaice au fost concepute pentru a rezolva atât problema cerințelor de energie cât și pe cea a costului. Astfel se evită necesitatea substraturilor de siliciu utilizând tehnologii mai ieftine cu filme subțiri și alte materiale semiconductoare, cum ar fi CdS/CdTe, Cu(În,Ga)Se2 sau semiconductori multijoncțiune amorfi a-Si/a-SiGe. Modulele multijoncțiune de a-Si/a-SiGe au fost cea mai performantă soluție de a doua generație datorită capacității lor de a fi fabricate la un cost relativ scăzut. Acestea ocupă în prezent aproape 5.6% din piață.

A treia generație de dispozitive fotovoltaice include două tipuri de sisteme. Unul se referă la dispozitive scumpe cu semiconductori de tip AIIIBV cu un randament foarte ridicat, mai mare de 50%. Al doilea tip propune un randament moderat (15-20%) dar la un cost de fabricație foarte scăzut (cu materialele ieftine și procesări la temperaturi joase) și rate de fabricație mare. Dacă pentru toate dispozitivele anterioare opțiunea era cea a semiconductorilor anorganici, ultimul caz aduce în atenție sistemele fotovoltaice hibride organice-anorganice (HOIPV) și pe cele pur organice (OPV). Avantajele cheie ale dispozitivelor HOIPV/OPV sunt: prețul scăzut al materialelor, coeficientul de absorție ridicat, compatibilitatea cu substraturile din plastic, posibilitatea fabricării cu productivitate mare, la temperaturi joase prin procedeul laminării. Dezavantaje sunt stabilitatea mai scăzută a materialelor organice cu impact negativ asupra duratei de viață a dispozitivului.

Pentru obținerea dispozitivelor fotovoltaice de a treia generație au fost propuse abordări foarte diverse. Acestea conduc fie la sisteme organice-anorganice în care partea anorganică este un oxid ca de exemplu TiO2 sau ZnO, sau a semiconductorilor convenționali cum este CdSe, fie la sisteme organic-organic, cum sunt dispozitivele multistrat din semiconductori organici sau compozite de tip organic-organic.

Caracterizarea celulelor solare

Pentru a caracteriza celulele solare este nevoie să se traseze curba curent-tensiune (IV), obținută în urma iluminării celulei dinspre electrod și variației rezistenței de sarcină conectată drept consumator la bornele celulei. Se măsoară curentul de scurtcircuit Isc (fotocurentul celulei Iph măsurat pentru o tensiune aplicată de zero volți U = 0V, când rezistența este minimă), valorile intermediare ce vor conduce la găsirea punctului de putere maximă, iar la final tensiunea în circuit deschis UCD (tensiunea celulei măsurată când curentul prin celulă este egal cu zero). Un exemplu de caracteristică I-V este prezentat în Figura 12.

Figura 12: Caracteristica tipică a unei celule solare

Cu toate că, în mod riguros și conform modului convențional de a trasa o caracteristică I-V a unei celule solare, curentul are valori negative și curba trebuie să fie situată în cadranul 4, reprezentarea de mai sus (în cadranul 1) este larg acceptată. După cum se poate observa din figură, o trasare optimă a caracteristicii se obține efectuând mai multe măsurători în vecinătatea punctului de inflexiune a curbei, crescând astfel precizia determinărilor. Caracteristicile I-V se pot trasa fie automat folosind aparate de măsură specializate, fie variind manual rezistența de sarcină. În unele cazuri este necesară acordarea unui interval de timp mai mare (dar egal) între fiecare determinare datorită prezenței efectelor capacitive ale celulei.

Punctul de putere maximă

O celulă solară poate funcționa pe o arie largă de tensiuni (V) și intensități ale curentului (I). Prin creșterea rezistenței de sarcină cuplate la ieșirea unei DSSC de la zero (scurtcircuit) până la o valoare foarte mare (circuit deschis) se poate determina punctul de putere maximă, acesta fiind reprezentat de produsul maxim dintre tensiune și intensitate (V × I), și reprezintă cantitatea maximă de energie electrică pe care o celulă o poate produce la un anumit nivel de iradiație.

Eficiența de conversie a energiei

Eficiența de conversie a energiei de către o celulă solară (η), reprezintă raportul dintre puterea optică recepționată de celulă și puterea maximă de ieșire a acesteia. Eficiența de conversie a energiei este dată de formula:

unde: Pm – puterea maximă;

E(W/m2) – energia de iradiere în condiții standard de testare;

AC – suprafața specifică a celulei solare.

Condițiile standard de testare se referă în principal la o densitate de putere de 1000W/m2 și la o temperatură ambientală de 25șC, fiind obținute în laborator cu ajutorul simulatoarelor solare. Acest lucru corespunde unei iluminări și unui spectru într-o zi senină când celula este înclinată cu 37ș față de soare, iar soarele se află la un unghi de 41,81ș față de orizont. Deci, în aceste condiții, se așteaptă ca o celulă solară cu eficiență de 12% și o suprafață de 100 cm2 (0,01 m2) să producă o putere maximă de aproximativ 1,2W.

Factorul de umplere

Factorul de umplere este un indicator al pierderilor interne ale celulei fotovoltaice și este calculat ca fiind raportul dintre puterea maximă și produsul dintre curentul de scurtcircuit și tensiunea de circuit deschis:

Factorul de umplere maxim ce poate fi obținut depinde de factorul de calitate al diodei γ și de tensiunea de circuit deschis VCD; un factor de calitate al diodei scăzut și o tensiune VCD mare vor conduce la un factor de umplere mai bun. Presupunând că factorul de calitate al diodei este de minim 1 și o tensiune de circuit deschis de 0.8V, factorul de umplere maxim va fi de 0.86. Factorul de umplere va fi atenuat odată cu creșterea rezistenței serie totale a celulei, care include rezistența substratului conductor transparent de la electrod și contraelectrod, rezistența de transport a electronilor de-a lungul foto-anodului, rezistența de transport a ionilor și rezistența transferului de sarcini la nivelul contraelectrodului.

Figura 13: Circuitul echivalent al unei celule solare cuplate la o rezistență de sarcină

Figura 14: Ilustrarea efectului rezistenței echivalente serie și rezistenței echivalente paralel

Rezistența serie și rezistența de șunt se pot calcula cu ușurință din datele experimentale.

Factorul de umplere poate fi privit ca un indicator al abaterilor caracteristicii de la forma ideală dreptunghiulară, care ar fi obținută dacă rezistența de șunt ar fi infinită, rezistența serie ar fi zero, iar factorul de calitate al diodei ar fi neglijabil. Așadar, după eficiență, factorul de umplere este cel mai important parametru al celulelor fotovoltaice, fiind un indicator direct al pierderilor din celulă.

Eficiența cuantică externă

Un alt parametru de interes în caracterizarea celulelor solare este eficiența cuantică externă. Acest parametru, cunoscut în comunitatea DSSC ca eficiența de conversie fotoni incidenți – curent (IPCE = Incident Photon to Current Efficiency), corespunde densității fotocurentului din circuitul extern în condiții de iluminare monocromatică raportat la fluxul de fotoni incidenți:

unde: e este sarcina elementară.

Pentru determinarea IPCE, lumina monocromatică este obținută cu ajutorul unui monocromator și a unor filtre de bandă. Din raportul dintre IPCE și eficiența de absorbție a luminii (LHE = Light Harvesting Efficiency), se poate determina eficiența de conversie fotoni absorbiți – curent (APCE = Absorbed Photon to Current Efficiency).

Figura 15: Montajul folosit pentru determinarea caracteristicii I-V

Figura 16 prezintă două exemple de măsuratori ale unor Celule Solare Sensibilizate cu Pigmenți. Deși ambele celule au aceeași eficiență, celula 2 are pierderi interne mai mari, caracteristica ei intersectând ambele axe la unghiuri cu mult diferite de valorile ideale.

Se observă de asemenea că in practică se preferă a se folosi perechi de valori curent-tensiune mai dense în vecinătatea punctului de putere maximă și mai depărtate în rest.

Figura 16: Exemple de caracteristici I-V

Capitolul 3

Partea Experimentală

În continuare vor fi prezentate proiectarea, fabricarea și testarea unui sistem ce poate fi folosit pentru obținerea automată a valorilor curent – tensiune pentru o celulă solară sau, cu mici modificări, un panou solar de mici dimensiuni.

Schema bloc a aparatului propus este prezentată in Figura 17.

Diferența principală dintre sistemul prezentat și majoritatea sistemelor automate simple de măsurare este aceea că, după o evaluare rapidă a parametrilor celulei solare, sistemul controlează rezistența de sarcină în mod “inteligent”, astfel încât, dată fiind o rată de eșantionare fixă a placii de achiziție, vor fi preluate valori mai apropiate în zona unde caracteristica I-V prezintă cea mai pronunțată inflexiune, adică în vecinătatea punctului de putere maximă.

Sistemul este conceput pentru măsurarea parametrilor celulelor solare individuale. Dacă se dorește testarea unui panou solar, trebuie acordată atenție atât curentului maxim, care nu trebuie să depășească limita dată de șuntul intern al adaptorului de curent sau limita rezistenței de sarcină, cât și tensiunii maxime, care trebuie să se mențină în limitele acceptate de buffer-ul de intrare și de microcontroler.

Rezistența de sarcină constă într-un potențiometru bobinat multitură Bourns cu valoarea de 10 kΩ și puterea maximă disipată de 2W. Acest potențiometru este acționat de un servomotor PARALLAX cu rotație continuă, folosind o demultiplicare de 2:1. Rolele pentru curea au fost strunjite în laborator din bară plină de poliamidă. Ansamblul este prezentat în Figura 18. Angrenarea se face cu o curea de transmisie pentru a se evita blocarea completă a servomotorului atunci când potențiometrul ajunge la capăt de cursă.

Pentru a minimiza erorile de măsură, tensiunea este preluată direct de la bornele celulei, și nu de la bornele rezistenței de sarcină. De asemenea au fost folosite, pe cât posibil, fire de conexiune cu secțiune mare și deci rezistență proprie foarte mică astfel încat la curent de scurtcircuit tensiunea la bornele celulei să fie cât mai apropiată de zero.

Figura 18: Servomotorul și rezistența de sarcină

Adaptorul de curent este construit în jurul unui amplificator operațional de precizie și cu zgomot propriu foarte redus MAX4239. Caracteristicile principale ale amplificatorului sunt prezentate în ANEXA 1. Schema electrică a adaptorului este prezentată în Figura 22 (chenar albastru), iar diagrama cablajului imprimat și montajul complet în Figura 19.

Circuitul MAX4239 a fost ales datorită zgomotului propriu extrem de mic, devierii foarte mici a tensiunii și preciziei foarte ridicate. Dispozitivul dispune de ieșiri rail-to-rail, poate fi alimentat la o tensiune între 2,7V și 5,5V și are un consum redus, de numai 600μA.

În cazul de față s-a optat pentru capsula SO-8 a circuitului integrat, iar întreg montajul a fost realizat manual în tehnică SMT (singurele componente THD sunt comutatoarele și bornele de intrare și de ieșire); diagrama cablajului imprimat a fost proiectată manual (plasare și trasee) folosind aplicația ExpressPCB. Prin încercări s-a găsit ca cel mai potrivit (din punct de vedere al acurateții măsurătorilor) și mai comod punct de masă comună este situat sub pad-ul rezistorului R6 de 1kΩ, montat la intrarea inversoare a amplificatorului.

Alimentarea adaptorului se face dintr-o baterie de 3V, tensiunea diferențială necesară amplificatorului operațional fiind obținută folosind un amplificator de uz general LMV321 și divizorul rezistiv R11 – R12 (Figura 22). Toleranța acestor rezistoare nu este critică deoarece deși orice abatere ar deplasa potențialul masei de la poziția optimă, alimentarea amplificatorului de precizie va fi de minim 2,7V, în timp ce baleiajul maxim al tensiunii de ieșire este necesar să se mențină într-un interval total de doar 2V.

Adaptorul poate funcționa pe trei domenii de curent (mA, µA, nA) folosind trei rezistoare de șunt diferite: R4 = 10 mΩ , R3 = 10 Ω și R2 = 10 kΩ. Rezistoarele R3 și R2 au toleranțe de 0,1% însă, din cauza dificultăților tehnologice actuale, rezistorul R4 are o toleranță de doar 0,5%.

Șuntul de 10 kΩ este conectat permanent la bornele de curent, însă, dată fiind valoarea mare, nu afectează semnificativ celelalte două domenii de măsură. Domeniile de măsură sunt schimbate cu ajutorul comutatorului SW1. Tensiunea culeasă de la bornele rezistenței de șunt este aplicată la intrarea neinversoare a circuitului MAX4239, care este configurat pentru o amplificare de 100 pe intrarea neinversoare folosind rezistoarele de 75kΩ, 24kΩ și 1kΩ. Pentru o acuratețe maximă, aceste rezistoare au toleranțe foarte mici. Comutatorul SW2 asigură punerea în funcțiune a montajului.

Figura 19: Adaptorul de curent: diagrama cablajului și montajul complet

Tensiunea de ieșire a adaptorului este de maxim 1000 mV, putând fi măsurată cu ușurință cu orice multimetru sau placă de achiziție. În schemă mai este inclusă și o modalitate de a monitoriza tensiunea de alimentare folosind monitorul de tensiune TPS3809: LED-ul verde indică o tensiune de peste 2,7V, care este minimul necesar unei bune funcționări a amplificatorului de precizie. Montajul poate funcționa cu sau fără monitorul de tensiune activat, ultima variantă prelungind durata de viață a bateriei.

La nivelul de acuratețe dorit, rezistența traseelor de cupru poate deveni semnificativă și deci în proiectarea cablajului imprimat s-a avut în vedere păstrarea unor trasee cât mai scurte în partea de curent și culegerea tensiunilor cât mai aproape de pad-urile rezistențelor de șunt. Pentru domeniul de mA s-a folosit un resistor de tip KELVIN, la care tensiunea de măsurat este preluată, prin construcție, direct de la bornele materialului rezistorului propriu-zis.

Blocul de control este format dintr-un modul Arduino și un montaj ce realizează interfațarea display-ului LCD, conține buffer-ele de intrare, conectează butoanele de control, permite conectarea servomotorului și filtrează tensiunea de alimentare a acestuia. Modulul Arduino folosit dispune de 20 de intrări/ieșiri digitale, 7 canale PWM, 12 intrări analogice și operează la o frecvență de tact de 16MHz.

Fiecare buton folosește câte o intrare digitală, care este menținută în mod normal la potențialul masei, și căreia i se aplică o tensiune de 5V la apăsarea butonului. După cum se observă în Anexa 4, în funcțiile de monitorizare a stărilor butoanelor s-au intercalat întârzieri de 50ms pentru a evita interpretări multiple ale unei singure apasări.

Buffer-ele de intrare sunt realizate cu LM358 (Anexa 2) care, deși nu este în sine un amplificator operațional rail–to–rail, permite totuși operarea cu tensiuni de intrare și de ieșire apropiate de rail-ul negativ (în cazul de față de potențialul masei). Conectarea la bornele celulei și la ieșirea adaptorul de curent se face prin intermediul a două terminale cu șurub.

Servomotorul cu rotație continuă este comandat direct de la pinul 9 (ieșire PWM) al modulului Arduino și este alimentat direct din bara de 5V a montajului, adică de la tensiunea furnizată de portul USB al computerului. Pentru evitarea unor ripluri de tensiune foarte pronunțate datorate pornirii și opririi motorului, s-au folosit 3 condensatori de 100μF montați în paralel pentru decuplare locală.

Schema montajului de interfață este prezentată în Figura 22 – chenar portocaliu – iar diagrama cablajului și montajul complet în Figura 20 .

Figura 20: Diagrama cablajului și montajul complet al blocului de interfață

Placa de achiziție este un model OMEGA OMB-DAQ-2416 (Figura 21) ce dispune de 16 intrări diferențiale de tensiune sau 32 de intrări simple. Alegerea ei a fost facută nu în baza numărului de intrări, ci pentru precizia de măsurare, fiecare canal fiind eșantionat pe 24 de biți. Intervalele de tensiuni ce pot fi alese sunt ±20V, ±10V, ±5V, ±2.5V, ±1.25V, ±0.625V, ±0.3125V, ±0.15625V și ±0.078125V.

În cazul de față s-au folosit numai două intrări simple de tensiune, avantajul principal față de conexiunea diferențială fiind faptul că nu mai este nevoie de rezistoare conectate la masă.

În cazul în care se selectează rate de eșantionare diferite pentru diferite canale de intrare, trebuie avut în vedere faptul că toate canalele vor fi eșantionate în cadrul aceleiași secvențe, în baza canalului cu cea mai mică rată de eșantionare. De exemplu, dacă alegem o rată de 10Hz pentru canalul 0 și o rată de 50Hz pentru canalul 1, practic ambele canale transmit același număr de valori către computer. În schimb se vor calcula mai multe medii ale valorilor culese pe canalul 0 și prin urmare precizia corespunzătoare acestuia va fi mai ridicată. Numărul de medieri efectuate de convertorul analog-digital al dispozitivului este 30000/(rata de date). În exemplul nostru, pe canalul 0 se realizează 3000 de conversii în 100ms și se face media tuturor valorilor. Pe canalul 1 se vor realiza 600 de conversii în 20ms și se face media acestor valori. Rezultatele finale vor fi disponibile la o rată de maxim 8Hz (8,245Hz).

Folosirea a mai puține intrări permite rate de eșantionare mai mari, deși în practică de multe ori se evită acest lucru datorită posibilelor efecte capacitive ale unor anumite tipuri de celule. Rata de eșantionare este selectată din software-ul aferent plăcii, la fel ca și intrările folosite și domeniul de măsurare. În cazul caracterizării celulelor individuale se poate folosi cu succes domeniul de ±1.25V.

Figura 21: Placa de achiziție OMEGA OMB-DAQ-2416

Diagrama completă a conexiunilor este prezentată în Figura 22. Pentru simplitate au fost omise din diagramă conexiunile detaliate ale ecranului TFT.

Alimentarea microcontroller-ului, a amplificatoarelor operaționale din modulul de interfață și a servomotorului se face direct din portul USB al computerului. Placa de achiziție se alimentează separat dintr-o sursă de tensiune stabilizată de 5V/2A, iar adaptorul de curent are încorporate două baterii R3-AAA (1,5V) înseriate, însă se poate folosi și o baterie de tip CR2032 (3V).

Figura 22

Programarea microcontroller-ului se face direct prin portul USB al computerului și nu pune probleme deosebite. Diagrama “flow chart” a codului este ilustrată în Figura 23.

Figura 23:

În continuare se vor detalia și explica, pe scurt, principalele secvențe din cod; codul complet este prezentat în Anexa __.

START – Initializare intrări, ieșiri și LCD

La inițializarea programului, se încarcă librăriile necesare, se declară parametrii de comunicație cu ecranul TFT și se declară toate variabilele globale:

#include <SPI.h>

#include <Servo.h>

#include <TFT.h>

#define lcd_cs 7

#define dc 0

#define rst 1

Servo ServoPot;

TFT TFTscreen = TFT(lcd_cs, dc, rst);

int ……………………… // variabilele globale

În continuare se intră în secvența void setup(), în care se declară pinul de control al servomotorului (9), intervalul de valori corespunzător vitezei și sensului acestuia (1400-1600, 1500 corespunzător stării de repaus), modul de funcționare a butoanelor de control și se inițializează ecranul TFT:

ServoPot.attach(9,1400,1600);

pinMode(buttonPin1, INPUT);

pinMode(buttonPin2, INPUT);

pinMode(buttonPin3, INPUT);

TFTscreen.begin();

După inserarea unui text introductiv de prezentare se așteaptă apăsarea unui buton pentru a continua, folosind o funcție while():

while(button1State == LOW && button2State == LOW && button3State == LOW) {

button1State = digitalRead(buttonPin1);

button2State = digitalRead(buttonPin2);

button3State = digitalRead(buttonPin3);

delay(50);

}

button1State = 0;

button2State = 0;

button3State = 0;

TFTscreen.background(0, 0, 0);

Secvența de așteptare a apăsării unui buton va mai fi folosită în continuare în cod, fără a mai fi însă detaliată.

Verificare conexiuni celulă

În continuare programul va verifica dacă celula solară, rezistența de sarcină și adaptorul de curent sunt corect conectate. Indiferent de poziția cursorului rezistenței de sarcină, dacă conexiunile sunt corect realizate, înseamnă că ori tensiunea la borne, ori curentul, ori ambele, au o valoare finită. Circuitul măsoară tensiunea și curentul, raportează o eroare dacă nici una din mărimi nu este prezentă, sau continuă dacă rezultatul este pozitiv:

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\nChecking connection…",0,0);

I = analogRead(Iin);

U = analogRead(Uin);

if(I==0 && U==0)

{ TFTscreen.stroke(0, 255, 255);

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n F!",0,0);

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\nRestarting in 5…",0,0);

delay(5000);

resetFunc();

} else { TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n OK.",0,0); }

Verificare “offset” motor

Pentru o operare corectă a rezistenței de sarcină, este necesar ca servomotorul să poată fi pornit sau oprit la momente precise. Servomotorul folosit este un model cu rotație continuă, ceea ce înseamnă că circuitul intern nu monitorizează poziția axului ca în cazul servomotoarelor obișnuite, din moment ce aceste poziții s-ar reseta după fiecare rotație completă. În schimb, prin comanda efectuată prin pinul de ieșire PWM nr. 9, se poate selecta o anumită viteză și un anumit sens de rotație al acestuia. Este important așadar ca motorul să fie în repaus la mijlocul intervalului de valori selectat, motiv pentru care circuitul său propriu prezintă o metodă de a regla orice decalaj nedorit, cu ajutorul unui rezistor semireglabil accesibil prin lateralul carcasei.

Programul va transmite comanda corespunzătoare opririi motorului, va aștepta un interval de timp, după care va determina din nou valoarea tensiunii și a curentului din circuit. În cazul în care tensiunea și curentul nu s-au schimbat, înseamnă că axul motorului nu s-a rotit și deci motorul este corect calibrat. În caz contrar se afișează o eroare și se re-pornește programul, iar utilizatorul trebuie să corecteze decalajul vitezei motorului:

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\nChecking motor offset.",0,0);

Iprev = I; Uprev = U;

ServoPot.write(1500);

delay (2000);

I = analogRead(Iin); U = analogRead(Uin);

if( I >= (Iprev-20) && I <= (Iprev+20) && U >= (Uprev-20) && U <= (Uprev+20))

{

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\n OK.",0,0);

} else {

TFTscreen.stroke(0, 255, 255);

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\n F!",0,0);

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\n\nRestarting in 5…",0,0);

delay(5000);

resetFunc(); }

Se observă că în loc să se compare direct valorile actuale ale tensiunii și curentului cu valorile precedente, s-a ales să se creeze un interval permis de variație din cauza erorii de măsură și fluctuațiilor minore ce pot apărea la citirea valorilor de către microcontroller.

Resetarea rezistenței de sarcină

Din moment ce nu se cunoaște poziția actuală a rezistenței de sarcină și este de dorit ca trasarea curbei I-V să înceapă de la curentul de scurtcircuit, este necesară aducerea ei în poziția corespunzătoare acestuia.

Prin urmare, secvența urmatoare de program acționează motorul în sensul corespunzator reducerii rezistenței de sarcină și, deoarece nu este prevăzut nici un mijloc de semnalizare a atingerii capătului de cursă, monitorizează tensiunea la bornele celulei până când aceasta ajunge sub un prag prestabilit și nu se mai modifică la două parcurgeri succesive ale funcției while(). Mecanismul de acționare a rezistenței de sarcină nu va avea de suferit deoarece este astfel conceput încât cureaua de transmisie să poată să patineze înainte ca rezistorul multitură sau motorul să fie solicitate peste limitele admise.

În prima parte a secvenței, motorul este acționat chiar dacă tensiunea pare că nu se modifică semnificativ, atâta timp cât aceasta se situează peste un anume prag, condiție nedorită ce poate apărea dacă rezistența de sarcină este situată la o valoare mare (aproape de condiția de circuit deschis).

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\n\nReset max current…..",0,0);

Uprev = U;

ServoPot.write(1470); delay (3000); ServoPot.write(1500);

U = analogRead(Uin);

while (U != Uprev || U > 300 ) {

Uprev = U;

ServoPot.write(1450);

delay(1000);

U = analogRead(Uin); }

ServoPot.write(1500);

if(U < 20) {

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\n\n OK.",0,0);

Imax = analogRead(Iin);

} else {

TFTscreen.stroke(0, 255, 255);

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\n\n F!",0,0);

TFTscreen.text("\n\n\n\n\n\n\n\n\nRestarting in 5…",0,0);

delay(5000); resetFunc(); }

ServoPot.write(1500); //stop the motor

Măsurătoarea de test

Pentru a putea parcurge rezistența de sarcină în așa fel încât placa de achiziție să poată înregistra valori mai apropiate în vecinătatea punctului de putere maximă și mai distanțate în rest, este nevoie ca microcontroller-ul să poată anticipa comportarea celulei solare la diferite tensiuni și curenți. Pentru aceasta este necesar să se execute un test prealabil al celulei pentru a se determina cu aproximație poziția punctului de putere maximă.

În cadrul acestui test, motorul este comandat la o viteză constantă, timp în care microcontroller-ul înregistrează toate valorile de interes și trasează grafic pe ecranul LCD această caracteristică I-V provizorie:

m = 0;

for(counter=0; counter<100; counter++) {

ServoPot.write(1560); delay(500); ServoPot.write(1500); delay(100);

I = analogRead(Iin); U = analogRead(Uin);

if(I == Iprev && U == Uprev) {

m++; }

if(m > 0 && (I != Iprev || U != Uprev)) {

m–; }

if(m == 2) {

break; // break if reached the end of potentiometer }

P = 0.001 * U * I;

Pmem[counter] = P;

Ig = map(I,0,Imax,100,30); Ug = map(U,0,Umax,30,130);

Pg = map(P,0,0.001*Imax*Umax,100,30);

TFTscreen.stroke(0, 255, 0); TFTscreen.circle(Ug,Ig,1); TFTscreen.point(Ug,Ig); TFTscreen.stroke(255, 255, 0);

TFTscreen.circle(Ug,Pg,1); TFTscreen.point(Ug,Pg);

Imem[counter] = I; Umem[counter] = U;

Iprev = I; Uprev = U;

}

ServoPot.write(1500);

countermax = counter;

Puterea calculată a fost redusă de 1000 de ori doar pentru a putea fi corect trasată grafic pe ordonată, alături de intensitatea curentului electric.

Variabila m este folosită aici pentru a stabili un punct de verificare, anume ca măsurătoarea să înceteze dacă tensiunea și curentul nu mai variază la trei pași succesivi, ceea ce ar însemna că, la această viteză de parcurgere a rezistenței de sarcină, s-a ajuns la capătul cursei înainte ca funcția for() să parcurgă cele 100 de valori prestabilite.

Valorile curentului, tensiunii și puterii sunt memorate în vectorii declarați corespunzător în secvența de inițializare a programului.

Imediat după măsurătoare, se determină puterea maximă a celulei solare cu un algoritm simplu bazat pe o funcție for(), de data aceasta mergând numai până la valoarea maximă înregistrată de numărătorul de control:

for(counter=0; counter<=countermax; counter++) {

if(Pmem[counter] >= Pmax) {

Pmax = Pmem[counter];

IPmax = Imem[counter]; UPmax = Umem[counter];

counterP = counter; } }

Resetarea rezistenței de sarcină

Din moment ce rezistența de sarcină a ajuns acum la valoarea maximă, este necesar să fie adusă înapoi la zero, cu ajutorul aceleiași secvențe descrise mai sus.

Măsurătoarea finală

Pentru măsurătoarea finală există două posibilități de abordare:

prima abordare ar fi să se comande motorul la viteză constantă, dar în pași de durate diferite, ce ar fi proporționale cu diferența dintre valorile curentului și tensiunii la putere maximă și valorile lor la momentul măsurătorii:

avantaj: microcontroller-ul poate măsura corect valorile și deci curba de pe ecranul LCD va fi corect afișată;

dezavantaj: placa de achiziție va prelua valori la o rată constantă și deci pe perioada pauzelor dintre pași vor apărea valori duplicate;

o posibilă rezolvare: implementarea unui algoritm automat de decimare a valorilor duplicate în Microsoft Excel sau alte aplicații de calcul numeric asemănătoare;

a doua abordare este să se comande motorul continuu, dar la viteze crescătoare sau descrescătoare:

avantaj: placa de achiziție va putea prelua valori corecte în mod continuu, fără ca acestea să se repete (neexistând pauze);

dezavantaj: s-a observat că microcontroller-ul poate avea abateri de măsurare dacă achiziția se face în timp ce rezistența de sarcină se modifică (chiar și la viteze mici);

o posibilă rezolvare: implementarea unei funcții care să selecteze valorile potrivite și să le ignore pe cele care se abat de la alura reală a curbei trasată grafic pe ecran.

În continuare se prezintă o secvență de cod corespunzătoare celei de-a doua abordări.

Parcurgerea întregului domeniu al rezistenței de sarcină a fost împărțită în două jumătăți: în prima jumătate durata de comandă a motorului într-un anume pas este dictată de diferența dintre valoarea curentă a tensiunii și valoarea ei la putere maximă, iar în cea de a doua, de diferența dintre curentul la putere maximă și valoarea curentului la momentul măsurătorii. Punctele de start ale fiecarei parcurgeri sunt date de tensiune zero (scurtcircuit) în primul caz, și curentul la putere maximă în cel de-al doilea caz.

Înainte de începerea măsurătorii propriu-zise, ecranul LCD afișează un mesaj și un temporizator, pentru ca utilizatorul să poată inițializa achiziția de date prin computer.

U = 0;

for(counter=0; counter < counterP; counter++) {

ServoPot.write(1560); delay(200+4*(UPmax-U));

ServoPot.write(1500); delay(100);

I = analogRead(Iin); U = analogRead(Uin);

Ig = map(I,0,Imax,100,30); Ug = map(U,0,Umax,30,130);

TFTscreen.circle(Ug,Ig,1); TFTscreen.point(Ug,Ig); }

ServoPot.write(1500);

TFTscreen.line(30, 100, 30, 30); // graph y axis

TFTscreen.text("I",18,30); // label y axis current

TFTscreen.stroke(0, 255, 255);

TFTscreen.line(30, 100, 130, 100); // graph x axis

TFTscreen.text("V",120,105); // label x axis

I = IPmax;

for(counter=counterP; counter < 100; counter++) {

ServoPot.write(1560); delay(200+100*(IPmax-I));

ServoPot.write(1500); delay(100);

I = analogRead(Iin); U = analogRead(Uin);

Ig = map(I,0,Imax,100,30); Ug = map(U,0,Umax,30,130);

TFTscreen.circle(Ug,Ig,1); TFTscreen.point(Ug,Ig); }

ServoPot.write(1500);