MASTERAT UNIVERSITAR: SISTEME DE CONVERSIE A ENERGIEI (SCE) 2018-2020 [308707]

[anonimizat]: SISTEME DE CONVERSIE A ENERGIEI (SCE) 2018-2020

LUCRARE DE DISERTAȚIE

SOLUȚII DE ÎMBUNĂTĂȚIRE A CONVERSIEI DE ENERGIE FOTOVOLTAICA ÎN ENERGIE ELECTRICĂ PENTRU LOCUINȚE RURALE

ÎNDRUMĂTOR : conf.univ.dr. ROBERT-CRISTIAN BELOIU

MASTERAND: [anonimizat]. [anonimizat] o [anonimizat] a celei solare

ca fiind posibilă și rentabilă. Energia solară are o serie de calități remarcabile fiind o

formă de energie primară gratuită care se găsește în cantități nelimitate. Aceasta are

și o [anonimizat]. Utilizarea energiei solare prin

intermediul celulelor fotovoltaice este folosită pentru obținerea directă a energiei

electrice.

Principalul obiectiv al acestei lucrări l-a constituit cercetarea sistemelor care

utilizează surse regenerabile de producere a [anonimizat]. S-a [anonimizat], în condițiile asigurării necesarului de

energie. S-a conceput și studiat în principal sisteme care să folosească o eficiență

maximă a procesului de conversie fotovoltaică a energiei.

Proiectul și-a propus de asemenea să promoveze soluții optime ale instalațiilor

care utilizează energia solară ca sursă regenerabilă de energie.

Obiectivele realizate în această lucrare sunt următoarele:

 prezentarea noțiunilor teoretice referitor la conversia energiei fotovoltaice;

 descrierea componentelor principale ale unui sistem fotovoltaic;

 modelarea unui panou fotovoltaic și modelarea unui convertor pentru

optimizarea conversiei energiei fotovoltaice;

 dimensionarea și optimizarea unui sistem fotovoltaic pentru asigurarea

energiei electrice a unei clădiri.

[anonimizat] 5 capitole și bibliografie.

Primul capitol este reprezentat de introducerea în cadrul general al importanței

conversiei energiei fotovoltaice pentru obținerea directă a [anonimizat] a

obiectivelor realizate prin intermediul acestei lucrări.

În capitolul 2 [anonimizat]-un sistem tipic.

Capitolul 3 prezintă câteva aspecte ale modelării unui sistem de conversie a

energiei fotovoltaice. Este analizată modelarea unui panou fotovoltaic și modelarea

unui convertor static de putere utilizat pentru sistemele fotovoltaice.

Capitolul 4 al lucrării reprezintă o soluție de dimensionare și optimizare a unui

sistem fotovoltaic. În acest capitol se prezintă calcul de dimensionare a sistemului

fotovoltaic pentru asigurarea energiei electrice a [anonimizat]-se cont de

alegerea judicioasă a [anonimizat].

În încheiere sunt prezentate principalele concluzii care se desprind din

această lucrare.

2. PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE CU AJUTORUL

CELULELOR FOTOVOLTAICE

2.1 ISTORIA CELULELOR FOTOVOLTAICE

Inca de la inceputul perioadei moderne dobandirea de catre om a unei noi surse de energie a constituit un factor fundamental in dezvoltarea societatii. Cronologia captarii energiei solare cu celule solare incepe in secolul al 19-lea atunci cand se observa ca prezenta luminii solare este capabila sa genereze energie electrica ce poate fi utilizata in diferite aplicatii.

1797–Primul colector solar In anul 1797 un om de stiinta elvetian pe nume Horace-Benedict de Saussure a creat primul colector solar – o cutie izolata acoperita cu trei straturi de sticla pentru a absorbi energie termica. Cutia Saussure a devenit cunoscuta ca primul cuptor solar, ajungand la temperaturi de 230 grade Fahrenheit.

1839–Definirea efectului fotovoltaic In 1839 s-a produs o evolutie majora in dezvoltarea energiei solare prin definirea efectului fotovoltaic. Omul de stiinta francez Edmond Becquerel studiind spectrul solar, magnetismul, electricitatea si optica, a descoperit principiul de functionare a celulei solare. Acesta a folosit doi electrozi de platina plasati intr-o solutie acida in care a adaugat clorura de argint (electrolit), ce au generat electricitate, care dupa expunerea la lumina a crescut, proces denumit “efectul Becquerel” – efectul fotovoltaic.

1873–Fotoconductivitatea Seleniului Willoughby Smith, in anul 1873, a descoperit ca materialul semiconductor cunoscut sub numele de seleniu are are proprietatea de fotoconductivitate, ce consta in generarea unei tensiuni electrice in momentul in care este supus actiunii unei unde de lumina. Descoperirea a prins contur in anul 1876 cand acelasi om de stiinta a dezvaluit ca seleniul produce energie solara. Au fost facute incercari de a construi celule solare folosind seleniu. Aceste celule solare nu au dat randament, dar a fost scos in evidenta faptul ca acest material semiconductor poate transforma lumina in electricitate fara caldura sau componente in miscare. Descoperirea a pus o baza solida pentru evolutiile viitoare din istoria energiei solare.

1883–1891 Mici descoperiri–colectorul solar In aceasta perioada au fost facute mai multe cercetari si inventii, care au contribuit la evolutia utilizarii energiei solare. In primul rand in anul 1893 a fost introdusa prima celula solara. Celula solara a fost invelita cu seleniu. Mai tarziu in 1887 a fost descoperita de catre Heinrich Hertz capacitatea razelor ultraviolete de a produce scanteie intre electrozi. Cu patru ani mai tarziu, in 1891, a fost creat primul incalzitor solar – colector solar.

1908–Colector solar de cupru In 1908 William J. Baileys a inventat un colector solar de cupru folosind cutii si bobine de cupru. Colectorul solar de cupru a reprezentat o imbunatatire a colectorului solar creat in 1891, diferenta constand in utilizarea unei izolatii de cupru. Imbunatatirile aduse in aceasta inventie sunt folosite si pentru fabricarea echipamentelor solare de ultima generatie.

1916–Efectul fotoelectric Dupa publicarea lucrarii asupra efectului fotoelectric a lui Albert Einstein in 1905 (nu exista dovezi experimentale), in 1916 un om de stiinta cunoscut sub numele de Robert Milikan a pus in evidenta efectul fotoelectric experimental.

1947–Energia solara in Statele Unite ale Americii Dupa al doilea razboi mondial, echipamentele de captare a energiei solare au inceput sa fie din ce in ce mai populare printre multi locuitori ai SUA, insa cererea de echipamente de energie solara a fost limitata.

1958–Utilizarea energiei solare in spatiu Energia solara a fost folosita la echipamente cum ar fi sateliti si statii spatiale pentru explorarea spatiului. Aceasta a fost prima utilizare comerciala a energiei solare.

1959–1970- Costul si eficiente celulelor solare In perioada cuprinsa intre anii 1959 si 1970 au fost discutii majore despre cresterea eficientei celulelor solare si reducerea costurilor. Pana la acel moment eficienta celulelor solare a fost de numai 14% si nu a fost comparabila cu costul ridicat de producere a celulelor. Cu toate acestea, in 1970, Exxon Corporation a proiectat un panou solar mai eficient, cu costuri de producere mai mici. Acesta a fost un reper major in istoria energiei solare.

1977–Valorificarea energiei solare In 1977, guvernul SUA a adoptat o strategie de utilizare a energiei solare prin lansarea Institutului de Cercetare a Energiei Solare (Solar Energy Research Institute). Ulterior alte guverne din intreaga lume au urmat exemplul SUA.

1981–Avioane aliméntate cu energie solara In 1981, Paul Macready a produs primul avion alimentat cu energie solara. Aeronavele utilizau peste 1600 de celule solare plasate pe aripile lor. Aeronava a strabatut distanta dintre Franta si Anglia.

1982–Vehicule solare In anul 1982, in Australia, s-a dezvoltat prima industrie de producere a autoturismelor electrice ce folosesc energia solara pentru incarcare.

1986–1999- Energia eléctrica solara Evolutia la scara larga a energiei electrice din surse regenerabile – energie solara, a facut avansari remarcabile. Pana in anul 1999, cea mai mare ferma fotovoltaica a realizat o productie de peste 20 KW.

1999–Evolutie in eficiente celulelor solare Celulele solare au capatat imbunatatiri pentru crestere eficientei, ajungandu-se la 36%. O crestere considerabila daca comparam cu primele captatoare solare ce aveau o eficienta de numai 14%.

2008–Reducere subventie in Spania Din cauza crizei financiare globale, in anul 2008, guvernul spaniol a redus subventiile pentru productia in curs de dezvoltare a energiei solare, avand un efect negativ asupra industriei din intreaga lume.

2012–Record in stalatii solare In ultimii ani s-au vazut investitii enorme in centralele solare utilizate la scara. In 2012, cea mai mare centrala de energie solara din istorie a fost realizata in China, Parcul solar Golmud, cu o capacitate instalata de 200 MW. Acest record a fost depasit insa de catre India, Parcul solar Gujarat cu o colectie de ferme solare raspandite in regiunea Gujarat, ce ofera o capacitate combinata instalata de 605 MW.

2015–Evolutia energiei solare continua… Se pare ca cererea de energie provenita din surse solare este in continuare mare, inclusiv in Romania. Se estimeaza ca cererea se va dubla in urmatorii 20 de ani. Acest lucru inseamna ca va fi necesar un volum mare de investitii in sector.Pe plan tehnologic s-au implementat sisteme de proiectare avansate, pentru a obtine sisteme fiabile si eficiente, optimizate astfel incat sa minimizezecosturile.

2.2. CONSIDERATII GENERALE

Conversia fotovoltaică

Conversia fotovoltaică reprezintă transformarea directă a radiației solare în energie electrică prin intermediul celulelor solare[2].

Helio-electricitatea se referă la conversia directă a energiei solare în energie

electrică. Pentru aceasta, se utilizează module fotoelectrice compuse din celule solare sau fotoelemente [3]

Conversia energiei solare in energie fotoeléctrica

Producția de energie fotoelectrică depinde de expunerea la Soare a locației și de temperatură, deci de amplasare geografică, de anotimp și de ora zilei: producția are un maxim la amiază (ora solară), cu cer senin. Valoarea maximă înregistrată în acest moment are valoarea de aproximativ 1000 W/m² (valoare de referință) [4].

Radiația solară este influențată de modificarea permanentă a următorilor parametrii importanți [5]:

 înălțimea soarelui pe cer (unghiul pe care îl formează 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.

Harta solară a României pentru înclinare optimă a modulelor fotovoltaice. [6]

În figura – se poate observa ca cea mai bună zonă pentru instalații solare este situată în partea de sud a României, cu o radiație cuprinsă între 1450 si 1750 kwh/m2 an [5].

2.3. CELULA FOTOVOLTAICĂ

Celula fotovoltaică reprezintă un dispozitiv electronic, realizat din materiale semiconductoare, care generează perechi de electroni și goluri libere prin absorbția luminii, purtătorii de sarcină fiind separați spațial datorită unei bariere de potențial formată de discontinuitățile interne care antrenează electronii în sens opus golurilor [2].

Prin separarea purtătorilor de sarcină rezultă o tensiune la bornele celulei și un curent printr-o rezistență de sarcină, astfel încât celula fotoelectrică funcționează ca un generator electric (a se vedea figura ) [2].

Fig . Celula fotovoltaica

Cantitatea de radiații care ajunge pe pământ este, variabilă, depinzând atât de variațiile regulate cauzate de mișcarea aparentă a Soarelui (zile și ani) cât și de variații aleatoare determinate de compoziția generală a atmosferei precum și de condițiile climatice (prezența norilor) [2].

Din motivele enumerate în paragraful anterior, sistemele de conversie fotovoltaică se construiesc pe baza datelor obținute prin măsurători realizate în apropierea zonei instalate [2].

Ecuația caracteristicii curent-tensiune a unei celule fotovoltaice este [2]:

unde:

 – intensitatea curentului de saturație, [A];

 UT – tensiunea termică corespunzătoare temperaturii de funcționare a joncțiunii ;

 e – sarcina electronului, [C];

 k=1,380658* 10-23 JK-1 – constanta lui Boltzmann;

 T – temperatura absolută, ;

 U – tensiunea fotoelectrică (care se stabilește la bornele celulei, polarizând-o în sens direct) [V].

Randamentul unei celule fotovoltaice se determină ca raportul dintre puterea generată de celulă la ieșire la o temperatură specificată și puterea radiației solare [2].

unde:

 S – aria suprafeței celulei sau modulului, [m2];

 E – radiația globală incidentă pe suprafața celulei sau modulului, [W/m2].

Caracteristicile celulei fotovoltaice [2] pentru diferite valori ale radiației solare sunt prezentate în figura

Fig . Caracteristicile celulei fotovoltaice a)- la variația radiației solare; b)- la variația temperaturii.

2.4. COMPONENTELE SISTEMULUI FOTOVOLTAIC .

Sistemele electrice solare sunt o alegere populara printre opțiunile de energie regenerabilă din cauza cerințelor de întreținere relativ scăzută și durata lungă de viață pentru majoritatea componentelor sistemului. Pentru că nu există părți mecanice în mișcare, și astfel puține șanse de eșec, sistemele electrice solare vor continua sa producă energie pentru cel puțin 30 de ani [7].

Deși unele sisteme electrice solare mai mici pot fi relativ simplu de instalat, mulți oameni aleg să angajeze instalatori. Indiferent dacă aveți de gând să instalați un sistem singuri sau aveți nevoie un contractant pentru a instala un sistem, veți beneficia de asistența și mentenanță în mod corespunzător pentru fiecare componentă din sistemul fotovoltaic.

Modulele fotovoltaice sunt cunoscute ca panouri solare sau panouri electrice solare. Vom folosi termenii alternativ pe parcursul acestui capitol, deși „modul fotovoltaic” este mult mai corect din punct de vedere al terminologiei tehnice.

Panourile solare furnizează energie electrică de la lumina soarelui. Ele sunt de obicei realizate din felii de siliciu numite celule, sticlă, un suport polimer, și de rama de aluminiu. Panourile solare pot varia în tip, dimensiune, formă, și culoare. În cele mai multe cazuri, "dimensiunea" unui modul fotovoltaic se referă la puterea nominală a panoului sau potențialul de generare de electricitate. Panourile solare au diferite nivele de tensiune. În general cele cu 12 sau 24 de volți, sunt preferate pentru ieșirea sistemelor de rețea cu baterii. Alte panouri solare vin în tensiuni nominale mai puțin comune, cum ar fi 18, 42, și chiar și 60 volți. Aceste module sunt de obicei folosite în aplicații rețea-legată pentru a se adapta la rețeaua-invertoare conectată. Panourile solare pot fi utilizate singure sau combinate în rețele de cabluri. Prețul modulelor fotovoltaice mari, rezidențiale sau comerciale poate varia între 2.20 și 3.40 USD per watt evaluat [7].

2.4.1. Sisteme de montaj a panourilor fotovoltaice.

Montarea sistemelor de panouri solare include dispozitive de aplicare permanentă a matricei fie pe un acoperiș, un pol, sau la sol. Aceste sisteme sunt de obicei făcute din aluminiu și sunt selectate pe baza modelului specific și numărul de module în matrice, precum și de configurația dorită. Panouri solare funcționează cel mai bine la temperaturi mai scăzute, iar montarea corecta a modulelor permite răcirea fluxului de aer din jurul lor. Pentru toate locațiile, vântul de încărcare este un factor de instalare, și este extrem de important pentru proiectare și pentru turnarea fundației de ciment în mod corespunzător pentru orice stâlp de montare. Un stâlp de montare are opțiunea de a crește producția de energie prin mutarea modulelor de panouri pentru a face față la lumina soarelui când soarele se mișcă pe cer. Un panou solar pe un urmăritor va produce mai multă energie decât unul fix. Urmăritoarele sunt adesea utilizate în aplicații de pompare a apei. Costul unui urmăritor poate fi semnificativ, și datorită posibilității de defalcare, acestea sunt cele mai recomandate pentru înclinarea mecanică. Costul unui sistem de montare variază în funcție de numărul de module și tipul de montare. Costul mediu este intre 250 și 1.000 USD pentru o gamă fixă și 2.000 USD pentru un urmăritor solar. Un alt cost de estimarea a factorului pentru montare de rafturi este de 0.50 USD la 1 USD pe Watt evaluat [7].

2.4.2. Caseta de conectare.

Casetele de conectare trecute adesea cu vederea, reprezintă o parte esențială din majoritatea sistemelor solare electrice. Caseta de conectare este o incintă electrică care permite conectarea in paralel a mai multor panouri solare. De exemplu, pentru conectarea împreună a două panouri pentru un sistem de 12 Volți, trebuie conectat fiecare cablu de ieșire a panoului direct la bornele din interiorul cutiei de conectare. Din caseta de conectare se montează apoi doar un conductor de plus și unul de nul (în conductă este cazul) pentru componenta următoare a sistemului, reprezentată de intrarea redresorului de încărcare. Caseta de conectare va găzdui, de asemenea, șiruri de siguranțe serie sau disjunctoare. Aceste cutii sunt de obicei în aer liber, pentru plasarea în imediata vecinătate a panourilor solare. De obicei casetele de conectare, au prețul cuprins intre 80 si 140 USD [7].

2.4.3 Controlerul de încărcare.

Fiecare sistem solar electric cu baterii ar trebui să aibă un controler de încărcare. Controlerul de încărcare reglează cantitatea de curent a modulelor fotovoltaice care alimentează bateriile. Funcția lor principală este de a preveni supraîncărcarea bateriilor, dar de asemenea, controlerul de încărcare, limitează curentul de scurgere invers din blocul de baterii înapoi în panoul fotovoltaic pe timp de noapte sau în zilele noroase, consumând bateria.

Cele două tipuri principale de controlere de încărcare sunt PWM (Pulse Width modulație) și MPPT (de urmărire). Tehnologia PWM este mai veche și mai frecvent utilizată la panouri solare mai mici. Alegerea unui controler de încărcare PWM, se face pentru panouri fotovoltaice și pentru baterii de aceeași tip. Controlerul de încărcare trebuie să aibă o capacitate nominală suficientă (în amperi) pentru da curentul total sistemului de panouri solare în condiții de siguranță. Controlerele de încărcare MPPT pot urmări punctul de puterea maximă a unui sistem de panouri fotovoltaice și să livreze o putere cu 10-25% mai mare decât ar putea da un controler PWM pentru același sistem. Aceștia fac acest lucru prin transformarea excesului de tensiune în curent utilizabil. O altă caracteristică a controlorilor de încărcare MPPT este capacitatea lor de a accepta o tensiune mai mare din sistemul de panouri pentru ieșirea unei tensiuni mai mici a baterie de stocare. Costurile controlerelor de încărcare este de obicei, cuprins între 50 și 750 USD în funcție de mărimea, tipul și caracteristicile acestuia [7].

2.4.4. Baterii de stocare pentru sisteme electrice solare.

Baterii de stocarea a energiei electrice pentru sisteme de energie regenerabilă vin în mai multe nivele de tensiuni, dar cele mai frecvente sunt cele de 6 și de 12 volți.

Cele mai utilizate tipuri de baterii în sistemele regenerabile sunt:

 Baterii acide cu plumb;

 Baterii sigilate cu absorbție de sticlă;

 Baterii cu electrolit stabilizat (sigilate cu celule in gel).

Bateriile acide cu plumb sunt cele mai rentabile. Ele necesită întreținere, care implică controlul tensiunii, și adăugând ocazional acid. În plus, bateriile pe bază de hidrogen, trebuie să fie depozitate într-o incintă ventilată. Din cauza problemelor de întreținere, unii oameni prefera baterii sigilate, care nu necesită întreținere. Din moment ce acestea sunt sigilate, ele nu au nevoie de aerisirea gazelor. Bateriile sigilate cu absorbție de sticlă costă mai mult și sunt mai sensibile la supraîncărcare decât cele acide cu plumb. Bateriile sigilate cu celule in gel sunt similare cu absorbție de sticlă în car acestea sunt, de asemenea sigilate și, prin urmare, nu necesită întreținere, dar tind să fie cele mai scumpe dintre cele trei tipuri existente. Durata de viață utilă pentru toate tipurile de baterii se măsoară, nu în unități de timp ci direct in numărul de cicluri de încărcare posibile: bateriile mai au scurgeri de fiecare dată când sunt utilizate, deci se obțin mai puține cicluri de încărcare. Bateriile sigilate nu tind să dureze atât timp cât bateriile acide. Bine întreținute bateriile acide pot avea o durata de funcționare de zece ani, iar bateriile sigilate au durata de aproape cinci ani. Alt factor de care se țin cont este că unele dintre aceste baterii cântăresc peste 90 de kilograme și, în funcție de capacitatea pe care o au, pot costa de la 20 la 1200 USD fiecare. Având în vedere problemele de întreținere, greutatea și cheltuielile de întreținere, pentru a alege bateriile de stocare a energiei trebuie multă atenție Planificarea pentru cinci zile a energiei stocate de baterie poate sa fie cea mai bună opțiune.

2.4.5. Invertor solar.

Fig .

Un invertor ia curentul continuu de la baterii și îl transformă în curent alternativ, care este folosit pentru cele mai comune sarcini electrice. Există două tipuri principale de invertoare, cu undă perfect sinusoidală și cu undă sinusoidală modificată.

Invertoarele cu undă perfect sinusoidală au nevoie de baterii de stocare. Invertoarele cu grila dreaptă legată nu folosesc baterii și invertoarele cu grilă capabilă pot lucra, fie cu sau fără baterii, în funcție de proiectarea sistemului. Există o gamă largă de invertoare disponibile având caracteristici adaptate nevoilor sistemului in situații diferite. Unele invertoare au integrat încărcătoare ca, astfel încât acestea să poată folosi alimentarea de la rețea pentru a încărca bateriile în timpul perioadelor fără soare. Invertoare cu încărcătoarele ca integrate pot fi de asemenea utilizat în asociere cu generatoare pe bază de combustibili fosili pentru încărcareabateriei sau pentru sarcini foarte mari. Invertoarele fără grilă pentru folosirea întregii case trebuie să aibă cutii adecvate de protecție și accesorii care să includă toate cabluri necesare. De obicei, invertoarele „pentru întreaga casă” sunt apreciate pentru producerea unei puteri de 2000 W putere continuă sau chiar mai mult. Invertoare fără grilă sunt cele care produc curent. Unele aparate (compresoare sau alte sarcini inductive) și echipamentele electronice foarte sensibile (încărcătoare de baterie fără fir, calculatoare, aparate stereo, etc.) nu vor funcționa corect cu undă sinusoidală modificată. Invertoare fără grilă au prețul cuprins între 100 și 3000 dolari în funcție de mărimea și de tipul acestuia.

Un invertor cu undă sinusoidală modificată se conectează direct la rețeaua de energie electrică fără utilizarea de baterii. Cu aceste invertoare, în cazul în care curentul scade, curentul din sistemul fotovoltaic scade de asemenea, pentru a proteja sistemul la avariile cauzate în timpul întreruperilor. Un invertor cu undă sinusoidală capabil să se conecteze atât la rețea și de asemenea să utilizeze baterii, este cel care are posibilitatea de a ridica puterea în timpul întreruperilor. Invertoarele cu undă sinusoidală modificată, produc în general peste 2000 W, si costă in jur de 2.000 – 4000 USD.

2.4.6. Deconectoare de rețea de curent continuu sau alternativ .

Nici un sistem electric complet nu poate exista fără Deconectoare de rețea. Deconectoare de rețea de curent continuu și alternativ ale unui sistem fotovoltaic sunt întrerupătoare manuale care sunt capabile de tăiere a puterii la și din invertor. Unele invertoare au deconectoare de rețea cu întrerupătoare integrate în structura lor. Alte sisteme utilizează un panou de putere integrat care să sprijine invertorul sau invertoarele asociate acestora pentru deconectare într-o anumită ordine. În alte cazuri, va trebui să cumpere separat deconectoare de rețea corespunzătoare, pentru a lucra cu un invertor. Deconectoarele de rețea sunt utilizate de personalul de serviciu sau de persoane autorizate (pompieri/poliție/lucrători din domeniul electric) pentru a opri de puterea surselor de energie regenerabilă de a ajunge la invertor. (Nu uitați că în cele mai multe invertoare există condensatori care pot deține o tensiune mortală de până la câteva minute după oprirea curentului. Consultați manualul invertorului pentru timpii de acces în condiții de siguranță). Deconectarea împiedică curentul produs de la a merge dincolo de punctul de deconectare de la o rețea de energie electrică sau de la componentele deteriorate. Proprietarii de case sau personalul autorizat poate folosi deconectarea pentru deenergizarea unui sistem de întreținere sau de service. Prețul deconectoarelor de rețea poate varia în jurul a 100 – 300 USD.

2.4.7. Diverse componente

Cabluri, conectori, conducte și alte componente din această categorie includ tot ceea ce ai nevoie pentru a conecta toate echipamentele împreună în condiții de siguranță. Ca și în majoritatea tehnologiilor de specialitate, există mai multe părți și instrumente implicate în instalarea corectă a unui sistem fotovoltaic eficient și în siguranță. Este responsabilitatea instalatorului de a avea o cunoaștere aprofundată a acestora, a normelor și reglementărilor referitoare la instalațiile electrice solare (NEC Secțiunea 690). Obținerea cunoștințelor necesare pentru proiectarea și instalarea unui sistem eficient nu doar asigură că sistemul fotovoltaic va satisface nevoile în mod eficient, dar, de asemenea, ține casa în condiții de siguranță și ajută la promovarea acceptării energiei regenerabile ca sursă de energie prin

3. MODELAREA ȘI SIMULAREA UNUI SISTEM DE CONVERSIE A

ENERGIEI FOTOVOLTAICE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ DE CURENT

ALTERNATIV.

Capacitatea maximă pentru extragerea puterii pentru panouri fotovoltaice este

realizată prin metode dinamice și statice. În metodele dinamice punctul de putere

maximă (MPP) este atins prin urmărirea mișcării soarelui. Această premisă nu este

potrivită în cazul conversiei fotovoltaice cu module de capacitate mică și medie din

motivul energiei consumate și a costului mare. Metoda statică [11], folosită pentru

modulele de mică capacitate, depistează punctul de putere maximă utilizând

convertore de putere cu frecvențe înalte prin intermediul cărora se ajustează în mod

continuu punctul de funcționare maxim.

Literatura de specialitate descrie câteva modalități de urmărire a punctului de

putere maximă pentru un modul fotovoltaic. Metoda cea mai utilizată în abordările de

stabilire a punctului de putere maximă este metoda “perturbă și observă” (P&O).

Această metodă modifică în continuu nivelul de operare a panoului solar prin

observarea efectelor la puterea emisă de panoul solar și mărirea respectiv scăderea

tensiunii de funcționare a panoului fotovoltaic [11]. Metoda are la bază minimizarea

erorilor dintre tensiunea dată de panoul fotovoltaic și o tensiune de referință variabilă

sau fixă [13].

3.1. MODELAREA PUTERE-TENSIUNE A UNUI PANOU FOTOVOLTAIC

Modelul cel mai simplu pentru o celulă solară, derivat din caracteristica fizică a

acesteia, este reprezentat de modelul cu o diodă. Circuitul echivalent pentru o celulă

fotovoltaică este reprezentat în figura 3.1, în care sursa de curent furnizează un curent direct proporțional cu nivelul radiației solare [11].

DE ADAUGAT Circuit echivalent pentru o celulă fotovoltaică.

Legătura dintre tensiunea și curentul de ieșire este realizată de modelul

matematic prezentat de următoarele relații [11]:

in care:

 Iph reprezintă curentul fotovoltaic emis;

 I0 reprezintă curentul prin diodă;

 m reprezintă factorul ideal pentru diodă;

 Rs și Rp sunt rezistențe serie respectiv paralel;

 Vt reprezintă tensiunea termică.

În figurile – și respectiv – sunt date caracteristicile curent-tensiune și

putere-tensiune, ale unui panou fotovoltaic pentru diverse trepte ale radiației.

De adaugat Caracteristica curent-tensiune pentru un panou fotovoltaic.

De adaugat Caracteristica putere-tensiune pentru un panou fotovoltaic.

De adaugat Caracteristica curent-tensiune pentru un panou fotovoltaic supus unei radiații de 1000 W/m2 , și la diferite niveluri ale temperaturii.

De adaugat Caracteristica putere tensiune pentru un panou fotovoltaic la temperatura

constantă de 25° C și la un prag al radiației S.

De adaugat Caracteristica putere-tensiune a unui modul fotovoltaic pentru o radiație de 1000 W/m2 și valori diferite de temperatură T.

3.2. MODELAREA UNUI CONVERTOR

Energia electrică generată de fotovoltaice, este produsă direct, cu ajutorul

celulelor semiconductoare de siliciu, prin intermediul energiei radiației solare.

Optimizarea conversiei energetice este asigurată de convertoarele statice de putere.

În figura – este reprezentată schema bloc pentru o astfel de modalitate de

conversie a energiei [10].

De adaugat Producerea energiei electrice prin conversie fotovoltaică.

Echipamente electronice pentru conversia energiei fotovoltaice.

De adaugat Convertor unidirecțional pentru sisteme fotovoltaice [12].

Pentru panouri fotovoltaice tensiunea de ieșire este de 100 V, aceasta fiind

variabilă în funcție de sarcina celulei respectiv în funcție de poziția soarelui. Rezultă

că tensiunea trebuie să fie amplificată prin intermediul unui invertor-transformator

conform figurii 3.9, până în jurul valorii de 800 V. Stocarea energiei se face prin mai

multe metode, în cazul figurii 3.10 folosindu-se baterii Pb-acid care, din motive

economice și tehnice sunt alese la tensiunea de 120 V. Conectarea modulului

fotovoltaic la rețea se face cu ajutorul unui sistem bidirecțional prin care se asigură

un ciclu optim al încărcării și al descărcării bateriei [12].

De adaugat Convertizor bidirecțional de încărcare și descărcare a acumulatorului [12].

De adaugat De adaugat Egalizator de putere [12].

Din motivul că sarcinile pe părțile de -800 V respectiv +800 V, ale sistemului,

pot sa fie diferite, aceasta având consecințe defavorabile pentru funcționarea

sistemului, se utilizează un egalizator de putere. În figura 3.11, este prezentat un

astfel de circuit, realizat dintr-un transformator de izolare care transferă sarcina între

sisteme și două invertoare monofazate cu tranzistoare IGBT. Aceste invertoare sunt

proiectate pentru a funcționa la frecvența de 50 kHz, asigurând un gabarit redus al

sistemului [12].

De adaugat Schema electrică a convertorului.

În figura –- este reprezentat circuitul electric al unui convertor. Prin varierea

ciclului D, comutatorul este utilizat pentru modularea transferului de energie de la

sursă către sarcină. Relația de legătură dintre tensiunea de ieșire și de intrare a

convertorului de energie este dată de ecuația –:

Dependența dintre starea activă și câștigul de tensiune a convertorului, nu

este liniară. Câștigul de tensiune, scade respectiv crește prin descreșterea respectiv

creșterea stării active a convertorului. Astfel, crescând sau scăzând starea activă a

convertorului rezultă deplasarea punctului de funcționare a panoului solar, pe

caracteristica curent-tensiune, către dreapta sau către stânga.

Circuitul echivalent a convertorului în stările pornit și oprit ale comutatorului

este prezentat în figura –-.

De adaugat Circuite echivalente pentru convertor în stările pornit și oprit

stare pornit, b) stare oprit.

Stare pornit

Starea pornit este exprimată de relațiile –:

Stare oprit

Starea oprit este dată de relațiile următoare:

Dacă se presupune că acest convertor funcționează în regimul conducție

continuă, modelul uzual este exprimat prin ecuațiile următoare:

4. DIMENSIONAREA ȘI OPTIMIZAREA UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC

4.1. NECESAR DE ENERGIE ELECTRICĂ

Se propune proiectarea și analiza unui sistem fotovoltaic pentru asigurarea

alimentarea necesarului de energie electrică pentru consumatori casnici, având

următoarele consumuri:

De adaugat tabel Consumul de energie electrică considerat.

Energia electrică de care are nevoie consumatorul casnic este de 275,47 KWh

pe lună, respectiv 9,18 KWh pe zi.

4.2. DATE METEO.

Fără datele climatice, nu se poate face calculul necesarului și consumului de

energie. Pentru a afla energia solară disponibilă în zona Birla se folosește

aplicația online de pe site-ul https://ec.europa.eu/jrc/en/pvgis .

De adaugat Sistem Geografic de Informare PV (SGIPV) – alegere zona Birla

4.2.1. Iradierea solară lunară

Estimările medii lunare Sistem Geografic de Informare PV (SGIPV –

Photovoltaic Geographical Information System) pe termen lung:

 localizare: Birla 44.435, 24.783.;

 baze de date ale radiației solare utilizate: PVGIS – clasic;

 unghi optim de înclinare: 40 grade;

 deficitul de iradiere anual cauza de umbrire (orizontal): 0,0%.

De adaugat tabel Estimările iradierii solare lunare zona Birla.

*Sursa: PVGIS © Comunitățile Europene, 2011-2016

De adaugat Reprezentări grafice ale iradierii solare lunare în zona Birla

* Sursa: PVGIS © Comunitățile Europene, 2011-2016.

4.2.2. Performanța rețelei pv conectate.

Estimările PVGIS de producere a energiei electrice solare:

 localizare: Birla 44.435, 24.783

 baze de date ale radiației solare utilizate: PVGIS – clasic

 puterea nominală pentru sistemul PV: 0.1 kW (siliciu cristalin);

 pierderile estimate din cauza temperaturii: 8,8% (folosind temperatura

ambiantă locale);

 pierderea estimată din cauza efectelor de reflexie unghiulară: 2,8%;

 alte pierderi (cabluri, etc. invertor): 14,0%;

 pierderi combinate ale sistemului de PV: 23,8%.

De adaugat tabel Estimarea PVGIS de producere a energiei electrice solare.

unde:

 Ed: producția medie zilnică de energie electrică din sistemul respectiv (kWh)

 Em: producția medie lunară de energie electrică din sistemul respectiv (kWh)

 Hd: suma medie zilnică de iradiere la nivel mondial pe metru pătrat primită de

PV respectiv (kWh/m2)

 HM: suma medie de iradierii la nivel mondial pe metru pătrat primită de PV

respectiv (kWh/m2)

De adaugat Producția de energie lunara unghi – fix din sistemul PV.

De adaugat Iradiere lunară în plan pentru unghi fix.

4.2.3. Media zilnică a iradierii solare.

Estimările PVGIS ale profilelor medii zilnice:

 rezultate pentru: ianuarie;

 baze de date ale radiației solare utilizate: PVGIS – clasic;

 înclinarea planului: 35 grade;

 orientarea (azimut) planului: 0 grade.

De adaugat tabel Estimarea mediei zilnice a iradierii solare în zona Birla.

*Timpul indicat este ora solară locală. Pentru ora GMT se adaugă -1.79 ore

unde:

 G(i) – iradianța globală pe un plan fix (W/m2)

 Gb(i) – iradianța directa pe un plan fix (W/m2)

 Gd(i) – iradianța difuza pe un plan fix (W/m2)

 Gd(i) – iradianța globală cer senin pe un plan fix (W/m2)

De adaugat Iradianța zilnică pe un plan fix.

4.3. ALEGEREA PANOULUI FOTOVOLTAIC.

Se utilizează panou fotovoltaic , policristalin ,TALESUN , 275W , 31,7V , 8,6 A .

Firma distribuitoare si care realizeaza montajul este ROMSTAL. Producatorul TALESUN SOLAR GERMANY GMBH.

În alegerea tipului de panoului solar sau avut in vedere următoarele:

Panou fotovoltaic policristalin cu geam protector, tratat termic si de structura prismática;

Rama este confectionata din aluminiu anodizat. Tehnologia de fabricatie de ultima generatie, asigura eficienta inalta si performanta pe termen lung;

60 celule (610);

PID free;

Rezistenta la: vant pana la 2400 [Pa] si la zapada pana la 5400 [Pa];

Conectori compatibili cu MC4;

Garantie eficienta: peste 90 [% ] in primii 10 ani si peste 80 [%] pana in 25 ani.

Fig . Panou fotovoltaic.

Tabel : Specificatii tehnice

4.4. ALEGEREA BATERIILOR DE STOCARE .

Principala caracteristică de alegere a acumulatorului este tensiunea acestuia dar de asemenea este importantă și capacitatea lui.

Dimensionarea bateriei trebuie să țină cont de durata în care panourile solare un furnizează energie în timp ce circuitele de utilizare consumă.

Acumulatorul trebuie să aibă o capacitate suficienta de a stoca energía furnizată de panouri pentru perioadele de reîncărcare între două sejururi.

În funcție de energia furnizata de panourile fotovoltaice și de independenta energetică de 1 zi fără producere de energie de la panou în care se dorește funcționarea la minimul necesar.

De aceea bateriile alese sunt : BATERIE AGM 12V/220AH MEGALIGHT AGM.

Fig . Baterii de stocare.

Tabel. Specificatii tehnice.

Caracteristici principale.

Baterie 100% rezistenta la apa , recomandat pentru utilizarea in spatii inchise ;

Mai mult de 500 de cicluri la o rata de descarcare de 75%;

Mai mult de 1000 de cicluri conform IEC (aplicatie instalatii fotovoltaice PVES);

Durata de viata lunga;

Nu necesita intretinere;

Fiabilitate imbunatatita si o manevrare sigura.

Monbat este lider european în fabricarea bateriilor tip plumb-acid utilizabile pentru diverse aplicații. Gama de baterii MegaLight sunt destinate uzului intern în cadrul sistemelor ce utilizează surse de energie regenerabilă. Bateria MegaLight poate face parte din alcătuirea sistemului solar fotovoltaic alături de panouri fotovolatice, invertor solar și controller.

Bateria solară are rolul de a stoca energia, care poate fi utilizată ulterior sau poate fi redistribuită către rețeaua de electricitate. Bateria MegaLight se remarcă prin caracteristici îmbunătățite, având următoarele avantaje:

este 100% etanșă

este perfectă pentru uzul în interior

este simplu de utilizat și nu necesită nici un fel de întreținere

are descărcare foarte lentă, ceea ce asigură o durată de viață prelungită

are performanțe notabile în ceea ce privește rezistența și fiabiliatea.

4.5. ALEGEREA INVERTORULUI.

Invertorul ales este : INVERTOR HIBRID OFF GRID, VICTRON EASYSOLAR, 3000VA 48V 35 A .

Invertor hibird cu afisaj cu panou de control color, combina un sistem de urmarire a punctului de putere maxima cu panou de comanda cu incarcare solara, un invertor/incarcator si un distribuitor de curent alternativi ntr-o singura carcasa.Se monteaza usor cu un minim de conexiuni.
Panou comanda color cu doua functii:

-prioritizarea incarcarii bateriilor cu ajutorul sistemului de control MPPT;
-conexiunea la internet permite monitorizarea si controlul de la distanta.

Distribuitorul de curent alternativ este compus din sigurante bloc de 30 mA/63A si patru iesi de curent alternativ protejate de intrerupatoare de 10A si 16A.
O tehnologie unica de protectie la supra-sarcina prin adaugare de putere la invertor cand este necesara denumita PowerAssist.

Fig Invertor .

Tabel . Specificatii tehnice.

4.6. DIVERSE COMPONENTE.

Pe langa componentele prezentate mai sus kitul de fotovoltaice ales contine si :

Repartitor modul 4P 100A 4 module 4X7 gauri;

Separator pentru Fuzibile PFV EFH 10 DC 1P;

Sigurante Fuzibile PFV CH 10×38 GPV 15A;

Descarcator PFV TIP 2/C-PV 550V;

Conector PFV MC4 (SET 2 BUC F-M);

Cofret Apar Mini Pragma 1RX12M IP40.

De asemenea kiturile OFF-GRID conțin echipamentele de bază obligatorii. La acestea se vor adăuga accesoriile necesare în funcție de specificul fiecărui proiect:

sistem de fixare panouri fotovoltaice, care se va dimensiona in functie de tipul acoperisului pe care se monteaza panourile.

conductori solari, care se vor dimensiona in functie de distanta de la panourile fotovoltaice pana la locul de amplasare al controlerului de incarcare acumulatori si al invertorului.

Fig . Repartitor modul 4P 100A.

Fig . Separator pentru Fuzibile PFV EFH 10 DC 1P.

Fig . Sigurante Fuzibile PFV CH 10×38 GPV 15 A .

Fig . Descarcator PFV TIP 2/C-PV 550V.

Fig. Conector PFV MC4 (SET 2 BUC F-M).

Fig. Cofret Apar Mini Pragma 1RX12M IP40.

4.7. SISTEME DE FIXARE PANOURI FOTOVOLTAICE FIXE

Pentru kitul prezentat mai sus suportul panoului propriu-zi este ales in functie de dimensiunile panourilor , de tipul de acoperis pe care vor fi móntate .

Fig . Suport de fixare panou fotovoltaic.

4.8. SOLUTIA DE OPTIMIZARE A SISTEMULUI FOTOVOLTAIC.

Optimizatorul de putere SOLAR EDGE este un convertizor CC/CC care se conectează la fiecare modul solar fotovoltaic, transformându-l astfel în modul inteligent. Optimizatoarele de putere SOLAR EDGE cresc producția de energie electrică a modulelor fotovoltaive prin monitorizarea permanentă a punctului de putere maximă (MPPT) a fiecărui modul în parte. În plus, optimizatorul de putere urmărește performanța fiecărui modul și comunică datele culese către platforma de supraveghere SOLAR EDGE pentru a asigura o mentenanță performantă cu costuri scăzute. Fiecare optimizator este echipat cu funcția SafeDC care reduce în mod automat tensiunea de CC a modulelor la un nivel de securitate când invertorul nu funcționează sau este întreruptă alimentarea cu CA de la rețea. Monitorizarea la nivel de modul a MPPT permite proiectarea unui sistem fotovoltaic flexibil, cu posibilitatea de a avea mai multe orientări ale modulelor aceluiași șir, șirurile să conțină diferite tipuri de module fotovoltaice, cu înclinări diferite sau cu lungimi diferite ale șirurilor.

În sistemele fotovoltaice, fiecare modul are punctul de putere maximă care îi este propriu. În timpul utilizării, diferențele dintre module sunt invitabile. În sistemele care folosesc invertoare tradiționale, modulul cu putere mai mică reduce puterea tuturor modulelor din șir la nivelul acestuia.

Cu sitemul SOLAR EDGE fiecare modul produce la putere maximă și sunt eliminate pierderile de putere datorate diferențelor dintre module.

Cauzele care pot duce la difenețe de putere dintre module:

diferență de putere datorată toleranței de fabricație care poate fi de ±3%;

murdărie, umbrire, Frunze;

îmbătrânire inegală a panourilor.

Fig .Optimizator sisteme panouri fotovoltaice.

4.8.1. Incarcarea si descarcarea bateriei cu ajutorul unui regulator .

Interfața StorEdge SESTI este interfața dintre invertor și baterie. Soluția StorEdge poate fi folosită pentru a crește independemța energetică prin utilizarea unei baterii cu scopul de a soca și a utiliza energia după necesități. În scopul de a optimiza autoconsumul, bateria este încărcată și descărcată automat în funcție de necesitățile casei și astfel se reduce consumul de energie din rețea.

Avantajele sistemului:

crește eficacitatea sistemului fotovoltaic;

control al stării bateriei, al producției de energie a modulelor fotovoltaice informații privind autoconsumul;

acces de la distanță la programul invertorului și la baterie;

consum inteligent al energiei care duce la reducerea consumului de energie de la rețea.

Fig. Regulator incarcare baterie

4.9. COSTUL IMPLEMENTARII UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC IN ZONA RURALA .

Datorita sistemului fotovoltaic ales costul intregului sistem este de 21,300 RON aproximativ 4500 EUR.

In mod normal , daca componenetele sistemului ce trebuie implementat sunt achizitionate separate costul sistemului este mult mai mare .

Incercarea de a se ajunge la implementarea in masa larga a acestor sisteme duce la o actiune intreprinsa de autoritati prin care putem accesa fonduri care san e ajute sa avem propria energie electrica cu ajutorul soarelui .

Aceasta initiativa a companiei Enel impreuna cu Administratia Fondului de Mediu (AFM) prevede faptul ca statul suportă 20.000 de lei, sau 90% din valoarea instalației ceea ce înseamnă că avansul plătit de beneficiar este de circa 2.000 de lei.

( https://www.economica.net/panouri-fotovoltaice-acasa-enel-pret-instalare-montaj-subventie-persoane-fizice-panouri-solare-ghid_173374.html )

In drumul lung care ne va duce la crearea energiei electrice cu surse regenerabile , avem nevoie , astfel de multe informatii si documentatie ,car ene poate fi oferita de specialisti ce deja intreprind actiuni marete pentru o planeta mai curata.

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

[1] https://www.romstal.ro/panou-fotovoltaic-policristalin-talesun-275w-31-7v-8-69a-p14741006.html

[2] https://www.romstal.ro/invertor-hibrid-victron-easysolar-48-3000-35-mppt-150-70-color-control-p14738795.html

[3] https://www.romstal.ro/baterie-gel-12v-220ah-megalight-agm-p2346858.html

[4] https://www.romstal.ro/repartitor-modular-bloc-conexiuni-4p-100a-4module-4×7-gauri-3x10mmp-3x16mmp-1x25mmp-p9277.html

[5] https://www.romstal.ro/separator-pentru-sigurante-fuzibile-panouri-fotovoltaice-efh-10-dc-1p-p14737629.html

[6] https://www.romstal.ro/sigurante-fuzibile-pentru-panouri-fotovoltaice-ch-10×38-gpv-15a-p14737631.html

[7] https://www.romstal.ro/descarcator-pentru-panouri-fotovoltaice-tip-2-c-pv-550v-p14737634.html

[8] https://www.romstal.ro/cofret-modular-aparent-mini-pragma-nou-1rx12module-ip40-p10853.html

[9] https://www.romstal.ro/conector-panouri-fotovoltaice-mc4-set-2-buc-f-m-p8396402.html

[10] https://www.romstal.ro/pachet-fotovoltaic-off-grid-victron-3kva-2-4kw-p14740254.html

[11] https://www.romstal.ro/clema-prindere-pt-suport-panou-solar-acoperis-inclinat-tip-at-recomandata-pt-tabla-p52026.html

[12] https://www.romstal.ro/suport-fixare-pt-panou-solar-calpak-2xm4-210-2xes-2-02-2-52-acoperis-inclinat-cleme-agg-p52022.html

[13] http://www.ludoterm.ro/ro/prod/sesti-regulator-incarcare-baterie/furnizori/solar-edge-495/

[14] http://www.ludoterm.ro/ro/prod/optimizator-de-putere/furnizori/solar-edge-491/

[15] http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_1.pdf

ANEXE

1.

2.

3.

4.

5.

6.