Memoriu justificativ: [307962]

Memoriu justificativ:

[anonimizat], vântul, mareea, [anonimizat], se numeste energie regenerabilă. [anonimizat], [anonimizat] .

Criza mondială de energie ce derivă din epuizarea sau exploatarea din ce în ce mai grea a surselor de energie convenționale, a oferit un impuls pentru creșterea și dezvoltarea surselor de energie curate și regenerabile. Mecanismele de dezvoltare curată ([anonimizat]) sunt adoptate de către organizațiile din intreaga lume.

Un alt avantaj de utilizare a resurselor regenerabile față de metodele convenționale este scăderea nivelului de poluare. Costul energiei convenționale este în creștere și practic energia solară apare acum ca o alternativă promițătoare.

[anonimizat] , distribuită pe tot Pământul și tot odată reciclabilă.

[anonimizat]. [anonimizat] a [anonimizat] o mare importanță.

Rezumat:

[anonimizat].

Capitolul 1. Energia regenerabilă prezintă o scurtă trecere prin noțiunile de bază ce țin de energie, o statistică a [anonimizat].

Capitolul 2. Radiația solară începe prin a prezenta noțiunile generale despre radiația solara și modalitățile de captare a acesteia folosind sisteme de conversie a energiei solare. [anonimizat], [anonimizat].

Capitolul 3. Modelarea și simularea componentelor sitemului fotovoltaic prezintă câteva modalități de modelare în mediul de lucru Matlab/Simulink a matricelor PV, a [anonimizat] a punctului maxim de putere MPPT folosind metoda “perturbă și observă”. De asemenea sunt prezentate și efectele de umbrire parțială în caracteristicile rețelei PV.

Capitolul 4. Rezultate experimentale prezintă rezultatele obținute prin simularea modelelor sistemelor PV folosind componentele prezentate în capitolul anterior.

Introducere:

Probabil, [anonimizat].

Soluția, [anonimizat] a consumului de energie de către fiecare persoana în plus față de o descentralizare masivă a producției. Se poate crede că în scopul de a [anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat], precum și activitățile asociate cum ar fi transportul de marfă sau turismul.

[anonimizat]babil proiectarea de noi aparate manuale. Ar fi ca și cum am întoarce timpul înapoi. Dar este clar că astfel de idei sunt contradictorii cu modelele economiei actuale de piață și a globalizării.

Omenirea caută în permanență alte surse de energie care să le înlocuiască pe cele vechi. Petrolul sau combustibilii fosili nu se vor mai găsi peste câteva decenii, iar locuitorii Terrei au nevoie de energie care să fie ieftină sau să nu polueze: energia regenerabilă.

În prezent există multe surse de energie care sunt regenerabile și prietenoase cu mediul. Acestea sunt mai ”curate” și cu siguranță mai ieftine. Printre acestea se enumeră potențialul neutilizat de biomasă, energie solară, hidro, eoliană și geotermală.

Tehnologia fotovoltaica în realitate datează de peste 160 de ani. Știința de bază a fost descoperită în anul 1839, dar a evoluat foarte mult în două unități majore în secolul 20. Laboratoarele Bell înființate în 1925 de către Alexander Graham Bell, descoperă că un redreor cu silicon are atribute fotoelectrice, producea mai mult curent când era expus la soare.

Prin urmare în anul 1953, această organizație de cercetare dezvoltă primele celule solare din siliciu. Eficiența acestora a fost mărită ulterior, pana la 6% prin schimbarea impurificării siliciului cu arsen. În anul 1958 s-a testat pentru prima dată celulele solare pe satelitul Vanguard I ce era dotat cu un panou solar cu 108 celule solare pe bază de siliciu. Testele experimentale au avut un real scucces și astfel până în ziua de azi sondele spațiale sunt alimentate cu curent produs de celulele solare.

Scopul acestei lucrari este acela de a prezenta o imagine de ansamblu asupra sistemelor de conversie a energiei solare de la design pana la simularea unui sistem fotovoltaic.

Se vor utiliza ca și mediu de lucru Matlab și Simulink. Lucrarea include modele pentru celula solara fotovoltaica (PV), convertorul DC-DC Buck și algoritmul MPPT.

Capitolul 1: Energia regenerabilă:

Noțiuni de bază: energia, lucrul mecanic, forța, puterea :

Noțiunea energie, evident, este una fundamentală în fizica contemporană. Cuvântul “energie” provine de la “ergon” din limba greacă ce înseamnă lucru. Energia este lucrul mecanic efectuat împotriva forței de rezistență și atât energia cât și lucrul mecanic au în sistemul SI (Sistemul internațional de unități) una și aceiași unitate de măsură – joule (J) egal cu produsul dintre newton (N) și metru (m).

Puterea este o altă noțiune fizică, strâns legată de energie și adesea confundată, ce este definită ca și lucru mecanic efectuat – sau energia primită (cedată)- într-o unitate de timp și se determină ca și raport dintre energie și timp. Unitatea de măsură în sistemul SI al puterii este watt-ul (W) egal cu raportul dintre joule și secundă.

Cele mai răspândite și uzuale forme de energie sunt: electrică, termică, nucleară, chimică și electromagnetică. Toate aceste forme de energie se pot transforama unele în altele, prin procese adecvate. În procesul transformării energia cinetică sau potențială poate crește sau se poate micșora însă suma celor două energii rămâne constantă.

Toate formele de energie tind să se transforme în căldură, astfel energia care nu este transformată în lucru mecanic util este disipată sub formă de căldură de frecare, iar pierderile din circuitele electrice sunt în principal sub formă de caldură, numit și effect caloric.

Energia electrică reprezintă un flux de particule încărcate cu sarcină electrică numite electroni și ioni. Mișcarea particulelor este produsă de forța câmpului electric cauzată de diferența de potențial. Eletronii în metale se mișcă de la atom la atom, iar în gaze și lichide purtătorii principali de sarcină sunt ionii pozitivi și negativi. Odată ce purtătorii de sarcină se mișcă înseamnă că ei sunt încărcați cu energie cinetică. Astfel, energia electrică este o formă a energiei cinetice la nivel micro.

Energia chimică este înmagazinată în asocierile atmilor în molocule. Când diferite elemente chimice reacționează între ele aceste legături se rup sau se modifică, adesea generând energie în formă de caldură. La nivel micro, energia surselor fosile de energie (cum ar fi: petrolul, gazele naturale, cărbunele, lemnele etc.) sunt considerate ca energie potențială a legăturilor atomice, care în procesul de ardere se rup, se modifică și se emană energie. De exmplu, când lemnul arde are loc reacția dintre carbonul din masa lemnoasă și oxigenul din aer. În urma acestui procedeu de ardere se formează un nou produs chimic, bioxidul de carbon CO2 și în același timp se degajă energie în formă de căldură și radiație (lumină).

Energia termică reprezintă suma energiei cinetice și potențiale ale tuturor atomilor și moleculelor în mișcare și care formează un corp solid, lichid sau gazos. Temperatura corpului crește cu cât viteza de mișcare a atomilor și a moleculelor este mai mare.

Energia nucleară, numită și energie atomică este definită ca energie eliberată în procesele care afectează nucleul atomic. Această formă de energie este eliberată prin reacții nucleare de fisiune și de fuziune sau prin dezintegrare radioactivă.

Energia electromagnetică este cantitatea de energie stocată într-o regiune a spațiului care poate fi atribuită prezenței unui câmp electromagnetic, și se exprimă în functie de intensitățile câmpului magnetic și a câmpului electric. Acest tip de energie este transmis prin intermediul undelor cu diferite lungimi începând cu undele radio și terminând cu razele X.

Energia solară reprezintă un exemplu semnificativ de energie electromagnetică care prezintă un spectru de unde electromagnetice de diferite lungimi, cu ajutorul cărora energia soarelui ajunge la suprafața pământului. Unda electromagnetică are proprietăți de particulă, care se mișcă cu viteza luminii.

Energia primară – livrată și utilă:

În categoria surselor de energie primară intră toate formele de energie care pot fi preluate și valorificate în mod direct. Principalele surse originale sunt combustibilii fosili (gaze naturale, petrolul și cărbunele), biocombustibili (lemne de foc, deșeuri lemnoase, etc.) și surse regnerabile de energie cum ar fi cea solară, eoliană, hidraulică și geotermală.

Energia utilizată de oameni este cea rezultată în urma conversiei energiei primare, adică energie termice, electrice, mecanice, etc. Consumatorul este interesat în satisfacerea necesităților energetice, utilizând formele de energie pentru încălzire, pentru iluminat, transport și producerea bunurilor materiale. Pentru consumator este importantă cantitatea de energie livrată, forma de energie utilă de care are nevoie , cât de mari sunt pierderile de energie și nu în ultimul rând cât trebuie să plătească pentru energia livrată.

În figurile 1.1 și 1.2 sunt prezentate două sisteme de producere a energiei electrice: de gaz natural la o centrală termică și prin conversia energiei solare în energie electrică folosind module fotovoltaice (PV).

Energia primară folosită pentru a produce energie electrica în centralele electrice termice- CET (energia combustibilului fosil se transformă în energie termică a aburului, apoi în energie mecanică și ulterior în energie electrică) se determină prin înmulțirea cantității de energie electrică produsă la 3 sau a împărțirii la 0,33 , valoare ce reprezintă randamentul mediu al CET-ului.

Contribuția energiei primare la producerea energiei electrice hidraulice, eoliene sau din alte surse regenerabile se consideră echivalentă cu cantitatea de energie electrică. Prin urmare, în cazul producerii energiei electrice din surse regenerabile nu se ia în considerație randamentul procesului de conversie.

Figura1.1. Sistem de producere a energiei electrice la o central termică

În cazul energiei solare, valoarea randamentului procesului de conversie (SRE) are o importanță majoră, cu cât este mai mare cu atât costul unității de energie electrică produsă va fi mai mic. Eficiența globală a conversiei energiei se determină ca raportul energiei utile la energia primară solară pe suprafața modulului PV.

Energia utilă este relativ mai mare decât în cazul utilizării energiei primare fosile. Deși la producerea unei unități de energie electrică dintr-o sursă regenerabilă se cheltuie aceiași unitate de energie primară care circulă în mediul ambient, aceasta nu schimbă echilibrul natural cum se întâmplă în cazul energiei provenite din surse fosile.

Ambele conversii de energie, fosilă sau regenerabilă, se caracterizează prin factorul de eficiență E; cu cât eficiența este mai mare cu atât mai puțină energie primară se va cheltui la intrare pentru a produce o unitate de energie la ieșire.

Figura 1.2 Sistem de producere a energiei electrice folosind sisteme fotovoltaice

Tipuri de energie regenerabilă:

Energia solară: Soarele este cea mai apropiată stea de noi și cea mai mare sursă de energie din sistemul solar. Aproape toată energia de pe Pământ provine din această sursă. Soarele încălzește în mod inegal atmosfera terestră, creând o diferență de energii cinetice, sursa vânturilor. Căldura cauzează evaporarea și condensarea vaporilor de apă în straturile superioare scoarței terestre, iar de aici rezultă potențialul hidroenergetic al râurilor. Fotosinteza favorizează creșterea plantelor și creerea de combustibili fosili pe termen îndelungat. Se estimează că Soarele există de 5 miliarde de ani, prin urmare energia solară este practic inepuizabilă.

Energia eoliană: este energia vântului. La început acest tip de energie este transformată în energie mecanică. Ea a fost folosită de la începutul omenirii ca mijloc de propulsie pe apa pentru diverse ambarcațiuni, iar ceva mai tărziu ca energie pentru morile de vânt. Tehnologia acestora a avansat în timp și în prezent sunt folosite turbine eoliene moderne pentru transformarea energiei vântului în energie electrică, producând între 500-1500KW. În România, se estimează că Dobrogea va deveni, în câțiva ani, cel mai mare parc eolian din Europa cu o putere instalată ce ar putea depași 4.000 de megawati (Mw).

Energia geotermală: este obținută din căldura aflată în interiorul Pământului. Resursele geotermice cu o temperatură ridicată (150⁰-300⁰) sunt popmpate la suprafață , unde, prin intermediul unor schimbări de căldură, se formează vapori care sunt utilizați ulterior în turbine, ca și în cazul centralelor termice clasice și astfel se produce electricitatea. Resursele cu o temperatură scăzută sunt extrase cu ajutorul unor pompe termice, în scopul eliberării unei cantități de căldură pentru diferite necesități. Potențialul geotermic natural este limitat datorită temperaturilor ridicate în zone unde nu există apă.

Energia din biomasă: se eliberează prin procesul chimic de adere a biocarburanților. Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și rezidurilor din agricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultura și industriile conexe, precum partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. (Definiție cuprinsă în Hotărârea nr 1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanțior și a altor carburanți regenerabili pentru transport). Aceasta este practic prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului. Biomasa, ca energie alternativă, contribuie în prezent cu 14% din consumul modial de energie primară.

Capitol 2. Radiația solară

2.1. Introducere :

Radiația solară reprezintă radiația electromagnetică emisă de soare și are lungimi de undă cuprinse în gama (0.2-2.5) μm din întregul spectru al undelor elecromagnetice. În continuare sunt prezentate câteva definii utile pentru înțelegerea corectă a radiației.

Iradiația numită și iluminare, se măsoară în W/𝑚2 și reprezintă densistatea de putere instantanee a radiației solare. Spre exemplu, dacă în fiecare secundă pe un metru pătrat de suprafață ajunge un flux de energie egal cu 1000 J, atunci iradiația va fi egală cu 1000 W/𝑚2. Aceasta reprezintă și energia termică maximă unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeței Pamântului, perpendicular pe direcția razelor solare, pentru condițiile în care cerul este senin și lipsit de poluare în jurul prânzului.

Figura 2.1 Raportul dintre radiația difuză și radiația directă

În graficul din figura 2.1 de mai sus se prezintă raportul dintre radiația difuză și radiația directă, în radiația globală. Se remarcă faptul că radiația difuză prezintă o pondere mai mare decât radiația directă.

Iradierea numită și expunere, este măsurată în MJ/𝑚2 sau kWh/𝑚2 și reprezintă densitatea de energie a radiației solare. Insolația este un termen mai vechi folosit pentru a specifica iradierea solară.

În momentul în care radiația solară trece prin atmosfera Pământului, o parte din aceasta este absorbită, încălzind aerul, o altă parte este difuzată de vaporii de apă, moleculele aerului, pulberile din atmosfera, bioxidul de carbon, etc. . Aceasta reprezintă radiația solară difuză și este prezentă întotdeauna, chiar și într-o zi senina. Cea mai mare parte a radiației solare care ajunge pe suprafața Pământului constituie radiația solară directă. Dacă cerul este acoperit de nori, atunci radiația directă este egala cu zero și este prezentă doar radiația difuză. Suma acestor două componente reprezintă radiația solară globală pe o suprafață oarecare.

Densitatea de putere radiantă în spațiul extraterestru este constantă și egală cu 1367 W/𝑚2, reprezentând o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliților de cercetare științifică. Pământul obține aceeași cantitate de energie calculată prin înmulțirea desității la suprafața expusă iradierii într-un interval de timp dorit (o secunda, un minunt, o ora, o zi , etc.). Astfel, denistatea medie de putere radiantă captată de pământ va fi exprimată prin fromula:

(1)

unde suprafața expusa iradierii este egală cu 𝜋, iar R este raza pământului, iar suprafața totală a globului pământesc fiind egală cu 4 𝜋.

Radiația solară este influențată de unii paramantrii cum ar fi:

Unghiul de înclinare a axei Pământului;

Înălțimea soarelui pe cer- unghiul format de direcția razelor soarelui cu planul orizontal;

Modificarea distanței Soare- Pământ;

Latitudinea geografică.

Figura 2.2: Variația radiației solare în funcție de direcția razelor solare în funcție de atmosferă

2.2. Captarea radiației solare:

Pentru a se proiecta un sistem de conversie a energiei solare în energie termică sau electrică este necesar să se țină cont de factorii ce pot influența variația acestei funcții: latitudinea și altitudinea locului, anotimpul, ziua, ora , conținutul de vaporii de apă , de prag și aerosoli din atmosferă.

Pământul se rotește pe parcursul unui an în jurul soarelui și totodată, se rotește pe durata unei zile – 24 de ore, în jurul axei sale. Axa pământului este înclinată cu un unghi de 23.5⁰ față de planul perpendicular pe orbita din jurul soarelui. Acest unghi se numeste declinație și variază în funcție de solstițiul de vară de la +23.5⁰ până la -23.5⁰ în momentul solstițiului de iarnă. În perioada 21 martie – 21 septembrie declinația este egală cu zero și duratele de zi și noapte sunt egale. Pentru a se calcula acest unghi vom folosi următoarea ecuație:

(2).

Unghiul măsurat de la ecuator până la punctul dorit de pe suprafața pământului se consideră pozitiv pentru emisfera nordică și negativ pentru cea sudică și reprezintă latitudinea – ∅. Unghiul de înclinare a planului, α, reprezintă unghiul dintre suprafața în cauza și suprafața orizontală 0°≤α≤180°.

Conversia energie solară în energie termică se realizează în captori solari. Indiferent de tipul acestora, pentru ca randamntul conversiei să fie ridicat, este important ca orientarea captorilor spre Soare să fie cât mai corectă. Pentru a defini poziția captorilor solari se ține cont de unghiul de înclinare față de orizontală și respectiv unghiul azimutului (Figura 2.4). Acesta din urmă reprezintă orientarea față de direcția sudului.

Unghiul de înclinare optim care poate permite o captare optimă a radiației solare este de circa 15…55⁰, iar abaterea de la direcția Sud poate varia între -40⁰…+40⁰. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinate nu sunt recomandate deoarece sunt dispuse la murdărirea suprafeței captorilor și duce la scoaterea din uz într-un timp foarte scurt. Astfel montate se colectează în proporție de 90-95% din radiația solară.

Însă, tehnologia utilizată pentru construcția colectorilor solari are o mare importanță din punctul de vedere al capacității energiei solare captată.

Figura 2.4 Poziționarea panoului PV în funcție de unghiul α și 𝛿

2.3. Componentele unui sistem fotovoltaic (PV):

Conversia de energie solară în electricitate are loc într-un dispozitiv semiconductor și poartă denumirea de celulă solară. O astfel de celulă este o unitate care furnizează numai o anumită cantitate de energie electrică. Pentru a utiliza energia electrică solară pentru dispozitivele practice care necesită o anumită tensiune sau curent pentru funcționarea lor, un numar de celule solare trebuie să fie conectate împreună pentru a forma un panou solar, numit de asemenea și modulul PV. Pentru generarea de energie electrică solară la scară largă, panourile solare sunt conectate împreuna într-o rețea de panouri solare (- solar array).

Panourile solare sunt doar o parte a unui sistem solar PV complet. Modulele solare sunt „inima” sistemului și sunt de obicei numite generatoare de putere. Unul trebuie să aibă structuri de montare cu ajutorul cărora modulele fotovoltaice sunt fixate și îndreptate către soare. Pentru sistemele fotovoltaice care trebuie să funcționeze pe timp de noapte sau în timpul perioadei de vreme rea este necesară stocarea energiei. Aceasta se face prin folosirea unor baterii de stocare de energie electrică.

Ieșirea unui modul PV depinde de intensitatea luminii solare și a temperaturii celulei; prin urmare, componentele care condiționează ieșirea DC (curentul direct) și o livrează direct către baterii, rețea (grid) sunt necesare pentru o bună funcținare a sitemului PV. Aceste componente sunt numite regulatoare de încărcare. Pentru aplicațiile care necesită AC (curent alternativ) sunt implementate invertoare DC-AC în sistemul fotovoltaic. Aceste componente sumplimentare formează acea parte din sistemul PV ce este numită echilibrul sistemului (BOS – balance of system). În cele din urmă, aparatele de uz casnic, cum ar fi radioul, televizorul , luminile sau alte echipamentele alimentate la sistemul solar PV sunt numite sarcini electrice.

Elementele unui sistem fotovoltaic sunt schematic prezentate în figura următoare.

Figura 2.5 Elementele sistemului fotovoltaic

Celula solară constă în două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au grosimea cuprinsa înte 0.001 și 0.2mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni „p” și „n”. Structura unei celule este similară cu cea a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o mișcare a electronilor din material și va fi generat un curent electric.

Figura 2.6 Structura fizică a unei celule solare

Tensiunea generată de o celulă solară este foarte scăzută, în jurul valorii de 0.5V. Un numar de celule solare pot fi conectate atât în serie cât și în paralel pentru a obține un rezultat dorit. În cazul de umbrire parțială, diodele pot fi necesare pentru a evita curentul invers în matrice. Pentru a crește eficiența la temperaturi ridicate este necesară o bună aerisire în spatele panourilor solare.

Pentru o modelare exactă a panoului solar este necesar să se utilizeze două diode în circuit. Scopul acestei lucrări este limitat la modelul cu o singură diodă. În urma acestui studiu, caracteristicile ideale ale unui tablou solar arată variația de curent și de tensiune în raport cu tensiunea.

Modelul matematic cu o singură diodă este aplicabil pentru celulele PV din silicon. Acest model este format din curentul fotovoltaic Ipv, o diodă neliniară, Rs a elementelor conectate în serie care reprezintă pierderile interne și rezistenața șunt, Rp rezistenta paralelă cu dioda pentru scurgeri prin izolația celulei PV.

Figura 2.7 Schema electrică a unei celule solare

Celula solară ideală, teoretic, poate fi modelată ca o sursă de curent în paralel cu o diodă. Curentul, generat atunci când celula este supusă la lumină, variază liniar cu radiația solară. O îmbunătățire a modelului include efectele celor două rezistente Rs și Rp, vezi Figura 2.7.

Rezistența în paralel Rp ține cont de defectele de cristal, impurificări neomogene și defecte de material prin care apar curenții de pierdere care traversează joncțiunea P-N. Această rezistență are valori relativ mari.

Rezistență în serie Rs ajută la creșterea rezistenței totală a elementelor componente, de exemplu rezistentă semiconductorului, rezistentă contactelor și a legăturilor. Rs trebuie să aiba o valoare cât se poate de mică.

Conform literaturii de specialitate, bazându-ne pe circuitul echivalent din Figura 2.7 a unui panou fotovoltaic ecuația caracteristica este : (1)

Această expresie descrie comportarea electronică și determină relația dintre tensiune și curentul furnizat de un modul fotovoltaic. Este o ecuație matematica neliniară a cărui parametrii sunt :

– Ns reprezintă numarul de celule în serie;

– Ipv este curentul produs de efectul fotoelectric;

– Io reprezintă curentul invers de saturație;

– Rs și respectiv Rsh sunt rezistențele inerente în serie și în paralel asociate cu celula;

– q reprezintă sarcina electronului;

– k reprezintă constanta lui Boltzmann;

– a este factorul diodei ideale;

– V=Voc și I=0 pentru circuit deschis;

– V=Vmp și I=Imp pentru punctul maxim de putere.

Caracteristicile I-V ale dispozitivelor fotovoltaice depind de caracteristicile interne ale rezistențelor (Rs, Rp) și influențele exterioare, cum ar fi nivelul de radiații și temperatura ambiantă. Incidența luminii generează curentul fotovoltaic, care depinde liniar de radiația solară și este influențată de temperatură.

(2),

𝑉𝑇 reprezintă tensiunea termică a unei rețele cu Ns celule conectate în serie:

(3),

𝐼0 reprezintă inversul curentului de saturație al modulului fotovoltaic care constă din Np celule conectate în paralel iar fiecare celulă are curentul invers de saturație 𝐼0,𝑛.

(4),

(5),

unde reprezintă curentul de scurtcircuit nominal, tensiunea circuitului deschis măsurată în condiții nominale și Eg este energia band-gap al materialului PV.

Toate specificațiile tehnice ale unei rețele PV oferă următoarele informații:

– tensiunea nominală de circuit deschis

– curentul nominal de scurtcircuit: se obține prin scurtcircuitarea bornelor sarcinii R

– tensiunea Vmp din punctul maxim de putere (Maximum Power Point- MPP)

– curentul MPP (Imp)

– raportul dintre curentul de scurtcircuit și coeficientul de temperatură (αI)

– raportul dintre tensiunea circuitului deschis și coeficientul de temperatură (βv)

– puterea de varf experimentală (Pmax)

Toate aceste informații sunt evaluate la condiții nominale sau condiții de test standard (STC) de temperatură T=298K și radiația solară G=1000W/m^2.

Caracteristica I-V a unei celule solare are trei puncte importante: circuit în scurt (0, Isc), circuit deschis (Voc,0) și punctul de maximă putere (Vmp, Impp). La aceste puncte importante, ecuațiile sunt:

(6),

(7),

(8).

Saturararea curentului diodei poate fi exprimată în funcție de dependența acestuia față de temperatură.

În Figura 2.7 sunt prezentate caracteristicile de fucnționare I-V ale unei celule solare. O rețea PV cuprinde celule individuale PV conectate într-o unitate adecvată de putere. Caracteristicile sale sunt determinate prin înmulțirea tensiunii unei celule individuale cu numărul de celule conectate în serie și multiplicând curentul cu numărul de celule conectate în paralel.

Cele trei puncte de operare importante sunt tesniunea circuitului deschis Voc, curentul de scurtcircuit Isc și cel al punctului maxim de putere (MPP).

Figura 2.8 Caracteristica I-V

Tensiunea de operare din pucntul A este tensiunea de circuit deschis. Punctul B este curentul de scurtcircuit neglijând rezistența în serie Rs.

Figura 2.9 Caracteristica I-V în funcție de sarcină

Punctul de funcționare al unei rețele PV sub iradiere și temperatură constantă este punctul de intersecție al caracteristicilor I-V și caracteristicile de sarcină, cum este prezentat în Figura 2.9. O linie dreaptă M=1/R reprezintă caracteristica de sarcină. Mișcările punctului de operare al sistemului se mișcă de-a lungul curbei I-V, de la B la A , și reprezintă creșterea rezistenței de sarcină de la 0 la infinit. MPP este în punctul C, unde zona de sub caracteristica I-V este maximă. Pentru rezistențe de sarcină prea mari, punctele de operare intră în regiunea CA, iar pentru rezistențe de sarcină mică, punctele de operare intră în regiunea CB. Punctul MPP poate fi obținut prin potrivirea rezistentei de sarcină a caracteristicilor retelei PV.

Puterea electrică cedată sarcinii R a unei celule PV este exprimată de ecuația următoare:

(9).

Valoarea maximă a acestei puteri se obține în punctul M (Figura) al caractersticii curent-tensiune ale cărui coordonate sunt rezultate din condiția dP/dV=0 .

(10),

(11).

Valoarea optimă a rezistenței sarcinii pasive va fi egala cu: (12).

Capitolul 3. Modelarea și simularea componentelor sitemului fotovoltaic

3.1. Implementarea unei celule fotovoltaice cu o singură diodă:

Modelul panoului PV este implementat în MATLAB/Simulink. Intrarea este în condiții ambiante precum, temperatura ambiantă și radiația solară, iar ieșirea va fi panoul de caracteristici curent – tensiune și respectiv putere – tensiune și parametrii modulului. Pentru proiectarea acestui model vom utiliza parametrii unui modul fotovoltaic din datasheet-ul producatorului [Koycera KC200GTs] măsurați în condiții standard de testare, cum ar fi tensiunea în circuit deschis, coeficientul de putere maximă de tensiune – temperatur, curentul de scurtcircuit, punctul maxim de putere al curentului și coeficientul de temperatura STC (Irradiance: 1000W/m^2, AM 1.5 spectrum, module temperature 25⁰C)

Tabel 2. Parametrii modulului PV [Koycera KC200GTs]

Figura 3.1 este o diagramă detaliată a unei matrici fotovoltaice conectată la o rezistența varabilă. Tensiunea și curentul variază în funcție de relația dintre tenisune și timpul care da caracteristica P-V a modulului fotovoltaic atunci când rezistența variabilă la care este conectat creste liniar. Această diagrama conține și un sub bloc numit cell pv (Figura 3.2) în care este implementată celula folosind componente fizice din biblioteca SimScape.

Figura 3.1 Modul fotovoltaic

Figura 3.2 Celula fotovoltaică

Pentru a determina comportamentul panoului fotovoltaic este necesar să se cunoască tensiunea și curenul furnizate de diferite stări de funcționare (I-V și P-V). O cunoaștere precisă a formelor de undă caracteristice este de o mare importanță pentru controlul și evaluarea performanțelor celulei fotovoltaice. Spre exemplu, caracteristicile I-V și P-V pot fi vizualizate în Figura 3.3, respectiv 3.4. Curba caracteristică reprezintă, relația dintre curentul electric (putere) care asigură celula și diferența de potențial dintre intrare și iesire, pentru o intensitate de radiații date, când sarcina este variată. Caracteristicile depind și de temperatura celulei. Aceste curbe sunt comparate cu cele obținute de la modelul celulei solare în Simulink, bazate pe ecuația (1).

Figura 3.3 Caracteristica I-V a matricii PV Figura 3.4 Caracteristica P-V a matricii PV

Fiecare curbă are punctul de putere maximă, care este punctul de operare optim. Celula sau modulul trebuie să lucreze la acest punct pentru o utilizare eficientă. Două alte puncte importante ale acestei curbe sunt tensiunile circuitului deschis (Voc) și curentul de scurtcircuit (Isc).

Tensiunea circuitului deschis este tensiunea maximă care o oferă modulul pentru curentul egal cu 0 (fără sarcină sau în vid), în timp ce curentul de scurtcircuit reprezintă curentul maxim care este capabil să îl ofere modulul (sarcina scurtcircuit). Se poate observa că, atunci când tensiune de la ieșire este mai mică decât o valoare prag, schimbarea curentului de ieșire este foarte mic odată cu schimbarea tensiunii.

Celulele PV acționează ca o sursă de curent constant; atunci când tensiunea de ieșire depășeste o valoare prag, curentul scade brusc cu creșterea tensiunii. Celulele PV se comportă ca o sursă de tensiune constantă.

Figura 3.5 Rezultatul simulării pentru curent, tensiune și putere

Simulând schema modulului PV – Figura 3.4 – în osciloscopul Scope2 vom putea observa răspunsul rețelei fotovoltaice la ieșire. În această figură sunt reprezentate formele de undă pentru curentul, tensiunea și puterea sistemului PV. Se începe cu o rezistență (variable load) egală cu zero, formând un scurtcircuit, prin urmare vom obține la ieșire un curent de scurtcircuit. Pe măsură ce valoarea rezistenței crește vom obține un circuit deschis, astfel curentul scade, iar tensiunea crește. Puterea în acest caz este una de tip DC și are un vârf care dupa cum se poate observa în formele de undă, corespunde unei anumite tensiuni și unui anumit curent.

Modelul PV poate fi construit folosind diferite abordări, folosind modelul matematic cu blocuri din libraria Simulink, componente fizice din libraria Simscape, sau componenta avansată – Solar Cell – din biblioteca SimElectronic. În Figura 3.6 este prezentat detaliat modelul PV cu o singură diodă, folosind abordarea matematică.

Formulele care stau la baza acestui model sunt deduse simplificand modelul PV ideal să se potrivească cu parametrii furnizați de industria de specialitate.

Normal, are valori între 100Ω și 10000Ω, prin urmare poate fi ignorat în comparație cu, curentul Photon. este mai mic de 1 Ω, rezultă că =.

Sub faza de ciruit deschis, I=0, V=Voc:

(13).

La punctul maxim de putere, când V=Vmp și I=Imp:

(14).

Sub temperatură normală,

(15).

Sub faza de cicruit deschis:

(16).

Sub temperatură normală,

(17).

Coeficienții C1 și C2 sunt în condiții normale de temperatură și pot fi calculați având parametrii Voc, Isc, Vmp, Imp.

Pentru acest model creat se consideră temperatura egală cu 25⁰C și iradiația (G) de 1000W/m^2. Considerând variabilele de temperatură de ambient și radiația solară, modelul poate fi ajustat ca mai jos:

(18)

Unde:

(19),

(20),

(21).

I și V sunt tensiunea și curentul de ieșire al celulei PV, α este coeficientul temperaturii al curentului de scurtcircuit, iar β este coeficientul de temperatură al tensiunii de cicuit deschis.

Figura 3.7 Modelul matematic al celulei PV

Sistemele de panouri solare reprezintă cea mai mică instalație electrică formată dintr-un numar de la 36 până la 72 de celule PV, care pentru a obține tensiuni și puteri necesare consumatorului se conectează în diverse configurații cum ar fi: serie, paralel sau paralel-serie. La poiectarea modulelor fotovoltaice se ține cont de folosirea frecventă a acestora pentru încărcarea acumulatoarelor electrice ce pot avea tensiuni între 12- 12.5V. Pentru condițiile standard, tensiunea maximă trebuie să fie de 16-18V, iar tensiunea de mers în gol 20-22.5V. O singură celulă generează în gol circa 0.6V și pentru a putea obține tensiunea necesară se conectează în serie până la 36 de celule. În cazul în care montăm două celule în serie, tensiunea de la ieșire crește de doua ori, curentul de ieșire rămânând același. Dacă la acestea două se montează două panouri în paralel, curentul va crește de doua ori.

În Figura urmatoare este prezentat un sistem de panouri slare legate in serie-paralel. S-au folosit parametrii pentru modulul solar din datasheet-ul producatorului [Koycera KC200GTs]:

Tabel 3. Parametrii modulului PV pentru radiații egale cu 800W/𝑚2 [Koycera KC200GTs]

Pentru a se obține caracterisicile I-V si P-V s-au folosit următoarele formule matematice scrise în Matlab:

Figura 3.8 Modelul Simulink pentru patru celule PV legate serie-paralel

În urma simulării modelului din Figura 3.8 s-au obținut următoarele măsurători:

Figura 3.9 a) Caracteristica I-V b) Caracteristica P-V

Figura 3.10. Rezultatul simulării la ieșirea rețelei PV

În comparație cu caracteristicile obținute pentru un singur panou fotovoltaic (Figura 3.5) se observă că tensiunea și curentul au crescut, iar puterea a crescut și aceasta proporțional cu V și I.

3.2. Efectele de umbrire partială în caracteristicile rețelei PV:

Funcționarea unei rețele fotovoltaice este afectată de temperatură, iradierea solară, umbrirea și configurarea rețelei. Frecvent, sistemele PV sunt umbrite, total sau parțial, de norii în mișcare, clădiri adiacente și turnuri, copaci, sau de stâlpi de utilitare ori telefonie. Situația este în special de interes în cazul instalațiior PV foarte mari, cum ar fi cele utilizate în sistemele de distribuție generale de energie. În condiții de umbrire parțială, caracteristicile fotovltaice sunt obținute mult mai complex, având mai multe vârfuri.

Cu toate acestea este foarte importantă întelegerea și anticiparea acestor situații pentru a scoate puterea maximă posibilă. În continuare, vom prezenta modelarea și simularea unei scheme de dorit pentru studiul caracteristicilor I-V și P-V ale sitemului fotovoltaic sub o insolație neomogenă datorită umbirii parțiale. Acest model poate fi utilizat pentru achiziționarea și evaloarea noilor metode de MPPT (maximum power point tracking), în special pentru condițiile de umbrire parțială. Poate fi de asemenea utilizat ca mijloc de studiere a metodelor de umbrire a panourilor PV care au forme diferite.

În codul Matlab, am utilizat funcția din Figura 3.11, astfel în cât sa variem radiația, S=[100 20].

Figura 3.11 Funcția pentru variația radiației

În urmatoarele Figura 3.12 sunt prezentate formele de undă pentru caracteristicile I-V și respectiv P-V a unui singur modul PV în condiții de umbrire parțială.

Figura 3.12 Caracteristicile I-V(stânga) și P-V (dreapta) în condiții de urmbrire parțială

3.3. DC-DC Converter

Circuitele de conversie DC/DC au fost denumite chopper odată cu apariția comutatoarelor din siliciu (tiristoare, triace), SRC – Silicon Controlled Rectifiers. În prezent, tiristoarele sunt rareori folosite în convertoare c.c/c.c, dar se folosesc pe scară larg tranzistoarele bipolare de putere, tranzistoarele MOSFET, și aceste convertoare sunt numite surse de putere în comutație.

Sursele în comutație pot fi de unul din următoarele tipuri:

surse în comutație de tip coborâtor, cunoscute cu numele Buck Convertor sau Step-Down SMPS. Tensiunea nestabilizată de la intrare este micșorată pentru a produce o tensiune continuă stabilizată la ieșire.

Chopper ridicător, cunoscute sub numele de BOOST Convertor sau Step-Up SMPS. Teniunea nestabilizată de la intrare este crescută pentru a produce o tensiune continuă stabilizată la ieșire.

Convertorul fly-back.

Convertorul mixt. Tensiunea nestabilizată de la intrare este crescută sau micșorată pentru a produce o tensiune continuă stabilizată la ieșire.

Convertoare rezonante.

La convertoarele DC-DC, în comutație există câteva particularități pentru inductanțele utilizate, care vor conduce un curent mare la frecvențe înalte. Vor fi uilizate fire de lițate în locul celor răsucite la frecvențe mai mari de 50KHz, cu miezuri magnetice de calitate pentru reducerea pierderilor din miez.

Condensatoarele sunt solicitate, ele ucrând la frecvențe înalte cu supracurenți periodici. Diodele joacă un rol important în alcătuirea convertoarelor dc-dc. O dioda de putere normală este proiectată pentru a lucra până la 400 Hz, astfel circuitele necesită diode care să comute închis și deschis rapid.

Pentru a modifica carcateristica I-V a modulului PV sau a sarcinii pentru a urmări punctul de funcționare optimală se folosesc convertoare electronice c.c/c.c.. Pentru a modifica tensiunea la ieșire în scopul de a se asigura urmărirea punctului optimal de funcționare, un convertor dc-dc se conectează între modulul PV și sarcină. Astfel, se schimbă rezistența de intrare a panoului pentru a potrivi rezistența de sarcină prin varierea ciclului de sarcină.

3.4. Convertorul Buck:

Tipul de convertor utilizat în acest proiect este Buck Convertor, deoarce aplicația necesită tensiuni mici, și în continuare vom prezenta designe-ul și simulările acestuia utilizând Simulink/Matlab.

Un convertor Buck ideal este compus din cinci componente de baza: o dioda, un inductor, o capacitate, un controler PWM și un comutator semiconductor de putere. Spre deosebire de celelalte convertoare, acesta produce o tensiune stabilizată mai mică decât tensiunea de la sursa de intrare. În Figura 3.13 este prezentat convertorul buck care debitează pe o sarcină rezistivă.

Figura 3.13 Schema electrică pentru un convertor buck

Controlul cu modulația impulsurilor în durata, este necesar pentru reglarea tensiunii de ieșire. Tranzistoarele MOS sunt mai convenabile decât cele bipolare la puteri de ieșire mai mari de 50W. Acestea trebuie alese cu timpi de comutație cât mai mici și să reziste la pulsurile de tensiune provocate de inductor.

Inductorul este utilizat cu rol de filtru pentru a reduce riplul de curent. Acest lucru se datoreaza faptului că prin inductor curentul nu poate fi schimbat instantaneu. Când curentul prin inductor tinde să scadă, inductorul tinde sa îi mențină, având rolul de sursă de energie.

Condensatorul adăugat peste rezistența de sarcină reduce mărimea riplului de tensiune, în timp ce inductorul netezește curentul prin el. Acțiunea combinată a filtrului LC reduce foarte mult riplul tensiunii pe sarcină. Când comutatorul este închis, curentul circulă prin inductor și scade când comutatorul este deschis. Când comutatorul este închis, curentul prin inductor circulă liber prin acesta, fără o sursă de curent sau tensiune, regim numit free wheeling.

Dioda este folosită cu rol de comutator liber necomandat, ea direcționând corect calea de curent prin inductanță.

Regulatorul de comutație este utilizat în locul regulatoarelor liniare de tensiune la puteri mari ale sarcinii. Odată ce dispozitivele de putere care lucrează în regulatoarele liniare dispiă o parte mare în puterea sursei, acestea au nevoie de o răcire adecvată și duc la scăderea randamentului regulatorului.

Figura 3.14 Forma de undă a tensiunii de ieșire

În cazul unui întrerupator ideal, se poate calula valoarea medie a tensiunii de ieșire, 𝑉𝑜𝑢𝑡:

(22),

unde α reprezintă factorul de umplere al semnalului rezultat în urma modulării în timp și se poate calcula folosind formula:

(23),

unde 𝑣𝑐 este tensiunea de control iar 𝑣𝑚𝑎𝑥 valoarea maximă a tensiunii liniar variabile.

Ținând cont ce cele două formule, obținem: (24).

Dacă se modifică factorul de umplere al semnalului de comandă se poate controla valoarea medie a tensiunii de ieșire. Tensiunea 𝑉𝑜𝑢𝑡 se modifică liniar cu 𝑣𝑐.

Controlul convertorului buck poate fi facut în două moduri:

Funcționarea la frecvență constantă, sau controlul prin modularea impulsurilor în durată (PWM)

Funcționarea la frecvențe variabile, sau controlul prin modularea în frecvență.

Modulatorul PWM comanda comutatorul semiconductor si este o parte complexa a regulatorului. In prezent majoritatea regulatoarelor PWM sunt realizae pe un singue circuit integrat.

PWM constă dintr-un generator în dinți de ferăstrău (saw-tooth generator) un amplificator de eroare și un comparator, cum poate fi observat și în diagrama de funcționare din Figura 3.15. Frecvența generatorului este setată prin alegerea corectă a valorii pentru RC. Amplificatorul compară tensiunea de referință și semnalul de reacție. Acesta din urma este obținut prin divizarea teniunii de ieșire pe sarcină. În diagrama de mai jos 𝑉𝑓 reprezintă semnalul de reacție și 𝑉𝑟𝑒𝑓 tensiunea de referință și relația dintre ele poate fi scrisă de ecuația: 𝑉𝑓=𝛽𝑉0, deoarece 𝑉𝑓=𝑉𝑟𝑒𝑓.

Figura 3.15 Schema de funcționare al modulatorului PWM

Modelul detaliat folosind Simulink pentru modulatorul PWM este prezentat în Figura 3.16.

Figura 3.16 Modelarea modulatorului PWM

Pentru crearea acestui model am utilizat un generator dinți de ferăstrău (Repeating Sequence), un sumator, o component MUX, o componenta Relay care permite ca ieșirea să comute între două valori specificate, și un bloc Scope care permire afișarea semnalelor generate în timpul simulării.

Figura 3.17 Rezultatul simulării modulatorului PWM

În Figura 3.17 de mai sus sunt prezentate semnalele generate de modulatorul PWM. Ieșirea amplificatorului de eroare este comparată cu forma de unda în dinții de ferestrău și când aceasta este mai mare decât valoarea dintelui de ferestrău, ieșirea comparatorului este în 1 logic, și comutatorul convertorului este comandat în poziția ON. Când comparatorul este în starea 0 logic, comutatrul este în poziția OFF.

În figura 3.18 este prezentat modelul matematic al convertorului Buck în Simulink. Am folosit elemente din libraria Simulink/Math Operations. Valorile componentelor utilizate sunt:

Tabel 4.Parametrii componentelor converorului DC-DC

Figura 3.18 Modelul convertorului buck folosind principiul de bază Simulink

În Figura 3.19 este prezentat modelul convertorului Bulk în buclă deschisă.

Figura 3.19 Modelul Convertorului Bulk în buclă deschisă

La o frecvență stabilită între 20kHz și 200kHz, factorul de umplere al semnalului de comanda al tranzistorului MOSFET este calculat în funcție de algoritmul de urmărire a punctului maxim de putere. În regim staționar factorul de umplere depinde de rezistența de sarcină Rs și de rezistența optima Ropt. Pentru convertorul Buck relația factorului de umplere este:

(25).

Simularile în domeniul timp au fost făcute cu o tensiune de intrare egală cu 12V, și un factor de umplere de 0.42. Formele de unda pot fi observate în Figura 3.20.

Figura 3.20 Rezultatul simulării convertorului Buck

3.5. Algoritmul MPPT:

Sarcina de tip rezistor nu va funcționa în punctul optim la variația radiației numit punct de putere maximă (MPP- Maximum Power Point). Locul unde se află acest punct are o variație neliniară cu temperatura și radiația celulei PV. Din acest motiv este necesar să se modifice caracteristica I-V a modulului PV sau a sarcinii pentru a urmării punctul de funcționare optimă.

În acest scop se folosesc convertorarele electronice DC_DC numite MPPT (Maximum Power Point Tracker). Acest punct se atinge când raportul dintre derivatele puterii și a tensiunii este egal cu 0.

Un regulator care poate extrage punctul de putere maximă în mod continuu este dat de ecuația:

(26),

unde 𝑉𝑜𝑝𝑡 este tensiunea optimă la putere maximă, 𝐾𝐺 este constanta de proporționalitate a amplificării.

Figura 3.21 Punerea în evident a urmăririi punctului de putere maximă

În Figura 3.21 este pus în evidență cazul de urmărire a punctului maximal folosind tehnologia MPP atât pentru caracteristica I-V cât și pentru P-V. Se poate observa cum curbele curent-tensiune se schimbă în funcție de radiație și temperatură. Ulterior, la punctul de alimentare maximă (MPP) se va schimba și algoritmii de urmărire trebuie să determine noul MPP.

MPPT se conectează între modulul PV și sarcină pentru a modifica tensiunea la ieșire cu scopul de a se asigura urmărirea punctului optim de funcționare.

Utilizarea sau nu a tehnologiei MPPT se face în cazul în care rezultatul calculului se dorește a fi economic. Trebuie luat în considerare costul convertorului MPPT, pierderile de energie ținând cont că randamentul convertoarelor moderne cc-cc este de 90-95%, respectiv câștigul de putere la funcționarea subsistemului MPPT în regim optimal. Conform datelor din literatura de specialiate, urmărirea punctului maxim de putere în sistemele PV, ridică debitul cu minimum 20%.

Cele doua versiuni principale ale algoritmului MPPT sunt: perturbă și observă P&O și conductanța incrementală (IncCond). Ambele sunt descrise în cele ce urmează.

3.6. Algoritmul de conductanță incrementală:

Metoda conductanță incrementală folosește doi senzori de tensiune și de curent pentru a sesiza tensiunea de ieșire și curentul din matricea fotovoltaică. La punctual MPP, panta curbei P-V este 0. Această metodă se concentrează în mod direct pe variațiile de putere. Curentul și tensiunea sesizate la ieșirea panoului PV sunt utilizate pentru a calcula conductanța și conductanșa incrementală. În ecuația de mai jos este prezentat raportul dintre derivata puterii și derivata tensiunii:

(27).

Dacă raportul 0, atunci și punctul MPP va fi găsit. Raportul I pe V reprezintă conductanța instantanee, iar raportul dintre derivata I și derivata V reprezintă conductanța incrementală.

La fel ca și la agoritmul P&O, raportul 𝑑𝑃/𝑑𝑉 ne arată dacă matricea PV funcționează la punctul MPP sau departe de acesta.

În diagrama din Figura 3.23 este prezentat principiul de funcționare al algoritmului conductanță incrementală. Aceată metoda este simplă, ușor de implementat și are o eficiența de urmărire ridicată.

Figura 3.23 Diagrama algoritmului IncCond

3.7. Algoritmul perturbă și observă:

Agloritmul perturbă și observă are o structură simplă și numarul de parametrii necesari măsurați sunt reduși. Schema logică a metodei P&O este prezentată în Figura 2.23. Acest algoritm se bazează pe urmărirea puterii la ieșirea celulei PV și perturbarea acesteia prin modificări ale curentului sau a tensiunii de funcționare a matricii fotovoltaice.

Prin acest algoritm se incrementează sau decrementează încontinu valorile tensiunii sau a curentului de referință pe baza valorilor precedente înregistrate ale puterii până când acesta ajunge la punctul maxim de funcționare.

Figura 3.23 Diagrama algoritmului P&O

Dacă tensiunea de funcționare a matricii PV este perturbată într-o direcție dată raportul dintre derivata puterii și derivata tensiunii este mai mare decât 0, este cunoscut ca perturbarea deplasează punctul optim de funcționare al sistemului fotovoltaic spre punctul MPP. Algoritmul va continua să emită perturbații către tensiunea matricei PV în aceeași direcție. În schimb dacă raportul dintre cele două derivate este mai mic decât 0, atunci schimbarea punctului de funcționare deplasează punctul optim de funcționare mai departe de punctul MPP, și astfel se inversează direcția de perturbare. Când raportul dP/dV este în echilibru, punctul de funcționare oscilează în jurul punctului MPP, provocând pierderi de energie.

Modelul Simulink detaliat pentru algoritmul P&O este prezentat în Figura 3.24. Vpv și Vpi sunt intrările la unitatea MPPT, iar factorul de umplere este obținut la ieșire. S-a folosit din librăria Discrete/Simulink blocul Memory, ieșirea acestuia este de fapt intrarea de la pasul de timp anterior. Blocul Switch ne ajuta să schimbăm stările în funcție de valorile Δ𝑉,Δ𝐼 respectiv Δ𝑃.

Figura 3.24 Modelul algoritmului P&O în Simulink

3.8. Invertorul DC-AC:

Invertorul DC/AC este un dispozitiv care preia puterea de curent continu DC – polaritate constantă (de la baterie sau panou solar PV) și o convertește în putere de curent alternativ AC (pentru alimentarea echipamentelor electronice și electrocasnice). Dacă partea de c.a. a invertorului este legată la rețeaua de distribuție a energiei electrice și este realizată integral cu tiristoare, acesta se confundă cu redresorul comandat funcționând în regim de invertor și poate fi denumit ca și invertor de comuație de la rețea. Dacă partea de curent alernativ a invertorului este independentă de rețeaua de c.a sau de orice altă sursă, furnizând la ieșire o tensiune alternativă proprie acesta va fi un invertor independent sau autonom.

Invertoarele sunt realizate cu ajutorul dispozitivelor semiconductoare controlabile, cum ar fi tranzistoare de putere, și a unor diode de descărcare.

Invertoarele autonome pot fi de două tipuri:

Invertoare ce funcționează în comutație forțată – invertoarele cu undă plină, invertoare PWM

Invertoare de rezonanță.

Există mai multe modalități de a obține tensiuni alternative de către invertoarele autonome. Acestea își produc singure tensiunea alternativă, a cărei formă de undă se apropie de o formă sinusoidală. Oricare tehnică de comutație ar fi utilizată pentru conversia c.c.-c.a., nici una nu poate sintetiza tensiuni perfect armonice. Din acest punct de vedere, fiecare tehnică poate fi valorificată în funcție de râdul de performanță al conversiei.

Mărimile specifice care pot cuantifica distorsiunea aromică a tensiunii sau a curentului de la ieșirea invertorului sunt:

Ponderea armonicii

Rezidul deformant al armonicilor superioare

Factorul de distorsiune.

Invertoarele PWM sunt convertoare moderne la care tensiunea de ieșire se prezintă sub forma unor impulsuri modulate în lățime al căror factor de umplere este modificat continuu, astfel încât valoarea medie pe fiecare perioadă de comutație Tc să corespundă amplitudinii unui punct aparținând sinusoidei din acel interval. Odată cu aplicarea acestei tehnici, valoarea tensiunii alternative se modifică și scade ponderea armonicilor superioare. Cu cât frecvența de comutație este mai mare cu atât distorsiunea armonică a undelor corespunzătoare sarcinii de curent continuu de la ieșirea invertrului se reduce.

Au fost create numeroase tehnici de modulare în durată a impulsurilor pentru invertoarele PWM:

Modulare sinusoidale – eșantionare naturală

Modularea simetrică sau asimetrică – eșantionare uniformă

Modulare optimizată, etc

Aceste tehnici iși propun să obțină o pondere cât mai mare a armonicii fundamentale în formă de undă a tensiunii de la ieșirea invertoarelor și reducerea pe cât posibil a armoniclor superioare.

Figura 3.25 Tehnica de modulare sinusoidală

În Figura 3.25 este prezentată tehnica de modulare sinusoidală care constă în compararea unui semnal periodic triunghiular alternativ 𝑢𝑡𝑟 cu un semnal modulator 𝑢𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 a cărei variație este sinusoidală.

𝑢𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 𝑡 =𝑈𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙∗sin𝜔𝑡= 𝑈𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙∗sin2𝜋𝑓𝑡 , (28)

unde f reprezintă frecvența semnalului triunghiular și este egal cu 1/Tc.

Invertorul este o componentă importantă din sistemul fotovoltaic oferind soluții optime cu o eficiență ridicată, special proiectată penru cerințele oricărui tip de proiect, de la cele rezidențiale de putere mică, până la cele industriale de ordinul MW-ilor. Aceste dispozitive autonome se pot utiliza pentru a converti curentul continuu provenit din surse regenerabile în curent alternativ.

Invertoarele solare pot fi de două tipuri:

Invertoare On-Grid: transformă energia electrica de curent continuu provenită de la panoul fotovoltaic în energie de curent alternativ DC-AC

Invertoare Off- Grid: fac conversia curentului continuu din bateriile solare/ acumulatori solari în curent alternativ.

Avantajele utilizării invertoarelor solare: se poate obține un randament de peste 95% prin alegerea corectă a unui invertor On Grid, care să se încadreze în intervalul de variație al parametrilor de ieșire ai generatorului fotovoltaic și care să aibă putere de ieșire cât mai apropiată de valoarea nominală a generatorului. Cazul unei alegerii incorecte a unui invertor On Grid poate duce la deteriorarea acestuia ca urmare a depășirii tensiunii maxime de intrare sau la o funcționare cu o eficiență scazută din cauza supradimensionării puterii de intrare.

Generatoarele AC dau o tensiune ondulatorie ce variază de la pozitiv la negativ. Acest lucru are avantaje în transmisia puterii pe distanțe lungi. Puterea AC din rețeaua publica este strict reglementată să fie o unda sinusoidală perfectă, pentru ca undele sinusoidale radiază cea mai mică cantitate de energie radio în timpul transmisiei la distanță.

Capitolul 4. Rezultate experimentale:

4.1. Simularea celulei PV conectată la convertorul DC-DC cu algoritmul MPPT:

Un convertor PWM buck cu următorii parametrii este folosit pentru urmărirea punctului maxim de putere. Modelul de simulare pentru convertorul DC-DC este prezentat în Figura 4.1.

Tabel 5: Parametrii pentru convertorul DC-DC

În Capitolul 2 s-a prezentat simularea celulei PV folosind paramatrii din datasheet-ul pentru modulul Kyocera. Pentru acest model vom folosi parametrii pentru modulul Conegy S175MU deoarece este compatibil cu regulatoare PWM și MPPT, fiind compus dintr-un număr de 72 de celule, cu o tensiune pentru punctul maxim de putere situat între 35-37V, iar tensiunea de mers în gol se regăsește în jurul valorii de 42-45V. Acest lucru ne va ajuta într-o vizualizare mai bună a caracteristicii puterii.

Modelul PV folosit este realizat după principiile matematice folosind componente din librăriile Simulink. Acesta este conectat la o sarcină rezistivă printr-un convertor coborâtor de tensiune cu regulator MPPT implementat cu algoritmul perturbă și observă.

Tabel 6: Parametrii modulului PV [Conegy S175MU ]

Figura 4.1 Modelul circuitului fotovoltaic cu algoritm MPPT și convertor coborâtor

Elementul activ al convertrului este semiconductorul de putere controlabil reprezentat printr-un tranzistor de tip IGBT. Acesta trebuie să lucreze frecvențe de comutație cât mai mari în scopul diminuării pe cât posibil a filtrului. Pentru comanda tranzistorului am folosit semnale modulate în lațime PWM (vezi Figura 3.16) prin a căror factor de umplere poate fi ajustată valoarea tensiunii de ieșire . La ieșirea convertorului sunt conectate două blocuri de măsurare a curentului, repectiv a tensiunii.

Figura 4.2 Rezultatul simulării circuitului PV cu Buck și MPPT (P&O)

În Figura 4.2 este reprezentată forma de undă a puterii de la ieșirea panoului PV pentru o temperature de 25⁰C și un nivel de iradiație de 1000W/𝑚2. Se poate observă în această figură că puterea obținută la ieșirea matricii PV este semnificativ de mare. În urma acestui rezulat prin studiul modelării matricii PV s-a determinat modelul optim cu 5 parametrii a unui modul PV cu un comportament și curbe caracteristice I-V și P-V cât mai aproape de realitate.

4.2. Realizarea și simularea modelului Simulink al rețelei PV cuplată la rețea:

Modelul detaliat al rețelei PV utilizat în această lucrare este prezentat în Figura 4.3. Acest model este realizat în Simulink și reprezintă o matrice de panouri PV, cu putere maximă de 175W pentru temperatura de 25⁰C și un nivel de iradiație de 1000W/𝑚2. Specificațiile modulului PV utilizat sunt furnizate de producator – tensiunea în circuit deschis, Voc, curentul de scutcircuit, Isc, tensiunea la punctual de putere maximă, Vmp, curentul la punctul de putere maxim, Imp, precum și coeficienții de temperatură ai acestora. Parametrii pentru curentul generat de modulul PV , curenul invers de saturație al diodei , rezistența serie și cea paralel sunt ajustați pentru a se potrivi cu specificațiile modulului.

Panoul PV este conectată la o rețea electrică de tensiune medie 25kV cu o frecvență de 50Hz prin intermediul unui conevertor dc-dc coborator de tensiune și a unui convertor trifazat sursă de tensiune cu trei nivele și frecvență de modulație de 5kHz care convertește tensiunea continuă de la convertorul Buck în tensiune alternativă, păstrând factorul de putere unitar. Regulatorul MPPT este implementat folosind algoritmul P&O. Acesta optimizează factorul de umplere al convertorului dc-dc în scopul de a genera tensiunii pentru generarea puterii maxime.

Pentru a elimina armonicile produse de invertor s-a utilizat o baterie de condensare de 10kW. Sistemul de control al convertorului de sursa de teniune reglează tensiunea și curentul de la ieșirea convertrului pentru conectarea la rețeaua electrica de distribuție. Convertorul trifazat de sursă de tensiune menține tensiunea fixa.

Figura 4.2 Modelul Simulink detaliat al panoului PV conectat la reteaua electrica

Rezultatul simularii modelului din Figura 4.2 poate fi vizualizat mai jos. Tehnica de modulare utilizată de invertorul PWM este cu eșantionare naturală, sinusoidală, iar semalele de comandă se distribuie neuniform în timp.

Figura 4.3 Rezultatul simulării modelului PV conectat la rețeaua electric

În dorința de a obține tensiuni și puteri mari, am modificat celula PV din Figura 4.2 în așa fel încât să putem conecta un numar Ns de celule în serie și un alt numar Np în paralel.

Formula matematică utilizată a fost pentru o celula PV cu o singură diodă și are la bază ecuațiile prezentate în Capitolul 2: (29).

Panoul Pv a fost creat ca și o librarie, ulterior transformăt într-un bloc mască pe care il putem utiliza folosind parametrii doriți în orice aplicație cu celule fotovoltaice. Acest model vine în ajutorul nostru în momentul în care dorim să realizăm o simulare cu un numar mai mare de celule conectate fie în serie, fie în paralel sau în serie-paralel. Având ca și parametrii variabili Voc, Isc, Rs și Rp poate fi mai ușor de analizat caracteristicile celulei pv la diferite valori.

În Figura 4.4 este prezentat fereastra cu proprietățile acestei măști folosite în configurare.

Figura 4.4 Function Block Parameters pentru masca panoului solar

Pentru simularea sistemului PV conectat la rețeaua electrică cu un numar de 132 de module conectate în paralel și 10 conectate în serie, am utilizat masca prezentată anterior, păstrând aceleași valori pentru variabilele Voc, Isc iar pentru rezistențele serie și paralel am luat ca și valori: Rs=0.18Ω și Rp=360 Ω, acest lucru pentru a se potrivi cu specificațiile producătorului.

Figura 4.5 prezintă rezultatele simulării caracteristicilor electrice ale generatorului PV la radiații de 1000W/m^2 și temperatură de 25⁰C cu sisteme de control MPPT bazate pe algoritmul P&O. Convertorul Buck este controlat de sistemul MPPT, asa cum este prezentat în Figura 4.1. Invertrul PWM three phase controlează puterea activă, iar puterile reactive la AC bus sunt considerate a fi constante. Puterea de intrare P crește rapid și precis atingând puterea maximă corespunzătoare tensiunii punctului maxim de putere Vmp și a curentui din punctul maxim de putere Imp după 0.2 secunde. Deci, putem demonstra importața algoritmului MPPT în soluționarea problemei de degradare a factorilor climatici. Puterea maximă de ieșire a sistemului PV este egală cu 6000W.

a) Caracteristica tensiunii

b) Caracteristica curentului

c) Caracteristica

Figura 4.5. Caracteristicile electrice ale generatrului fotovoltaic

În Figura 4.6 sunt prezentate formele de unda pentru curentul injectat în utilitățile principale și tensiunea din rețea. Se poate observa că tensiunea și curentul sunt în fază ceea ce înseamna ca puterea maximă extrasă din matricea PV poate trece în invertorul DC-AC, atâta timp cât sistemul operează la factorul de putere unitar fără schimb de puetere reactivă.

Figura 4.6 Rezultatul simulării multiplicând numarul panouri PV de conectat la rețeaua electrică

Concluzii:

Deși sunt mult studiate și implementate, panourile fotovoltaice prezintă încă aspecte ce merită să fie luate în considerare. În această lucrare se prezintă o tehnica pentru integrarea surselor fotovoltaice la nivelul rețelelor electrice. Pentru a realiza acest lucru am studiat funcționarea din punct de vedere electric și transferul termic prin radiație, în vederea obținerii energiei termice.

Am abordat funcționarea unui panou PV ca generator electric prin diferite modelări și cu diferiți parametrii de funcționare. Am identificat componentele unui sistem PV și descris funcționalitatea acestora . În scopul de a obține transferul maxim de putere dintre generatorul PV și sarcină, a fost necesară identificarea punctului maxim de putere. Acest lucru s-a realizat folosind algoritmul MPPT pentru sistemele fotovoltaice bazat pe agloritmul P&O. S-a demonstrat eficiența utilizării acestui algoritm într-un sistem PV.

Toate rezultatele de simulare obținute în mediul de lucru Matlab/Simulink, arată performanța de control și comportamentul dinamic al sistemului PV conectat la rețeaua electrică, oferă rezultate bune și arată că sistemul de control este robust și eficient.

Contribuții personale:

Realizarea unui studiu bibliografic asupra energiei solare

Modelarea panolui PV folosind mai multe tehnici de implementare

Analizarea influenței radiației ce poate să apară în cazul acoperirii parțiale

Modelarea unui bloc mască pentru o celulă fotovoltaică

Analizarea convertorului Buck controlat de algoritmul MPPT cu implementare P&O

Analizarea sistemului PV conectat la rețeaua electrică.

Bibliografie :

1. Ovidiu Ursaru, Curs de elecronică industrială http://ep.etc.tuiasi.ro/index_ei_ref_laborator.html

2. Mihai Albu, Invertorul PWM monofazat de tensiune

http://www.euedia.tuiasi.ro/lab_ep/ep_files/Lucrarea_25_img.pdf

3. KC200GT High Efficiency Multicrystal Photovoltaic Module Datasheet Kyocera. [Online]. Available: http://www.kyocerasolar.com/assets/001/5195.pdf

4. Photovoltaic modules, tehnical data for Conergy S 175MU. [Online].Available: http://www.affordable-solar.com/site/doc/Doc_S_175MU-print_20071010120407.p

5. D. Rekioua și E. Matagne, Optimization of Photovoltaic Power Systems, Modelization, Simulation and Control, Springer, 201

6. [Online].Available: http://www.ecomagazin.ro/dobrogea-devine-parcul-eolian-al-europei/

7. INSTITUTUL NAȚIONAL DE STATISTICĂ – Resursele de energie in anul 2014

8. P. Giroux, G. Sybille, Hydro – Quebec Research Institute (IREQ); C. Osorio, S. Chandrachood, The Mathworks, 100 -kW Grid -Connected PV Array demo detailed model (PVarray_Grid_IncCondReg_det.mdl), MathWorks Files Exchange, 2012.

9. Modeling and Simulation of PV Solar Power Inverters https://www.youtube.com/watch?v=GnZFi9CzF9Q

10. Maximum Power Point Tracking, Publish Date: Jul 07, 2009

http://www.ni.com/white-paper/8106/en/

11. Current sensing for renewable energy, Publish Date: Sept 23,2013

http://www.electronicproducts.com/Sensors_and_Transducers/Sensors/Current_sensing_for_renewable_energy-v2.aspx)

12. Free Download of Solar Radiation Maps

http://solargis.info/doc/free-solar-radiation-maps-GHI#R

13. Modul de funcționare a instalațiilor fotovoltaice

http://www.energieverde.go.ro/functionare.html

Anexe- Codul funcțiilor MATLAB utilizate:

Modelul PV cu o singura dioda:

%Modelul PV cu o singura dioda

clear all;

K = 1.38065e-23; % constanta lui Boltzman

q = 1.602e-19;

Iscn=8.21; % Curentul de scurt circuit nominal

Vocn=32.9; % tensiunea de circuit deschis masurata in V

Kv=-0.123; % temperatura constantei de tensiune

Ki=0.0032; % temperatura constantei de curent

Ns=54; % numarul de celule conctate in serie

T=25+273; % tempratura de operare

Tn=25+273; % temperatura nominala

Gn=1000; % iradierea nominal in W/m^2

a=1.3; % constanta diodei ideala

Eg=1.12; % band gap pentru silicon la 25 de grade celsius

G=1000; % radiatia actuala

Rs=0.221; % rezistenta serie

Rp=415.405; % rezistenta paralel

Vtn=Ns*(K*Tn/q); % tensiunea terminca a unor Ns celule legate in serie

Ion= Iscn/((exp(Vocn/(a*Vtn)))-1);

% curentul invers de saturatie

Io=Ion*((Tn/T)^3)*exp(((q*Eg/(a*K))*((1/Tn)-(1/T))));

Ipvn=Iscn;

% curentul produs de efectul fotoelectric

Ipv=(Ipvn+Ki*(T-Tn))*(G/Gn);

Vt=Ns*(K*T/q);

I= zeros(330,1);

i=1;

I(i,1)=0;

for V=32.9:-0.1:0

I_part= Io*(exp((V+(I(i,1)*Rs))/(Vt*a))-1)+((V+(Rs*I(i,1)))/Rp);

I(i+1)= Ipv-I_part;

V1(i)=V;

P(i)=V*I(i);

i=i+1;

end

V1(i)= V1(i-1);

P(i)=P(i-1);

V1=transpose(V1);

%Plots

figure(1);

plot(V1,I);

axis([0 35 0 10]);

xlabel('Tensiune [V]');

ylabel('Curent [A]')

figure(2);

plot(V1,P);

axis([0 35 0 200]);

xlabel('Tensiune [V]');

ylabel('Putere [W]');

Modelul PV cu calcul matematic

%Modelul PV cu calcul matematic

%

% constanta Boltzmann

k=1.38e-23;

% sarcina eleectronului

q=1.6e-19;

% Temperatura standard

t=273;

% curentul de scurt circuit masurat in A

Icc=8.21;

% tensiunea de circuit deschis masurata in V

Voc=32.9;

% tensiunea la putere maxima

vpm=26.3;

% curentul la putere maxima

ipm=7.61;

% numarul de celule per modul

ncell=54;

% temperatura nominala de operare

tcell=25;

% tensiunea terminca a unor ncell legate in serie

vt=(k*(t+tcell))/q;

% curentul de saturatie

is=Icc/exp(Voc/(ncell*vt));

% rezistenta serie asociata celulei

rs=ncell*vt*log((Icc-ipm)/is)/ipm-vpm/ipm;

Modelul pentru 4 panouri PV conectate în serie-paralel

%Fisierul.m pentru 4 panouri P-V conectate in serie-paralel

%la o radiatie de 800W/m^2

%

% constanta Boltzmann

k=1.38e-23;

% sarcina electronului

q=1.6e-19;

% Temperatura standard

t=273;

% curentul de scurt circuit masurat in A

Icc=6.62;

% tensiunea de circuit deschis masurata in V

Voc=29.9;

% tensiunea la putere maxima

vpm=23.2;

% curentul la putere maxima

ipm=6.13;

% numarul de celule per modul

ncell=54;

% temperatura nominala de operare

tcell=47;

% tensiunea terminca a unor ncell legate in serie

vt=(k*(t+tcell))/q;

% curentul de saturatie

is=Icc/exp(Voc/(ncell*vt));

% rezistenta serie asociata celulei

rs=ncell*vt*log((Icc-ipm)/is)/ipm-vpm/ipm;

% reprezentarea grafica a caracteristicii tensiune – putere

figure(1);

plot(V,P);

% reprezentarea grafica a caracteristicii tensiune – curent

figure(2);

plot(V,I);

Modelul PV pentru evidențierea efectelor prin variația radiației

T=28+273;

Tr1=40;

Tr=((Tr1-32)+273);

S=[100 20];

ki=0.00023;

Isrc=3.75;

Irr=0.000021;

k=1.38065*10^(-23);

q=1.6022*10^(-19);

A=2.15;

Eg0=1.166;

alpha=0.473;

beta=636;

Eg=Eg0-(alpha*T*T)/(T+beta)*q;

Np=1;

Ns=36;

V0=[0:1:200];

for i=1:5

Iph=(Isrc+ki*(T-Tr))*((S(i))/100);

Irs=Irr*((T/Tr)^3)*exp(q*Eg/(k*A)*((1/Tr)-(1/T)));

I0=Np*Iph-Np*Irs*(exp(q/(k*T*A)*V0./Ns)-1);

P0=V0.*I0;

figure(1)

plot(V0,I0);

axis([0 25 0 5]);

xlabel('Tensiune [V]');

ylabel('Curent [A]');

hold on;

figure(2)

plot(V0,P0);

axis([0 25 0 100]);

xlabel('Tensiune [V]');

ylabel('Curent [A]');

hold on;

figure(3)

plot(I0,P0);

axis([0 5 0 100]);

xlabel('Curent [A]');

ylabel('Putere [W]');

hold on;

end