Modelarea Si Simularea Unei Centrale Fotovoltaice In Matlab

Introducere

Generalitati

Inițiativa PVTRIN

Beneficii pentru instalatori, industria PV și societate

Energia solara

Energia solară. Dispozitive de captare a energiei solare

Cuantumul energiei convertita din energie solara in tara noastra

Evolutia sistemelor fotovoltaice in Romania

Energia eoliana

Clasificarea Turbinelor eoliene

Caracteristici si parametrii tehnici a turbinelor eoliene

Puterea nominala

Puterea generata de turbina eoliana

Profilul vitezei vantului

Estimarea productiei energiei eoliene

Factori care influenteaza selectia locatiei

Energia geotermala

Parametrul principal al energiei geotermale. Gradientul de temperatura

Domenii de utilizare a energiei geotermale

Cercetarea si exploatarea resurselor geotermale

Resursele geotermale din tara noastra

Hidroenergia

Avantajele MHP

Energia electrica obtinuta din energia apei

Tehnologia utilizata in sistemele hdrocentralelor

Randamentul turbinelor

Puterea instalată și energia produsă de centrala hidroelectrică

Puterea garantată

Puterea suplimentară

Puterea de rezerva

Biomasa

Tipuri de biomasa

Culturi energetice

Biomasa obtinuta din reziduri si deseuri

Potentialul biomasei

Tehnologia fotovoltaica

Efectul fotovoltaic

Eficiența tehnologiei fotovoltaice

Expunerea optimală la radiația solară

Eficiența conversiei radiației solare în energie electrică

Calculul parametrilor electrici ai panourilor fotovoltaice

Metoda de modelare si simulare a unei centralele fotovoltaice în MATLAB

Simulink: modelarea unei celule solare

Intensitatea curentului electric indus de soare

Dependenta fata de temperatura

Modelul unei amenajari (centrale) fotovoltaice

Modelarea folosind datele experimentale

Rezultatele experimentale

Studiu de caz

Metoda matematica de simulare a unei centrale fotovoltaice

Formule de calcul

Studiu de caz

Concluzii

Anexe

Bibliografie

SER Surse de energie regenerabila

SEnR Surse de energie neregenerabila

ER Energie regenerabila

EE eficienta energetica

UE uniunea europeana

PVTRIN Training of Photovoltaic Installers

Generalitati

Sursa de energie regenarabila este o expresie ce face referire la anumite forme de energie carerezulta din procese naturale cu un ciclu de reproducere intr-o perioada comparabila cu perioada de consum.

Pt a reduce emisisa gazelor cu efect de sera, se cauta surse alternative de producere a energiei, precum SER care prin procedeele de transformare in alte forme de energie sa nu polueze, rezidurile sa fie degradabile, iar eficienta sa fie avantajoasa din punct de vedere economic. Utilizarea SER impreuna cu cresterea EE contribuie la reducerea consumului de energie din SEnR, proportional si reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera, consecinta directa fiind prevenirea schimbariilor climatice care au efect dezstruos asupra omenirii

Directivele politice si economice incearca sa incurajeze explorarea si valorificarea potentialului neutilizat de biomasa, energie solara, energie eoliana, energie hidro sau geotermala prin mecanisme financiare de suport cum ar fi acordarea de certificate verzi sau instrumente economice de tip feed-in-tariff.

fig.1 Conceptul abordarii durabile (Adams W.M., 2006)

UE a dezvoltat o strategie de combatere a schimbarilor climatice printr-un plan cu o viziune de crestere durabila "Europa 2020" in care e enuntat un set de obiective care privesc strict domeniul energetic (obiective 20-20-20) cu perspective catre o economie cu emisii scazute de carbon, care se traduce prin dezvoltarea unui sector publiclocal, care sa identifice si sa sprijine oportunitatile economice, sa joace un rol strategic de a administra teritoriul si sa aplice politicile publice cu referire la schimbarile climatice si sectorul protectiei mediului.

Fig.1 – Abordarea generală a proiectelor pentru bioenergie

Unu din capitolul din cadrul Politicile Europene privind Energia și Schimbările Climatice (PVTRIN), împreună cu legislația în domeniu a Statelor Membre a condus la o creștere importantă a pieței de fotovoltaice (tema studiata in aceasta lucrare) , ajungând la o capacitate instalată de 39.600 MW la sfârșitul anului 2010, previziunilor industriei, o capacitate totală de peste 600 GW este prognozată pentru anul 2030.

Inițiativa PVTRIN

Inițiativa PVTRIN se concentrează pe dezvoltarea unui sistem adecvat de formare și certificare pentru tehnicienii activi în instalarea și întreținerea sistemelor PV de mici dimensiuni, și pune bazele pentru adoptarea unui sistem de certificare recunoscut reciproc în cadrul statelor membre UE. Prin crearea unei forțe calificate de muncă, sistemul de formare și certificare PVTRIN susține industria Europeană de fotovoltaice prin soluționarea nevoii de tehnicieni calificați. Inițial, acesta va fi pus în aplicare în șase țări: Grecia, Bulgaria, Croația, Cipru, România și Spania, și va încorpora legislația națională, nevoile pieței și cerințele industriei PV.

În plus, sistemul de formare și certificare integrează criteriile stabilite în Directiva 2009/28/CE cu privire la cerințele pentru cursuri de formare și furnizori de formare profesională certificați, oferind astfel un instrument de sprijin pentru statele membre UE în vederea îndeplinirii obligațiilor privind realizarea de scheme de certicertificare recunoscute pentru instalatorii RES până la 31/12/2012. Cu scopul de a îngloba nevoile reale ale pieței, de a ajunge la un consens și de a asigura sprijin cât mai larg, principalele grupuri interesate sunt implicate pentru a transfera experiența de piață și pentru a oferi consultare.

Beneficii pentru instalatori, industria PV și societate

Prin crearea unei forțe de muncă de instalatori calificați, certificarea PVTRIN susține industria Europeană de PV în soluționarea nevoii de tehnicieni calificați. Creșterea încrederii investitorilor în soluții de producere a energiei electrice prin sisteme fotovoltaice va duce la o creștere a pieței.

Certificarea permite instalatorilor de sisteme fotovoltaice să-și demonstreze competențele și calitatea muncii potențialilor clienți. Ei obțin un avantaj competitiv profesional, îmbunătățirea competențelor lor tehnice și a cunoștințelor prin formare certificată, certificare ce le oferă practic, un “pașaport” pentru piața de muncă a UE.

Dezvoltatorii și inginerii vor profita de existența instalatorilor calificați. Implicarea instalatorilor calificați în proiectele de instalații solar PV înseamnă instalații eficiente, mai puține defecțiuni tehnice și clienți satisfăcuți.

Investitorii PV au încredere că este îndeplinit și menținut un nivel adecvat de calitate și de performanță pentru sistemele solar PV.

Autoritățile naționale vor avea un instrument de sprijin pentru a îndeplini obligațiile care le revin în domeniul certificărilor recunoscute pentru instalatorii de sisteme de producere al energiei din surse regenerabile.

Societatea în ansamblu va beneficia de rezultate; cu cât aportul energetic din aceste surse în mix-ul energetic va fi mai mare cu atât și emisiile de gaze cu efect de seră vor fi mai scăzute ceea ce va contribui la îmbunătățirea calității vieții cetățenilor.

Energia solara

ISES- Societatea Internațională de Energie Solară

ARCE- Agenția Română pentru Conservarea Energiei

Societatea Internațională de Energie Solară prezenta in peste o sută de țări, pledează pentru folosirea energiei solare încă din 1954. De-a lungul anilor, membrii acestei organizații au inventat tehnologii nucleare foarte eficiente pentru înlocuirea combustibililor.

ISES a inițializat așa-numitul program “Școlile solare – un viitor strălucit”. Programul încearcă să arate studenților importanța folosirii și descoperirii de noi metode prin care are loc înlocuirea resurselor convenționale cu cele neconvenționale. În astfel de școli sunt folosite acele sisteme solare nu numai pentru a reduce costurile de energie, ci și pentru a salva planeta."

Pentru asigurarea armoniei dintre climatul din interiorul clădirilor și mediul exterior s-a procedat la elaborarea unor acte normative valabile atât pe plan național, cât și internațional. S-au creat două mari categorii de acte comunitare ce conțin restricții, pentru punerea de acord a conceptelor statelor membre ale CEE și anume: regulamente comunitare (comune) și directive (norme) cu caracter național, cu posibilități de extindere și în țările cooperante.

Problema esențială în realizarea normelor și directivelor vizând armonizarea legăturii construcție–mediu o constituie obținerea unei cât mai mici poluări a mediului ambiant, care este mult mai scăzută decât în cazul folosirii energiilor primare, cât și natura materialelor pentru construcții și instalații. Aceste norme și reglementări, deși elaborate sunt într-o continuă îmbunătățire vizând, în principal, ca măsuri: economia de energie, reducerea poluanților sub normele admise, eliminarea pericolului de incendiu, securitatea în exploatare, etc.

Energia solară. Dispozitive de captare a energiei solare

Energia solara se regaseste in intreaga atmosfera, este practic inepuizabila si reprezinta cea mai curata forma de energie, aceasta consta in radiati calorice, luminoase sau radio emise de soare, sta la baza tutror proceselor naturale, ca si cuantum scoarta terestra capteaza o valoare enorma, aproximativ 720/106 TWh/an, valorile difera in ciclul zi/noapte precum si de latitudinea zonei unde este captata, de anotimpuri si nebulozitate.

In functie de domeniul de utilizare energia solara se imparte in doua mari categorii si anume:

energia solara termica

energia solara fotovoltaica

Prima categorie presupune utilizarea energiei solare pentru producerea de agent termic (apa calda) care sa fie utilizata pt diferite aplicatii, de la incalzirea rezidentiala pana la apa menajera sau utilizari in proportii mici pt domeni industriale.

Apele de suprafață ale oceanelor în zonele tropicale, natural încălzite de soare reprezintă un imens rezervor de energie. Proiectele de “extracție a acestei energii termice a mărilor” au la bază acționarea unor instalații termotehnice, care generează lucru mecanic ca urmare a diferenței de temperatură dintre cele două straturi de apă (de suprafață 25 – 30 ° C și de adâncime 5°C).

A doua categorie, cunoaste o dezvoltare accelerata, se bazeaza pe prodcerea energiei electrice direct prin captarea energiei solare in anumite dispozitive, numite panouri fotovoltaice compuse din celule de siliciu. Soarele furnizează în medie o putere de 1kW/m2 . Panourile fotovoltaice permit convesia doar a 10 – 15% din această putere, producția de energie electrică a unui panou de suprafață unitară variind cu creșterea sau scăderea intensității solare: 100kW/m2 și an în Europa de Nord iar în zona mediteraneană este mult mai mare.

Cuantumul energiei convertita din energie solara in tara noastra

Energia solară are o pondere redusă în producția de energie a României, putându-se spune că în prezent ea este reprezentată la nivel experimental. Potrivit datelor furnizate de Agenția Română pentru Conservarea Energiei (ARCE) este indicată pentru anul 2010 o pondere a energiei solare estimate la 7500 tep (tone echivalent petrol), iar pentru 2015 la 17000 tep, din care solar termic 7340 tep , respectiv 16000 tep și solar electric 160 tep, respectiv 1000 tep.

Potențialul energetic al României, care rezultă din cantitatea de energie solară, este evaluat la 1000 kW/m2 și an, distribuția geografică a cestui potențial este realizată pe 5 zone, din care zona zero cu potențial de peste 1250 kW/m2 și an, iar zona 4 cu potențial sub 950 kW/m2 și an. Radiația solară cu valori mai mari de 1200 kW/m2 și an se înregistrază pe o suprafață mai mare de 50% din sprafața totală a țării.

Evolutia sistemelor fotovoltaice in Romania

1974 – Laborator Surse Noi de Energie – NESL Institutul de Cercetari pentru Industria

Electrotehnica – ICPE

1976 – 1980 – Prima generatie de celule: Si mono, si . Productie industriala

1982 – Module PV de 6.5-10 Wp – laminare PVB/ EVA

1982 – 1986 – Aplicatii pentru locuri izolate:

• pomparea apei

• protectie catodica

• telecomunicatii

• iluminat si semnalizari.

1984 – Demararea Programului PVT Producerea combinata de caldura si electricitate (ICPE)

1985 – Lentile Fresnel liniare si sferice .Celule solare GaAs

1986 – Concentratoare cilindro-parabolice celule solare din Si monocristalin. Utilizare industriala pentru producerea de energie termica.

1987 – Solar Home System (ICPE) 1kWp. Aplicatie autonoma 48/220V, 50Hz

1989 – Demararea Programului de Centrale Solare (ICPE):

•Centrala autonoma de 10kWp

•Centrala conectata la retea de 10kWp

1993 – Demararea programului de aplicatii autonome personalizate : UVT-DCEM.

1995 – Demararea Programului privind Integrarea în cladiri a sistemelor PV la Universitatea Valahia din Târgoviste.

1998 – Demararea programului de electrificare rurala: ICEMENERG, ICPE, UVT- DCEM “100 de Case alimentate din surse regenerabile”.

1999 – Amfiteatrul Solar din Targoviste: Prima BIPV aplicata in Romania 10kWp connectata la retea . Prima (si înca singura) instalatie solara de 10kW integrata în mediul construit. Proiect INCOP din 1998. Functionala din mai 2001.

2002 – “Casa inteligenta si ecologica” la ICPE-NESL Baza de cercetare Agigea.

2004 – Demararea programului national de “Cercetare de excelenta”:

celule solare în strat subtire /celule solare organice /noi materiale pentru celule solare avansate

sisteme PV integrate în cladiri / sisteme complementare PV si solar termic

sisteme conectate la retea / producere distribuita / sisteme hibride cu pile de combustie

sfârsitul anului marcat rezultate deosebite.

PROGRAM BLOCAT ÎN IANUARIE 2009.

2005 – Centrala de 30kWp conectata la retea la Universitatea “Politehnica” Bucuresti – Proiect “PV enlargemen”

2007 – Centrala de 40kW, conectata la retea ICEMENERG-Bucuresti

2008 – Centrala de 10kWp conectata la retea la Universitatea “Transilvania” Brasov Colaborare cu ICPE Bucuresti & UVT-DCEM

2008 – Dezvoltare de Piata

• legea energiilor regenerabile

• programe si proiecte din fonduri nationale sau europene

• înfiintarea SunE.

2009 – Centrala de 22kWp conectata la retea. Electrica, statia Floresti. Girasolar Romania

Energia eoliana

WTS- wind turbine system

VAWT- vertical axis wind turbine

HAWT- horizontal axis wind turbine

PAE- productia anuala de energie

Vantul sta la baza energiei eoliene, acest tip de energie este folosit de cateva secole, incepand cu navele cu panze, morile de vant sau masini de treierat cereale, putem observa o utilizare in diferite domenii, fiind o sursa de energie teoretic regenrabile si la indemna (intensitatea depinde de conditiile geografice). Vantul rezulta ca efect al curentiilor de aer din convectia termica din atmosfera, rezultata din diferenta de radiatie solara intre regiunile ecuatoriale si regiunile polare.

Ca si statistica, din estimarile meteorologice aproximativ 1% din totalul energiei eoliene dintr-o zi este echivalent cu totalul consumului zilnic mondial de energie, generalizand, putem cuantifica energia eoliana ca fiind larg raspandita si cu un potential foarte mare, insa pt calcule exacte necesare pt proiectarea unui sistem energetic care utilizeaza acest tip de energie se executa calcule amanuntite asupra zonei, pt determinarea potentialului energeticeolian si perspectivele economice.

Utilizarea energiei eoliene consta in producerea energiei electrice (s-a renuntat la morile de vant, navigatie sau aplicatii in agriculture, la scara industriala sau comerciala) turbinele sunt montate in locatii indepartate de sistemul electric, pe sol sau pe apa, in paralel cu sistemul electric (sisteme hibrid cu alte surse de energie electrica), sau independente de acesta.

Tehnologia turbinelor eoliene utilizate in producerea energiei electrice este relativ noua (de la inceputul acestui secol), acestea avand ca principiu de functionare transforemarea energiei cinetice colectata prin palele roatative le turbinei (acestea induc o miscare de rotatie) in energie utila, mecanica, indusa intr-o masina electica, generator, pt transforamrea ei in energie electrica.

Ca si costuri energia eoliana se regaseste in intervalul 5-8 euro centi /KWh cu perspective de ieftinire datorate dezvoltarii echipamentelor, imbunatatirea randamentului dar si a impactului asupra poluarii. La nivel mondial exista aproximativ 60 producatori in industria eoliana, majoritatea fiind europeni, acestia contribuind la o crestere rapida a industriei, pin re-tehnologizare, concurenta si politici de incurajare a implementarii sistemelor energetice regenerabile.

Clasificarea Turbinelor eoliene

Turbinele eoliene pot fi de doua feluri:

turbine eoliene cu ax vertical (VAWT)

1-pale verticale

2-ax pale turbina

3-capac protectie

4-generator

5-inel ancorare

6-prindere generator

7-cablu de ancorare

8-13-sistem tensionare

9-14-ancore

10-turn

11-baza turn

15-cablu invertor

turbine eoliene cu ax orizontal (HAWT)

con protectie

pale turbina

generator eolian

ax sistem de pozitionare

pala de pozitionare

turn turbina

inel de ancorare

fire ancorare

cablu turbina

fundatie

După puterea electrică furnizată

Turbine de putere redusă (sub 100kW) utilizate în principal pentru uz casnic, agricol, etc.;

Turbine de putere mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în sistemele energetice naționale.

După modul de amplasare a paletelor

In contra vântului (vântul întâlnește întâi paletele și apoi nacela) – “upwind”;

În direcția vântului (vântul întâlnește întâi nacela și apoi paletele) – “downwind”

După locul de amplasare

Amplasare terestră;

Amplasare marină

Caracteristici si parametrii tehnici a turbinelor eoliene

Puterea nominala

Pt un randament crescut, dar si pt o stabilitate a puterii nominale rezultante inurma transformarilor in sistemul eolian avem nevoie de un flux cat mai constant al vantului (sursa energiei cinetice).

Ca si termeni tehnici definim Puterea nominala a turbinei ca fiind puterea maxima pe care o turbina eoliana (WTS) o produce, iar viteza vantului la putere nominala este viteza vantului la care se obtine puterea nominala, aceasta fiind caracteristica principala in procesul de proiectare a turbinei, se alege pt a potrivi regimul de viteze de lucru, aproximativ de 1,5 ori mai mare decat viteza medie a vantului masurata in teren.

Se defineste notiunea de viteza de deconectare a turbinei, aceasta fiind viteza la care din motive de siguranta se deconecteaza turbina din exploatare, intervalu vitezei de deconectare este intre 25 si 30 m/s (furtuni, vijelii violente).

fig. curba de putere pt o turbina eoliana

Puterea generata de turbina eoliana

In procesul de transformarea a energiei cinetice se stabilesc unitati de masura pt viteza vantului neperturbat, in fata rotorului ( ) si viteza vantului in spatele rotorului (, diferenta dintre aceste viteze cuantifica energia cinetica extrasa care urmeaza sa roteasca rotorul, implicit si generatorul electric aflat la capatul opus al arborelui.

Puterea produsa se calculeaza cu relatia:

P=ηA

unde:

-densitatea aerului

– coeficient de putere (in conditii teoretice =16/27=0,593 , limita lui Betz, ce se traduce in echivalentul extras de turbina fiind de 59,3% din energia fluxului de aer; in conditii practice = 0.5 deoarece se scad pierderile aerodinamice)

η – randamentul mecani/electric

A- aria discului rotoric

fig. Puterea extrasa pe din suprafata rotorului in functie de viteaza vantului

Productiade energie a unei turbine eoliene depinde de distributia vitezei vantului in situl analizat, de marimea rotorului sau caracteristicile tehnice ale acestuia precum si de densitatea aerului.

Ca si aspecte de proiectare si analiza tehnico-economica trebuie laut in calcul ca viteza vantului creste odata cu inaltimea la care este masurata (amplasata turbina) dar scade rigiditatea instalatiei, densitatea aerului scade odata cu inaltimea se incadreaza in intervalul 0,9 – 1,4 kg/ si este influentata de climatul zonei ( in zone cu climat cald aerul este mai putin dens).

Profilul vitezei vantului

Viteza vantului este influentata de arhitectura urbana, rigurozitatea suprafetei si intaltimea la care se masoara, cu cat inaltimea creste, rigurozitatea devine mai nesemnificativa, scade ca si potential diminuator asupra vitezei vantului.

Putem spune ca distributia vitezei vantului peste o inaltime oarecare h este profilul logaritmic al acesteia, expriamrea matematica este de felul:

v=ln()

unde:

h- inaltime la care masuram viteza vantului

– viteza de frecare

k- constanta lui Karman

– inaltimea rugozitatilor

fig. Profilul vitezei vantului

Estimarea productiei energiei eoliene

In proiectarea si implementarea unui sistem energetic cu sursa de energie eoliana este prioritar sa luam in calcul incertitudinea cu care determinam viteaza anuala a vantului si curba de putere, acestea se vor regasi in calculele predictive economice, deoarece tehnic exista posibilitatea realizarii instalatilor dupa norme si stasuri, sau chiar supradimensiona pt un grad ridicat de siguranta.

Pt a calcula o productie anuala de energie (PAE) se va face un calcul estimativ, prin una din cele doua metode:

Distributia teoretica a vantului si curba de putere

Histograma vitezei vantului si curba de putere

Estimarea PAE prin metoda distributiei teoretice a vantului

Exista doua tipuri de distributii ce se folosesc in general pt estimarea potentialului energetic, distributia Weibull care utilizeaza un parametru de forma si un parametru de scara, respectiv distributia Rayleigh, in care parametrul de forma este egal cu 2, aceasta are expresia matematica:

F(v)= 1-

unde:

F(v)- distributia cumulata Rayleigh a vitezei vantului

ṽ- viteza medie anuala a vantului la inaltimea axului rotorului.

Productia anuala de energie are expresia:

AEP=8760*)

unde:

N- nr de casute

– viteza vantului v in casuta i

– Puterea medie in casuta i

Estimarea PAE prin utilizarea histogramei vitezei vantului masurat

In urma unor analize statice a masuratorilor reale de vant, din amplasamentul in care se va instala turbina eoliana, rezulta o histograma si o curba a puterilor care ajuta la o estimare mai precisa a PAE.

Calculul PAE se face in trepte, astfel ca pt fiecare treapta de viteza a vantului, inmultim numarul de ore din treapta cu puterea generata de turbina corespunzatoare si obtinem enegia pe acea treapta; valorile tuturor treptelor se insumeaza si determina PAE.

*observatie: se tine cont de limitele minime si maxime a vitezelor vantului la care se conecteaza turbina eoliana (limita minima a vantului de conectare a turbinei si limita maxia de iesire din functionare a turbinei), acestea se exclud din calculul total deoarece puterea rezultanta este egala cu 0.

fig. Exemplu de histograma a vitezei vantului pt si

fig. Exemplu de curba de putere (la densitatea aerului standard 1,225 kg/

unde ;

Factori care influenteaza selectia locatiei

Nu doar regimul vantului poate influenta alegerea locatiei pt instalarea unei turbine eoline, mai exista si alte aspecte de laut in calcul, cum ar fi:

accesul la rețeaua electrică

drumul de acces

efectele locale asupra mediului, inclusiv afectarea peisajului

apropierea de locuințe

efectele de zgomot

interferența cu semnalele radio si TV

Energia geotermala

Putem definii energia geotermala, ca energia termica naturala, din interiorul Pamnatului, care poate fi extrasa si utilizata pentru producerea energiei termice utilizata industrial sau rezidential sau se poate transforma in energie electrica.

Energia geotermala este prezenta pe intreaga suprafata a aplanetei, dar cu variatii de temperatura, cele mai bogate zone sunt regiunile vulcanior activi (tineri). Este o energie regenerabila, deoarece este inepuizabila, atat timp cat planeta este luminata de soare (existra transfer termic intre soare si pamant) nu fluctueaza in intervalul unei zile sau a unui an (cum se intampla la energia solara, sau eoliana) astfel impune un grad mare de siguranta in vederea exploatarii, ca si cuantum, energia geotermala este estimata la 42 milioane MW (1 MW asigura necesarul a 1000 locuinte rezidentiale).

Ca si dezavantaje in vederea exploatarii putem enumera costul ridicat necesar forarilor, este dispersata, astfel pot fi zone intinse fara o concentratie rentabla pt exploatare, se poate gasi doar la adancimi foarte mari sau sub soluri pietroase, greu accesibile sau imposibile forarii.

In urma exploatarii impactul cu mediu destul de mic și controlabil. De fapt, energia geotermală produce emisii atmosferice minime. Emisiile de oxid de azot, hidrogen sulfurat, dioxid de sulf, amoniac, metan, pulberi și dioxid de carbon sunt extrem de mici, în special atunci când sunt comparate cu emisiile provenite de la combustibilii fosili.

Parametrul principal al energiei geotermale. Gradientul de temperatura

Pentru a determina tipul de aplicatie in care urmeaza a fi folosit agentul geotermal, este foarte important sa determinam un parametru fundamental, acest parametru poarta numele de gradient de temperatura geotermal si reprezinta creșterea progresiva a temperaturii cu adâncimea, în medie cu 3 °C pentru fiecare 100 m (30 °C/km).

De exemplu, dacă temperatura după primii câțiva metri sub nivelul solului, care în medie corespunde cu temperatura medie anuală a aerului exterior, este 15 °C, atunci se poate presupune în mod rezonabil că temepratura va fi de 65-75 °C la 2000 m adâncime, 90-105 °C la 3000 m și așa mai departe pentru următoarele câteva mii de metri.

Fig. – Temperatura funcție de adâncime pentru diverse gradiente geotermale;

temperatura presupusă a solului este de 17° C

Fluxul termic terestru mediu al continentelor și oceanelor este de 65 și respectiv 101 mW/m2, ceea ce ponderat cu suprafața lor, însemnă o medie de 87 mW/m2 (Pollack et al., 1993).

Cel mai comun criteriu pentru clasificarea resurselor geotermale este acela bazat pe entalpia

fluidelor geotermale care îndeplinesc rolul de purtător de căldură din rocile de adâncime, către

suprafață. Entalpia, care poate fi considerată, mai mult sau mai puțin, proporțională cu

temperatura, este utilizată pentru a exprima conținutul de căldură (energie termică) al fluidelor și

oferă o imagine generală despre “valoarea” acestora. Resursele sunt împărțite în resurse de

joasă, medie si înaltă entalpie (sau temperatură), în conformitate criteriile care au în general la

bază conținutul energetic al fluidelor și formele lor potențiale de utilizare. Tabelul 1 prezintă

clasificările propuse de un număr de autori.

Tabelul 1. – Clasificarea resurselor geotermale (°C)

Surse:

(a) Muffler and Cataldi (1978)

(b) Hochstein (1990)

(c) Benderitter and Cormy (1990)

(d) Nicholson (1993)

(e) Axelsson and Gunnlaugsson (2000)

Domenii de utilizare a energiei geotermale

Cel mai important domeniu in care energia geotermala de inalta temperatura (>150°C) este utilizata, este cel al generarii energiei electrice. Diagrama Lindal clasică (Lindal, 1973) arată utilizările posibile ale fluidelor geotermale la diferite temperature (figura 3). Fluidele la temperaturi sub 20 °C sunt rar utilizate și în condiții foarte particulare, sau în aplicații de gen pompă de căldura.

Energia geotermala la temperaturi mai mici de 90°C se folosesc direct pentru incalzirea rezidentiala sau industriala, agricultura, acvacultura. La temperaturi mai mici de 40°C se pretaza utilizarii cu ajutorul pompelor de caldura pt diferite sisteme de incalzire, aceste pompe pot fi combinate cu schimbatoare de caldura de diferite tipuri.

Fig. – Utilizările posibile ale fluidelor geotermale (derivată din Diagrama Lindal, 1973)

Cercetarea si exploatarea resurselor geotermale

Identificarea unui rezervor geotermal este o activitate complexă care constă din diferite faze, pornind de la explorarea suprafeței unei zone date. Aceasta constă din evaluarea preliminară a manifestărilor geotermale curente (izvoare de apă fierbinte, fumarole, jeturi de abur, geizere etc.), urmată de investigații geologice, geochimice, geofizice și de forarea unor puțuri de explorare (câteva sute de metri adâncime), pentru a măsura temperature (gradientul geotermal) și pentru a evalua fluxul de căldură terestru.

Metode de exploatare

Obiectivele explorării geotermale sunt următoarele: (Lumb, 1981):

Identificarea fenomenului geotermal.

Verificarea existenței unui câmp de producție geotermal.

Estimarea dimensiunii resursei.

Determinarea tipului de câmp geotermal.

Localizarea zonelor productive.

Determinarea conținutului de energie temică a fluidelor care va fi obținută prin forarea

puțurilor în câmpul geotermal.

Stabilirea unui set de date de bază, în raport cu care se vor compara rezultatele monitorizării ulterioare.

Resursele geotermale din tara noastra

Tara noastra are un potential geotermal ridicat, locul 3 in Europa dupa Italia si Grecia, dar ca si utilizare a resurselor pozitia este exprimata in tabelul alaturat. În țara noastră, resursa geotermală cu cea mai mare entalpie a fost identificată la Băile Tușnad.

Cinci locații au temperaturi de peste 100 °C.

Fig. – Utilizarea energiei geotermale, conform PNAER, PJ (Sursa JRC, 2011)

Apele geotermale din țara noastra sunt ape geotermale cantonate în straturi sedimentare, caracterizate prin presiuni mici și încălziri modeste. Ele conțin în principal biocarbonați, sulfați, cloruri, hidrocarburi în stare liberă și dizolvată. Pentru apele din straturile sedimentare se folosesc următoarele procedee de tratare.

Două companii românești sunt implicate în prezent în proiecte geotermale. FORADEX S.A., din București, are concesiuni atât pentru explorare, cât și pentru exploatare a rezervoarelor geotermale din jumătatea de sud a României (Banat, Valea Oltului – județul Vâlcea și nordul Bucureștiului). Transgex S.A., din Oradea are concesiuni de explorare și exploatare pentru rezervoarele geotermale localizate în partea de vest a României (în special în județul Bihor).

Există peste 250 de puțuri forate la adâncimi de 800-3500 m, care indică prezența resurselor geotermale de joasă entalpie (50 – 120 °C), în 9 zone geotermale, 7 în partea de vest și 3 în partea de sud a țării. Rezervele identificate, unde sunt deja forate puțuri, sunt estimate la peste 200 PJ pentru următorii 20 de ani. Însă potențialul tehnic a fost estimat la aproximativ 6 TJ/an. Puterea totală instalată a puțurilor deja existente este de aprox. 550 MWt (pentru o temperatură de referință de 25 °C).

Hidroenergia

HMP -hidrocentrale de mica putere

ESHA Asociația Europeană pentru hidrocentrale de mică putere

CTE centrala termoelectica

CHE centrala hidroelectrica

CET centrale termoelectrice cu termoficare

SE sistem energetic

Hidroenergia sau energia apei rezulta din miscarile maselor de ape intr-un circuitnatural sau artificial, aceasta se colecteaza sause foloseste direct prin diferite procedee tehnice, in unitati denumite hidrocentrale, acestea au rolul de a transforma energia apei in energie mecanica si ulterior in energie electrica.

Hidrocentralele de mica putere (HMP) instalate la nivel european si mondial reprezinta o contributie foarte mare la totalul de energie electrica din SER,se estimeaza o capacitate de 48.000 MW instalata si un potential tehnic si economic de peste 180.000 MW.

HMP utilizeaza energia apelor aflate in miscare naturala, fara a fi nevoie de constructia barajelor sau constructii pt captarea apei, limita maxima de putere variaza intre 2,5 si 25 MW insa la nivelul UE, ESHA (Asociația Europeană pentru Hidrocentrale de Mică Putere) a acceptat si promovat o valoare pt limita maxima de pana la 10 MW, prcum si doua categorii de clasificare a MHP-urilor:

mini hidrocentrale <500kW

micro hidrocenrale <100kW

HMP au de asemenea un impact semnificativ în sensul înlocuirii combustibililor fosili, deoarece spre deosebire de alte surse regenerabile de energie, HMP pot de obicei produce energie electrică în orice moment, în funcție de cerere (nu necesită sisteme de stocare sau de rezervă), cel puțin în momentele anului în care este disponibil un debit de apă corespunzător, iar în multe cazuri se oferă energie la costuri competitive față de centralele electrice pe bază de combustibili fosili.

Avantajele MHP

Dezvoltate pe intreaga suprafata a globului, unde se preteaza din pct de vedere tehnic (debitul apei permite aceasta), MHP reprezinta solutia cea mai fiabila si eficienta din pct de vedere economic pt producerea energiei electrice fara emisii poluante. Fata de centralele eoliene, sau panourile fotovoltaice sublinez cateva avantaje:

eficeinta ridicata fata de restul tehnologiilor, intre 70 si 90%

factor de capacitate (>50%) mult ai ridicat fata de energia solara 10% si energia eoliana 30%

variabilitate scazuta ( energia electrica poate varia de l ao zi la alta, nu in intervale de minute)

corelarea foarte buna cu cererea (iarna randamentul se mentine)

tehnologie durabila si solida, pot fi proiectate pt o functinare de pana la 50 de ani

Energia electrica obtinuta din energia apei

Energia apei este condsa prin anumite procedee tehnice catre turbina hidroelectrica care transforma presiunea apei in putere mecanica la ax, acestase foloseste pt actionarea unui generator electric, energia electrica rezultanta este direct proportionala cu produsul caderii si debitul apei, astfel definim ecuatia energiei electrice produse de hidrocentrala:

P =n ρ g Q H

unde:

P este puterea mecanică produsă la axul turbinei (W),

n este eficiența hidraulică a turbinei,

ρ este densitatea apei (1000 kg/m3),

g este accelerația gravitațională (9,81 m/s2),

Q este debitul de apă care trece prin turbină (m3/s),

H este căderea efectivă a apei la nivelul turbinei (m).

Cele mai bune turbine pot avea eficiențe hidraulice de ordinul a 80-90% (mai mare decât orice alte generatoare de forță motrice), deși aceasta scade odată cu dimensiunile. Sistemele microhidro (<100kW) au eficiențe de de 60-80%. Dacă se ia în considerare o eficiență tipică apă-energie electrică a sistemului de 70%, atunci ecuația de mai sus se simplifică la:

P (kW) = 7 × Q (m3/s) × H (m)

Tehnologia utilizata in sistemele hdrocentralelor

Principala componenta a hidrocentralelor este turbina, acestea convertesc energia apei in cadere, in energie cinetica de rotatie a unui ax, alegerea turbinei se face in functie de caracteristicile si conditiile locatiei (cadere si debit) si viteza dorita pt functionarea generatorului.

Turbina poate fi cu:

reactie -utilizeaza intreaga presiune si viteza a apei (acestea scad la evacuarea din centrala), rotorul este complet imersat,

impuls -rotorul nu este imersat, jetul de apa care iese dintr-o duza este orientat catre palele rotorului

Tabel 1 Tipuri de turbine

fig. 1 Principalele scheme pt fiecare tip de turbina

Randamentul turbinelor

Randamentul unei turbine este definit de raportul dintre puterea transmisa la ax (puterea turbinei) si puterea hidraulica echivalenta cu debitul masurat sub caderea neta ( puterea absorbita), pt o estimare generala, eficienta turbinei se inmulteste cu eficenta multiplicatorului de viteze daca este folosit un asemnea dispozitiv si eficienta multiplicatorului alternatorului.

Turbina este in general proiectata sa functioneze aproape de punctul de maxima eficienta, in jur de 80% din debitul maxim admis, variatia debitului de la aceasta valoare duce la scaderea eficientei turbinei. Intervalul de debit precum si energia generata sufera variatii daca proietarea sistemului se face pt o conectare la o retea de distributie extinsa ( debitul nominal trebuie valorificat din pct de vedere economic la maxim,) sau daca sistemul trebuie sa furnizeze energie electrica unei retele mici (debitul se selecteaza pt a permite productia energiei electrice pe tot parcursul anului).

Fig.2 Eficienta principalelor tipuri de turbine la debit partial

Puterea instalată și energia produsă de centrala hidroelectrică

Puterea nominală a unui generator dintr-un sistem hidroenergetic este puterea efectivă pe care acesta il poate furniza in condiții care garantează o anumită durată de viață. Suma puterilor nominale a generatoarelor din intreg sistemul reprezinta puterea instalată a acestuia, stabilirea acesteia necesita calcule hidroenergetic,care i-au in considerare nivelul de lucru din lacul de acumulare și anumite considerente tehnico-economice.

Puterea instalată este egală cu suma puterii garantate, a puterii suplimentare și a puterii de rezervă.

Pinst=Pgar+Psupl+Prez

Puterea garantată

Puterea garantată se determină pe baza utilizării graficului zilnic de sarcini și al graficului de asigurare al puterii zilnice pentru o serie multi-anuală având în vedere principiul compensării. Graficul de asigurare definește întreg domeniu pentru puterile posibile , de la P min, cu asigurarea P=100% pănă la P max , cu asigurarea P min.

Fig. 3 Curba de asigirare a puterii zilnice

Din curba puterilor zilnice se alege puterea ce urmeaza a fi asigurată P asig., aceasta se consider p(%), urmând a se calcula energia asigurată zilnic.

Fig. 4 Determinarea puterii garantată

Puterea suplimentară

În cazul unor central hidroelectrice ( datorită capacității limitate de compensare ) pe perioada de afluență mare apare un excedent de putere datorită evitării deversărilor; această putere se numește putere suplimentară P supl. Deoarece aceasta putere nu se garantează, valoarea ei nu se scade din totalul puterilor existente in sistem de la celelalte centrale, însă se folosește pentru economia de combustibil a CTE și CET.

Puterea de rezervă

În general, acest tip de putere este necesară pentru acoperirea gruurilor avariate (P av), pentru acoperirea unor supra-sarcini momentane care perturbă funcționarea SE (P s sar), pentru acoperirea grupurilor aflate în reparație (P rep) și pentru creștere economic (P ec).

Prez=Pav+Ps sar+Prep+ Pec

Se consider că energia medie multianuală variază și devine astfel o caracteristică principal în vederea stabilirii indicatorilor tehnico-economici ai CHE. Timpul de utilizare al puterii instalate estimează funcționarea CHE în sistemul energetic

Pentru funcționarea la vârf de sarcină Tu < 2000 ore/an, semivârf Tu =3000-5000 ore/an., iar în medie Tu= 3500 ore/an.

Biomasa

Conform cu definiția dată de Directiva 2009/28/CE, biomasa este “fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură (inclusiv substanțe vegetale și animale), silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultură, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale”

In urma procesarii industriale adecavate biomasa proaspat recoltata este eligibila pt convertirea in produse de forma gazoasa similare cu gazul natural, lichida sau solida. Dupa aplicarea unor procese de transformare ( gazeificarea, piroliza) biomasa se transforma in bio-combustibil pt transport, bio-caldura sau bio-electricitate.

Tipuri de biomasa

Cea mai mare parte a biomasei care se preteaza valorificarii ca si bio-energie se regaseste in resturile vegetale si/din produs animaliere. Se distinge o prima caracteristica a diferitelor tipuri de biomasa si anume originea ei, aceasta poate provenii din sectorul agricol, sector industrial, sectorul urban sau silvicultura. O alta caracteristica a clasificarii este natura biomasei, culturi energetice, reziduri agricole sau forestiere si deseuri.

Culturi energetice

Culturile energetice se regasesc in sectorul agricol si forestier, acestea se divizeaza in cateva categorii:

Culturi ierboase anuale

Cea mai mare parte a agriculturii moderne pe scara larga este rerezentata de cultivarea palntelor ierboase (monocotiledonate) printre acestea regasim culturi ierboase multianuale precum cerealele, dar si alte culturi de cereale sfecla de zahar, trestie de zahar, culturi furajele, sau trifoi.

Plantele acestea se pot folosii aproape integral in transformarea lor ca biomasa, datorita continutului de amidon din tulpina, seminte si tuberculi, iarr pt o cultura cat mai bogata in interval cat mai mic, sa dezvoltat procesul de reproducere selectiva (mai ales pt culturi non alimentare) acest proces consta in modificarea raportului seminte/plante cu accentuarea cresterii productiei de seminte.

Culturi ierboase perene

Acest tip de biomasă se utilizeaza ca materie primă pentru producția de bioenergie atunci când este viabil din punct de vedere economic. Dintre aceste culturi, speciile de stuf și trestie cu creștere rapidă (Arundo Donax, Iarba Elefantului) pot avea o utilizare bună a nutrienților disponibili pentru a crește productivitatea biomasei; dar, în același timp, alte caracteristici agronomice reprezintă încă puncte slabe, cum ar fi sterilitatea florală, costurile prohibitive pentru înființarea culturii, mecanizarea relativ redusă a recoltării, umiditate mare a produsului recoltabil și conținut ridicat de cenușă

Culturi oleaginoase

Culturile oleaginoase cuprind culturi anuale de semințe oleaginoase și culturi de arbori pereni oleaginoși. Cea mai reprezentativa cultura de tip oleaginoasa din zona europeana, este cultura de flaorea soarelui si soia, uleiurile vegetale rezultante prin presare mecanica si/sau prin extractie cu solventi, se folosesc in industria alimentara si cosmetica. Partea lignocelulozica a culturilor oleaginoase se arde si se obtine energie termica, in timp ce uleiurile vegetale mai pot fi utilizate pt aplicatii bioenergetice, sau ca inlocuitor pt combustibilul diesel.

Producția de biodiesel din diferite semințe oleaginoase necomestibile a fost intens investigată de-a lungul ultimilor ani. Aceste semințe oleaginoase necomestibile includ: arbore Jatropha (Jatropha curcas), Karanja (Pongamia pinnata), semințe de tutun (Nicotiana tabacum L.), tărâțe de orez, Mahua (Madhuca indica), Neem (Azadirachta indica), arbore de cauciuc (Hevea brasiliensis), semințe de in și mircoalge, etc.

Culturi lignocelulozice

Porumbul și soia sunt culturi anuale, diferite forme de culturi bioenergetice lignocelulozice sunt de obicei perene. Pe langa acestea, culturile lignocelulozice includ si culturile ierboase perene si alte culturi arboricole. Speciile de foioase includ si speciile lemnoase precum: Salix spp, plopul Populus spp., eucaliptul și altele. Dintre acestea, plopul, Miscanthus și virgatum atrag interes ridicat datorita productiei lor de biomasa, mai mare decat alte culturi, precum si a utilizarii mult mai eficiente a nutrientilor si potentialul redus de erodare al solului.

Biomasa obtinuta din reziduri si deseuri

Directiva UE 2008/98/CE definește diferența dintre subprodus și deșeuri: “subprodusele sunt acele materiale care pot fi reutilizate, în timp ce deșeurile sunt definite ca materiale rezultate la sfârșitul ciclului de producție și care nu pot fi reutilizate“

Tabelul 1 – Procesarea deșeurilor

Potentialul biomasei

Cel mai important sector din punct de vedere al potentialului de productie a biomasei utilizata in scop energetic, este cel agricol. Pentru o estimare corecta a potentialului, este nevoie sa luam in considerare productia locala in raport cu materia agricola.

Microalgele reprezintă o nouă frontieră a culturilor energetice, cu un potențial ridicat pentru producția de biocombustibil. Punctele tari sunt: ciclu de viață scurt, activitatea de fotosinteză este mai bună decăt la plante, conținutul de lipide variază între 25 -75 t/ha.

Estimarile in vederea rezervelor si calcului potentialului biomasei trateaza aspecte legate de exactitatea datelor ce fac referire la deseurile si rezidurile existente, biomasa din culturile energetice si definirea resurselor disponibile in situatia in care limitele tehnice si economice sunt incerte.

Evaluarea “Aprovizionării durabile cu biomasă” ("Sustainability Biomass Supply" – SBS) este posibilă doar evaluând și monitorizând toate aspectele cheie legate de filiera de utilizare energetică. Estimarea cantitatii de biomasa ca si produs primar dar si reziduri pt o anumita regiune poate fi calculata prin ecuatia urmatoare:

Biomasa=Suprafața_sau_numărul_de_vite·producția i RtPi(1-pierderii)·

(1-utilizăre_curentăi)·(1-Ecoli)·Econi

unde:

Suprafata _ sau _ numarul _ de _ vite i [ha/nr.vite]: reprezintă suprafața sau nr. de vite

implicate i în regiunea studiată;

Producția i (t/ha): este productivitatea culturii sau producția de gunoi rezultat de la vite i în

regiunea studiată;

Rt Pi: este indicele reziduu-produs pentru cultura sau gunoiul menajer rezultat de la vite i;

Pierderi i (%): pierderile de reziduuri din motive tehnice i;

Utilizare_curenta i (%): utilizarea curentă a reziduurilor i;

Ecol i (%): fracția de reziduuri care nu ar trebui îndepărtate, din motive ecologice i;

Econ i (%): fracția de reziduuri care este disponibilă din punct de vedere economic pentru a fi

utilizată în scopuri energetice i.

Figura Schema tehnologica pt producerea biomasei (CE, 2007)

Metode de modelare si simulare a panourilor fotovoltaice folosind MatLAB

Printre sistemele care folosesc surse de energie regenerabila, celulele fotovoltaice sunt promintatoare din cauza calitatilor intrinseci ale sistemului insusi: un cost de exploatare foarte scazut (nu necesita combustibili), nevoi de intretinere limitate, sigure, silentioase si foarte usor de instalat. In plus, în unele aplicații de sine stătătoare celule fotovoltaice sunt, cu siguranță convenabile în comparație cu alte surse de energie , în special în acele locuri care nu sunt accesibile si neprofitabile pentru a instala linii electrice tradiționale. In vederea dezvoltarii unui nou proiect, cererile si specificatiile parcului fotovoltaic sunt de obicei neclare, incomplete si nu sunt integrate in procesul de design.

Simulink: modelarea unei celule solare

De obicei celulele solare sunt modelate folosind diferite tipuri de circuite echivalente.Orice model fotovoltaic este bazat pe comportamentul de dioda care ofera celulelor fotovoltaice caracteristica ei exponentiala. In Simulink celulele solare pot fi modelate cu 3 sisteme de modelare.

Prima posibilitate a modelarii poate fii facuta cu instrumente care pot implementa orice ecuatia diferentiala sau relatie algebrica a unui model de inalta complexitate matematica.

O alta posibilitate este oferita de Simscape care permite modelarea directa folosind comportamentul psihic al componentelor fizice dintr-un domeniu electric. (rezistențe, condensatori , diode) pentru a implementa exact aceleasi ecuati matematicr.

Un sistem de modelare mult mai complex decat cele descrise mai sus se realizeaza utilizand SimsElectronics, o componenta din biblioteca MatLAB avansata, care contine un bloc numit Celula Solara. Celula solara din libraria MATLAB este o sursa electrica care include inductie electrica solara si este dependenta de temperature.

Intensitatea curentului electric indus de soare

Blocul fotovoltaic este format dintr-o singura celula solara echivalenta cu o rezistenta conectata in serie cu o combinatie paralela a unei surse electrice, 2 diode exponentiale si o rezistenta paralela .

Curentul produs este calculat cu ecuatia:

I= – (-1) – (-1) –

unde:

curentul indus de soare =

radiatia solara pe suprafata celulei exprimata in

masoara curentul generat de soare pt radiatia

saturatia electrica pt prima dioda

saturatia electrica pt a doua dioda

= reprezinta intensitatea termica si depinde de temperatura dispozitivului (T)

k constanta lui Boltzmann

q incarcarea elementara a electronului

N factorul de calitate, (coeficientul de emisie pt prima dioda)

factorul de calitate, (coeficientul de emisie pt a doua dioda)

V tensiunea la borne a celulei solare

Acest bloc permite alegerea unuia dintre doua modele:

un model cu 8 paramentrii in care ecuatia anterioara descrie curentul de iesire

un model cu 5 parametrii daca pt aceasta ecuatia matematica sunt aplicate urmatoarele ipoteze simplificatoare: impedanta paralelului resistor este infinit si saturatia curenta a diodei a doua este zero. Modelul cu 5 parametrii permite optimizarea acestui bloc conform circuitului echivalent cu parametrii modelului sau printr-un scurt circuit electric si un circuit electric deschis.

Dependenta fata de temperatura

Majoritatea parametrilor celulelor solare (curentul de inductie , saturatia electrica a primei diode, , saturatia electrica a celei de a doua diode , rezistenta serie si rezistenta paralela ) depind de temperatura. Temperatura celulelor fotovoltaice este specificata de valoarea parametrului temperaturii circuitului fix TFIXED. Intre curentul solar indus I ph si temperatura unei celule solare T exista relatia:

(t)= [1+T (T-)]

unde :

Teste primul coeficient al temperaturii pentru ;

este parametrul de multiplicare al temperaturii.

Modelul unei amenajari (centrale) fotovoltaice

Modelul aratat in figura 1 reprezinta o multime de cellule PV conectate la un rezistor variabil, acest resistor are o rampa de intrare care variaza liniar rezistenta in circuitul inchis cu pana la 30 de trepe. In asezarea fotofoltaica se gases 6 randuri de celule solare fotovoltaice conectate in serei, formate din 6 celule solare din libraria SimElectronics® (fig 2). Aceasta structura poate fi construia in orice alta configuratie prin conectarea multiplelor siruri de celule solare in serie sau in paralel.

fig.1 Modelul definit in Simulink pt o amenajare fotovoltaica

fig.2 Conectarea celulelor solare intr-un panou fotovoltaic

Avantajul utilizarii acestui nivel ridicat de imlementare este pentru a crea un circuit echivalent simplu care are mult mai multi parametri complecsi, incluzand efectul temperaturii in dispozitiv care este foarte important pentru comportamentul acestui tip de sistem. Panoul fotovoltaic este validat simulandu-se la o valoare de radiatie de 1000 si o temperature de 25 ºC

In figura 3 sunt prezentate curentul, voltajul si puterea care sunt obtinute la iesirea amenajarii fotovoltaice. Grsficele eprezinta curbele de current, voltaj si putere electrica in raport cu timpul. Cand rezistenta variaza, curentul si voltajul variaza in functie de relatia voltaj-timp din care rezulta curba puterii electrice.

fig.3 Curbele curentului, tensiunii si puterii electrice pt panourile fotovoltaice

Caracteristicile V-I si V-P ale amenajarii fotovoltaice sunt oferite de figurile 4 si 5. Curba V-I reprezinta comportamentul standard al celulei fotovoltaice si a amenajarii fotovoltaice respective. In mijlocul acestei caracteristici este punctul ce indica puterea maxima. Punctul este critic pentru acest gen de sistem in raport ce puterea maxima dezvoltata de amenajarea fotovoltaica. Obiectivul principal este sa incerc sa operez in jurul acestui punct maxim pt ca dinaranjarea celulelor fotovoltaice sa rezulte eficacitate maxima.

fig.4 Curba V-I

fig.5 Curba V-P

Modelarea folosind datele experimentale.

Din cauza mediului inconjurator conditiile in care se testeaza celulele solare sunt variabile, fiind foarte greu sa avem acelasi nivel de radiatie solara si temperatuai necesare pentru intrarea substantiala a sistemului in faza de teste.. Daca datele experimentale si modelul matematic sunt variabile, MATLAB si Simulink furnizeaza o metoda foarte buna de introducere a datelor prin controlul acestor unelte sau pot aduce informatii din Excel in aproape orice format. In acest caz, informatia poate fi introdusa in MATLAB cu unelte care ne permit sa facem curbe trasate de aceste puncte conforme cu datele si pot fi reprezentate in forma 3D.

MATLAB permite reprezentari matematice pentru a crea un nou bloc Simulink ,care reprezinta modelul. Principiul este oferit in figura Scriptul MATLAB foloseste “Curve Fitting Tool” (unealta amenajarii curbei) sa creeze o suprafata 3D pentru aceste puncte conform datelor prelevate. Aceasta suprafata este folosita pentru a genera vectorii current, tensiune si radiatia necesari la configurarea blocului 2D Lookup Table in Simulink.

Curve Fitting Tools este un algoritm puternic care permine realizarea unei
interpolari polinomiale, sau poate rula o ecuatie particulara, care in acest caz este foarte aproape de ceea care necesita enuntata in conformitate cu exponentialul curbei I-V. Acesta permite accesul la reprezentarea grafica, in care sunt 5 curbe V-I experimentale care corespund pentru diferite valori ale radiatiei solare (400, 600, 800,1000 si 1200 ), din care se incarca datele pentru a crea aranjamentul fotovoltaic ce urmeaza a fi simulat. Toti cei 5 vectori care corespund curbelor V-I sunt introdusi (datele pot fi introduse direct sau pot fi importate din Excel) si reprezinta comportamentul experimental pentru panoul fotovoltaic. In acest exemplu a fost efectuata o interpolare cubica. Modelul 3D din curbele V-I este schimbat in concordanta cu radiatia solara.

datele importate suprafata experimentala generata modelul 2D lookup

In figura 7 este aratat graficul interpolarii cubice pentru toate cele 5 curbe V-I importate. Folosim acel algoritm al interpolarii cubice pentru a genera o ecuatie matematica a carei suprafata sa reprezinte toate acele puncte in curbele V-I si toate punctele dintre ele. Aceasta interfata are mai multe optiuni pentru a salva graficul obtinut si de asemenea are optiunea de a genera o fila MATLAB, care genereaza functia numita MycreateSurfaceFit, in care sunt comenzi si functii pentru crearea interpolarii matematice.

O reprezentare matematica a suprafetei PV-VI este realizata. In spatiul de lucru din MATLAB este creat Surface Fit Object (o suprafata de potrivire a obiectelor). Acest obiect contine o interpolare matematica care furnizeaza curentul, voltajul si radiatia pt acest caz particular. Urmatorul pas este sa creez un vector de radiatie si un vector pt tensiunea electrica. Utilizand acesti vectori pt acest obiect, suprafata calculeaza ce valoarea de curent este necesara pentru panoul fotovoltaic.

fig.7 Modelul 3D pt curbele I-V

Dupa ce sunt calculate toate aceste valori este creat si deschis un nou model Simulink utilizand functia din MATLAB pentru a controla modelul Simulink importantd 2D Lookup table block (blocul tabelului de cautare) si completeaza automat acel bloc cu valorile tensiunii, a radiatiei solare si tabelul cu datele curentului pt suprafata fixata.

Modelul pt amenajarea fotovoltaica (PVVICurves 2D Lookup Table) are 2 intrari: radiatia soalra si tensiunea electrica si o iesire care reprezinta intensitatea curentului electric. Acest bloc prezentat in figura 8, poate fi folosit foarte usor ca o sursa de amenajare solara.

fig.8 2D Lookup Table si curbele PV-VI

In acest model, instrumentul Curve Fitting Toolbox este utilizat pt stabilitate, comportamentul V-I este static, dar datele experimentale sunt pentru un sistem dinamic. Modelul este validat in Simulink prin simularea conform blocului diagrama aratat in figura 9. Panoul fotovoltaic, al carui schema este oferita de figura 10, este modelat ca o sursa de curent continuu utilizand curbele V-I si blocul 2D Lookup Table creat anterior. Acest bloc are 2 intrari: radiatia venita de la portul 1 si tensiunea de intrare, care este un feedback de la sistem, la iesirea blocului este calculata intensitatea curentului electric. Deci acest model genereaza current si primeste tensiune electrica de la sistem.

fig.9 Simularea unui panou fotovoltaic

fig.10 Panoul fotovoltaic ca si sursa de curent continuu

Rezultatele experimentale

Caracteristica curbei V-I pentru incidenta radiatiei asupra celulelor fotovoltaice este imbunatatita si reprezentata in figura 11. Daca radiatia scade, intensitatea curentului electric fotovoltaic generat scade proportional si variatia tensiunii electrice la fara sarcina este foarte mica.

fig.11 Caracteristicile V-i pt diferite valori a radiatiei solare la temp de 25 ºC

Dupa cum este reprezentat in figura 12, cand temperature modulului creste, voltajul scade iar curentul produs ramane practice constant. In termenii de specialitate ce fac referire la productia puterii electrice acest fenomen o reduce performanta panourilor fotovoltaice.

fig.12 Efectul variaitiei temperaturii asupra performantei panourilor fotovoltaice

In figura 13 sunt reprezentate caracteristicile V-P a panoului fotovoltaic pentru un nivel de radiatie de 1000 si pentru diferite temperaturi, iar pt o mai buna analiza in figura 14 sunt redate caracteristicile V-P pentru diferite nivele de radiatie solara la temperature de 25ºC pentru panoul fotovoltaic.

fig.13 Efectul variatiei temperaturii la o radiatie constanta

fig.14 Efectul variatie radiatiei la o temperatura constanta

In figura 15 sunt reprezentate grafic diferite nivele de radiatie soalara, generate de Signal Builder block. Datele de radiatie pot fi imporate in Signal Builder din diferite tipuri de fisiere (excel, text sau Mat-files) sau manual prin crearea un semnal. Acesta poate permite ca datele reale ale radiatiei solare sa fei incarcate in modelul Simulink si dupa, introduse in panoul fotovoltaic. Aceasta forma de radiatie solara este folosita pentru simularea modelului, schimbarea instantanee de radiatie nu poate fii reala. Spre exemplu, variatia este echivalenta cu umbrirea provenita de la nori rapizi aflati in miscare, rezultand schimbarea aproape instant a luminii solare.

fig.15 Variatia radiatiei solare

Figura 16 prezinta rezultatele simularii modelului panoului fotovoltaic aratat in figura 9. Tensiunea electrica, intensitatea curentului precum si puterea electrica sunt reprezentate de curbe verzi, la iesirea din panoul fotovoltaic iar la iesirea din circuitul conectata la panoul fotovoltaic, sunt reprezentate prin curbe de culoare violet. Radiatia soalra este variabila, trecand succesiv prin urmatoarele valori: 600, 500, 800, 400 si 600

fig.16 Tensiuna, intensitatea si puterea electrica reprezentate in functie de radiatia solara

Din figura 14 se observa ca pentru o valoare a radiatiei solare de 600 care este trasata de curba de culoare albastru deschis, este obtinuta o putere maxima de 70W, pentru o valoare a radiatiei solare de 800 care este trasata de curba de culoare verde, panoul fotovoltaic poate furniza o putere maxima de 96W, asta conduce la necesitatea masurarii puterii electrice produse de panoul fotovoltaic care este supus unei radiatii solare variabile, pt a obtine un calcul cat mai exact.

Studiu de caz