Proiectarea Unui Sistem Autonom de Conversie a Energiei Solare In Energie Electrica

PROIECTAREA UNUI SISTEM AUTONOM DE CONVERSIE A ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ

Energia este considerată factorul cheie al dezvoltării societății umane. Pentru a păstra combustibilii fosili rămași pentru o perioadă cât mai lungă și pentru refacerea condițiilor vieții umane pe Pământ, trebuie să ne orientăm spre surse regenerabile de energie. O mare parte din consumatorii de energie sunt de tip electric, așadar interesul pentru tehnologiile de obținere a energiei electrice din surse nepoluante, accesibile și inepuizabile este în creștere. Lucrarea aceasta prezintă componenetele și principiile de funcționare ale unui sistem fotovoltaic, care transform energia solară în energie electrică

Cuprins

1. Introducere

2. Istoric

3. Radiația solară

3.1 Interacțiunea dintre radiație și materie

3.2 Radiația solară pe suprafața terestră

3.3 Calculul radiației solare disponibile

4.Tehnologia fotovoltaică

4.1 Celula fotovoltaică

4.1.1 Functionare

4.1.2 Caracteristici

4.1.3 Parametri

4.1.4 Materiale și tehnologii

4.2 Sisteme fotovoltaice

4.2.1 Module fotovoltaice

4.2.2 Stocarea energiei

4.2.3 Convertoare c.c.-c.c. pentru sistemele fotovoltaice

4.2.4 Invertoare pentru sistemele fotovoltaice

4.2.5 Securitatea electrică

5.Avantaje ale utilizării energiei solare

6. Aplicații ale tehnologiei fotovoltaice

7. Implementarea unui sistem neconectat la rețea pentru alimentarea unei case cu electricitate

Concluzii

BIBLIOGRAFIE

Anexa 1

Anexa 2

Anexa 3

1. Introducere

Omenirea a avut multe probleme de rezolvat pe parcursul istoriei sale de secole. Dar problema energiei a fost, este și va fi problema centrală, de rezolvarea căreia depinde funcționarea și dezvoltarea de mai departe a omenirii. Una din cele mai mari provocări ai secolului XXI constă în asigurarea accesului fiecărui cetățean al planetei Pământ la energie curată (nonpoluantă), durabilă și la un cost rezonabil.

Noțiunile “durabil”, “dezvoltare durabilă”, “economie durabilă”, etc. astăzi se utilizează frecvent, chiar poate prea frecvent, începând cu parlamente, la elaborarea legilor și strategiilor de dezvoltare a țării respective, guverne – în programele de guvernare, partide politice în programele lor electorale și terminând cu autoritățile publice locale și factorii economici, care trebuie să realizeze în viața de toate zilele acest concept de dezvoltare. Dar puțini cunosc, că noțiunile de “durabilitate – sustainability” și “dezvoltare durabilă – sustainable development” sunt termeni relativ noi, care au fost lansați de Comisia Brundtland a ONU (Gro Varlem Brundtland în acea perioadă era Prim-ministru al Norvegiei și concomitent Președinte al Comisiei ONU) în raportul “Viitorul Nostru Comun” în anul 1987. Comisia a definit noțiunea de dezvoltare durabilă ca “o dezvoltare care satisface necesitățile prezentului fără a compromite capacitățile viitoarelor generații să-și satisfacă propriile necesități”. Dat fiind faptul că producerea (conversia) energiei din surse fosile provoacă poluarea mediului, creșterea pericolului pentru sănătate, schimbarea climei, etc. conceptul de dezvoltare durabilă a fost acceptat și concretizat, în primul rând, în contextul dezvoltării sectorului energetic. Astfel, la Conferința Cadru a Națiunilor Unite privind Schimbarea Climei, care a avut loc în anul 1992 la Rio de Janeiro s-a formulat o definiție mai amplă a conceptului dezvoltare durabilă. Prin dezvoltare durabilă trebuie înțeles un proces al dezvoltării economice care va avea ca rezultat o îmbunătățire a nivelului de viață al omenirii, fară a se deteriora ecosistemul planetei noastre. Aceasta înseamnă o folosire ordonată a resurselor naturale pentru ca fiecare membru al omenirii sa aibă porția sa de mediu curat, precum și obligația sa de a se strădui sa îl îmbunătățească pentru a asigura copiilor săi o șansă mai bună decât a avut-o el însuși.

Pe parcursul a circa 200 ani omenirea a creat un complex energetic grandios și greu de imaginat, care asigură serviciile fundamentale: iluminatul, încălzirea, refrigerarea, transportul, procesele tehnologice, etc. Fără energie nu pot fi menținute standardele moderne de bunăstare, educație și sănătate. Totodată, s-a recunoscut că energia modernă este vinovată de apariția a numeroase probleme de mediu. Va trebui să găsim un compromis între cererea crescândă de servicii energetice și necesitatea acută de a proteja mediul ambiant.

Din perspectiva zilei de astăzi, numai sursele de energie regenerabilă satisfac toate condițiile ce trebuie îndeplinite pentru alimentarea cu energie în viitor. În plus, aceste surse de energie sunt mai puțin pretențioase în utilizare decât rezervele de combustibil fosil ce vor mai fi folosite o perioadă limitată.

Energia regenerabilă este energia obținută din fluxurile naturale (permanente) de energie existente în mediul înconjurător, de exemplu radiația solară, vântul, ploaia- toate considerate „surse de energii verzi”. Sursa directă de energie regenerabilă este mediul înconjurător, iar sursele indirecte sunt deșeurile, de exemplu din domeniul forestier sau deșeurile urbane. Cele trei mari surse regenerabile de energie sunt: soarele, vântul și biomasa; deși ele sunt disponibile în cantități suficiente în toate zonele populate, totuși sursa de energie regenerabilă instalată, cel mai des întâlnită în întreaga lume, este energia hidraulică.

În contrast cu combustibilii fosili și cel nuclear, epuizabili și care în esență sunt surse stocate de energie, formate pe parcursul multor milioane de ani, sursele regenerabile de energie (SRE) sunt definite ca „energii obținute din fluxurile existente în mediul ambiant și care au un caracter continuu și repetitiv”.

Energia combustibililor fosili este încorporată și poate fi eliberata în urma unei activități a omului. Prin eliberarea energiei stocate în combustibilii fosili sau cel nuclear, noi nu numai poluăm mediul ambiant cu deșeuri și amplificăm efectul de seră, dar contribuim la poluarea termică a mediului. În cazul folosirii SRE fluxul de energie, provenit din mediul ambiant, se transformă cu ajutorul instalației de conversie într-o altă formă de energie, necesară consumatorului, și apoi se reîntoarce în același mediu, echilibrul termic al acestuia nefiind afectat. Totodată, se elimină și bioxidul de carbon, ca produs al arderii carbonului, înmagazinat de milioane de ani în combustibilii fosili.

Comisia Europeană a inițiat, în iulie 2002, propunerea de promovare a producției combinate de energie electrică și termică pe bază de combustibili fosili și de valorificare a surselor regenerabile de energie și a deșeurilor. În sectorul energetic, în majoritatea statelor europene are loc o reconsiderare a priorităților privind creșterea siguranței în alimentarea consumatorilor și protecția mediului înconjurător, iar în cadrul acestui proces, sursele regenerabile de energie oferă o soluție accesibilă și garantată pe termen mediu și lung.

Într-o ședință extraordinară în plen, în ianuarie 2008, președintele Comisiei Europene, Jose Manuel Barroso, a prezentat Parlamentului European planurile Comisiei pentru combaterea schimbărilor climatice și pentru a oferi Europei surse mai sigure de energie. Legislația propusă are la bază principiul „20/20/20 până în 2020”: creșterea cu 20% a eficienței energetice, reducerea cu 20% a emisiilor de gaze cu efect de seră și utilizarea în proporție de 20% a surselor regenerabile de energie, până în 2020.

Istoric

Termenul “fotovoltaic” derivă din cuvintele “photos” (lumină) și “volt” (numele unității de măsura a forței electromotoare). Astfel, tehnologia fotovoltaică descrie generarea electricității cu ajutorul luminii.

Descoperirea efectului fotovoltaic este atribuită fizicianului francez Edmond Becquerel, care în anul 1839 a observat că tensiunea generată de o baterie crește dacă placa de argint este expusă radiației solare. Primul raport asupra efectului fotovoltaic a fost făcut de savanții din Cambridge W. Adams și R. Day în 1877, care au descris schimbările care au loc într-o placă de seleniu expusă luminii. În 1887 Heinrich Hertz a observat că o placă din zinc se încarcă cu sarcină pozitivă dacă este expusă unei radiații ultraviolete.

Prima celulă fotovoltaică a fost construită de electricianul american Charles Fritts în 1883 pe bază de seleniu, structura ei fiind foarte asemănătoare cu cea a celulelor din zilele noastre. Eficiența ei mai mică de un procent a facut-o inutilizabilă în industrie. La mijlocul secolului XX savanții și inginerii au revenit asupra studiului efectului fotovoltaic care are loc în semiconductoare. În anul 1954 echipa de ingineri de la Telephone Laboratories, D. Chapin, C. Fuller și G. Pearson, creează celula fotovoltaică din siliciu dopat, cu o eficiență cu mult mai mare decât celula din seleniu. În următorul an aceeași echipă construiește o celulă din siliciu cu un randament de 6%. În același timp apar și primii consumatori de energie fotovoltaică- sateliții artificiali. În anul 1958 au fost instalate celule fotovoltaice la bordul satelitului american Vanguard 1 pentru a asigura alimentarea unui emițător radio. Până în prezent celulele fotovoltaice sunt cele mai indicate surse de energie pentru tehnica spațială.

Competiția dintre SUA și ex-URSS din anii ’60 ai secolului trecut în domeniul surselor de alimentare cu energie electrică a sateliților a condus la o dezvoltare spectaculoasă a tehnologiei fotovoltaice și s-a produs o ruptură în dependența rigidă a energeticii descentralizate de sursele tradiționale: grupuri electrogene, baterii de acumulatoare sau baterii uscate.

Radiația solară

Interacțiunea dintre radiație și materie

Radiația solară este o parte integrantă din mediul nostru înconjutător familiar. Noi o percepem ca lumină și căldură prin intermediul simțurilor furnizate de organele noastre. Asocierea dintre calitatea acestor percepții este ilustrată printr-un efect observat în viața de zi cu zi astfel: obiectele negre expuse la soare se încălzesc mai mult decât cele deschis colorate. Temperatura unui metal negru expus la soare poate crește până la 60-80°C. Efectul radiației solare incidente pe suprafața materialelor este strict dependentă de proprietățile lor. Dacă utilizarea energiei solare este spre exemplu, încălzirea apei, atunci observația tehnică este utilizarea unui material cu suprafața de culoare cât mai închisă posibilă. Cu o lentilă, temperatura atinsă este suficientă pentru aprinderea unei foi de hârtie.

Oricum, fiecare experiență cu aplicația ei în sisteme tehnice simple, nu explică automat de ce obiectele negre vor fi mai mult încălzite decât cele deschise și nici nu putem să găsim aplicații de bază ce să nu corespundă experienței noastre imediate (intuitive). Conversia energiei solare prin celule solare, așa numitele celule fotovoltaice, nu a fost posibilă până când nu s-a atins un anumit nivel de cunoștințe despre fizica radiației și interacțiunea dintre radiație și materie.

Energia nu poate fi nici creată, nici distrusă. Ea poate fi doar convertită dintr-o formă în alta. Aceasta înseamnă că energia poate fi prezentă în diferite forme. Căldura care apare în obiectele de metal expuse la soare este numai una din formele energiei, așa numita energie termică. Deci, în concordanță cu legea conservării energiei, rezultatul procesului de conversie este tot o formă de energie. Conversia survine din interacțiunea între radiația solară și material. Proprietățile receptorului determină procesul și odată cu el, rezultatul interacțiunii între radiație și material.

Materia este alcătuită din entități extrem de mici, atomii, ce conțin un nucleu și electronii ce orbitează în jurul nucleului. Electronii sunt încărcați negativ, iar nucleul este pozitiv. Aparența exterioară a materialului și a proprietăților lui în stare solidă, lichidă și gazoasă, sunt determinate de tipul atomilor și forțele ce acționează între ei. Într-un corp solid, atomii sunt legați rigid unul de celălalt, pe când ei pot fi dispuși relativ la fiecare dintre ei, când mateîn concordanță cu legea conservării energiei, rezultatul procesului de conversie este tot o formă de energie. Conversia survine din interacțiunea între radiația solară și material. Proprietățile receptorului determină procesul și odată cu el, rezultatul interacțiunii între radiație și material.

Materia este alcătuită din entități extrem de mici, atomii, ce conțin un nucleu și electronii ce orbitează în jurul nucleului. Electronii sunt încărcați negativ, iar nucleul este pozitiv. Aparența exterioară a materialului și a proprietăților lui în stare solidă, lichidă și gazoasă, sunt determinate de tipul atomilor și forțele ce acționează între ei. Într-un corp solid, atomii sunt legați rigid unul de celălalt, pe când ei pot fi dispuși relativ la fiecare dintre ei, când materialul e în stare lichidă. Într-un gaz, atomii se pot deplasa independent de fiecare din ceilalți atomi.

Fig. 3.1 Modelul atomului

Fig. 3.2 Starile materiei

Pentru a înțelege interacțiunea între radiație și materie, cel mai potrivit model este cel prin care se consideră radiația ca fiind un flux de particule. Aceste „particule de lumină” sunt numite fotoni (phos = lumină în greacă) și sunt caracterizate prin următoarele proprietăți:

Un foton este indivizibil, el poate fi doar creat sau anihilat în integralitatea lui

Fiecare foton transportă o anumită cantitate, și numai această cantitate de energie. Aceasta este numită cuanta luminii

Dacă toți fotonii au aceeași energie, intensitatea radiației e determinată de numărul de fotoni

Energia individuală a unui foton este direct legată de o anumită caracteristică numită lungimea de undă a fotonului. O lungime de undă mică corespunde unei energii mari. Radiația solară este alcătuită din fotoni cu energie diferită. Distribuția fotonilor în funcție de lungimea de undă sau de energie, este numită spectru, înălțimea acestui grafic indică contribuția relativă a fotonilor ce furnizează o anumită energie în „mixture de fotoni”.

Fig.3.3 Spectrul radiatiei solare (Etr-Radiația extraterestră; Global Tilt – Radiația spectrală globală (totală) la nivelul solului; Direct + circumsolar – Radiația direct)

Ochiul uman percepe numai o mică parte din acest spectru, lumina vizibilă. Ca fotonii cu o energie și lungime de undă dată să creeze impresia unei culori când interacționează cu celulele receptoare din ochii, fiecare valoare a lungimii de undă poate fi corelată cu o anumită culoare.

Fig.3.4 Culorile domeniuluivizibil din spectrul solar

Când lumina soarelui trece printr-o prismă, ea este dispersată in componente de culori variate. Culorile curcubeului apar din același fenomen, particulele de apă lucrează ca niște prisme. Lungimile de undă de valoare mică sau fotonii cu energie mare, corespund culorilor violet și albastru din sfârșitul spectrului, pe când lungimile de undă de valoare mare corespund culorii roșu de la începutul spectrului. Lumina pur colorată conține fotoni cu un domeniu energetic foarte îngust, așa că spectrul este alcătuit dintr-o singură linie corespunzătoare respectivei culori.

Procesul de interacțiune dintre radiație și materie poate fi acum descris cu ajutorul modelelor prezentate. Interacțiunea dintre fotoni și atomi poate avea loc doar intr-un singur mod, în legătură strânsă cu caracteristicile fotonului cunoscute în prezent. Orice foton își transferă sau nu complet energia sa. Dacă energia fotonului este complet transferată, acesta nu va mai exista. Transferul de energie de la foton la material este numit absorbție. Dacă fotonul nu este anihilat, două tipuri de interacțiuni pot fi distinse:

fotonul trece prin material (transmisie)

fotonul este reflectat de suprafața materialului (reflexie)

Dacă fotonul este transmis sau reflectat într-o direcție arbitrară ce nu este corelată cu direcția incidentă, procesul se numește dispersie (ex. o rază de lumină este dispersată de o suprafață aspră și reflectată într-o singură direcție de o oglindă).

Fig.3.5 Tipuri de interactiuni dintre radiatie si materie

Tipul particular de interacțiune prin care este afectat un anumit material este determinat de structura sa atomică. Ținând cont de efectul transferului de energie, pot fi evidențiate cazurile următoare:

Energia transferată materialului crește energia cinetică a atomilor. Această creștere a energiei interne se evidențiază prin creșterea temperaturii corpului respectiv. In timpul procesului de absorbție, energia radiativă este convertită în căldură. Deși energia unui singur foton din domeniul spectral vizibil și ultraviolet este mai mare decât energia unui foton din infraroșu, radiația infraroșie este importantă în aplicații termice, o parte (35-40%) din energia solară totală, face parte din acest domeniu.

Transferul de energie provoacă o schimbare a stării interne a unui atom. În cazul ideal, starea externă, (ex: energia cinetică a unui atom) rămâne neschimbată. Acest proces stă la baza conversiei radiației solare cu celule solare. În acest caz, energia fotonului dislocă un electron dintr-un atom devenind disponibil ca sarcină liberă și contribuind la formarea curentului electric. Acest proces necesită ca materialul să aibă o structură specială.

Radiația solară pe suprafața terestră

În concordanță cu înțelegerea proprietăților fizice ale radiației, este importantă cunoașterea cantității acesteia precum și a tipului incident pe suprafața pământului, în utilizarea practică a energiei solare. Intensitatea radiației variază continuu odată cu ora din zi, anotimpul și condițiile meteorologice. Aceasta se măsoară în wați sau kilowați pe metru pătrat [Wm-2, KWm-2]. Energia radiației, puterea integrată pe o anumită perioadă de timp, este dată în wați-oră (de asemenea kilowați-oră, joules) pe metru pătrat.

Intensitatea radiației solare în afara atmosferei terestre variază între 1325 și 1420 Wm-2. Media radiației extraterestre este așa numita constantă solară (E0=1367 Wm-2). Reflexia, dispersia și absorbția atmosferei terestre reduce această radiație cu aproximativ 30%, deci radiația incidentă pe suprafața pământului în mijlocul zilei cu cerul senin, este în jur de 1000 Wm-2. Așa numita radiație globală este alcătuită din doua componente: radiația directă și radiația difuză. Radiația directă este alcătuită din razele soarelui ce pică direct pe suprafața pământului, pe când radiația difuză provine din toate direcțiile; cerul apare egal iluminat în toate direcțiile. Componenta difuză poate fi văzută în zilele insorite, ca cer albastru. Când cerul este complet acoperit de nori, numai radiația difuză pică pe suprafața pământului.

Suprafața expusă iradierii este egală cu πR2, unde R este raza pământului, iar suprafața totală a globului pământesc – cu 4πR2. Astfel, densitatea medie de putere radiantă, Smec, captată de pământ va fi:

Două efecte majore influențează cel mai mult radiația extraterestră care parcurge stratul atmosferic:

Difuzia (împrăștierea) razelor solare de către moleculele de aer, apă și praf. Absorbția razelor solare de către moleculele de ozon O3, apă H2O și bioxid de carbon CO2.

Difuzia radiației solare este cauzată de interacțiunea dinte unda electromagnetică cu lungimea de undă λ și moleculele de aer, apă și praf.

Intensitatea interacțiunii depinde de lungimea drumului parcurs de rază prin atmosferă, determinat de masa de aer m , de numărul de particule și mărimea lor în comparație cu lungimea de undă λ. Conform teoriei lui Rayleigh, coeficientul de difuzie ce se datorează interacțiunii razei solare cu moleculele de aer este proporțional cu λ4 și este semnificativ pentru lungimi de undă mai mici de 0,6 de µm. Fenomenele ce țin de difuzia razelor de către molecule de apă, praf, etc. sunt destul de complicate. Absorbția razelor solare de către atmosferă se datorează moleculelor de ozon, oxigen, apă și bioxid de carbon.

În figura următoare se prezintă distribuția puterii radiante spectrale pentru două cazuri:

m=0, radiație extraterestră, adică la granița de sus a atmosferei și 2. la nivelul mării pentru m=l,5 (m, masa convențională de aer, caracterizează drumul parcurs de raza solară prin atmosferă până la nivelul mării – pentru spațiul extraterestru sau dacă pământul nu ar avea atmosferă, m=0; în zona ecuatorului raza solară parcurge cea mai mică distanță, m=l; în cele două emisfere m>l).

Fig. 3.6 Distributia puterii radiante spectral

Se constată o absorbție puternică a radiației ultraviolete în banda cu lungimea de undă mai mică de 0,3 µm de către moleculele de ozon (stratul de ozon este ecranul protector a biosferei de razele periculoase ultraviolete), o transparență mare a atmosferei în banda vizibilă 0,4< λ <0,76 µm și o absorbție puternică a radiației în banda infraroșie a spectrului. Altfel spus, atmosfera terestră este transparentă pentru radiația în banda vizibilă și opacă – în banda infraroșie. Datorită acestor două efecte, radiația solară pe suprafața pământului scade semnificativ și iradiația sau densitatea de putere instantanee atinge valori maximale de circa 1000 W/m2, care au loc la amiază, în condiții de cer senin.

Potențialul energetic solar al României este de 1,2 TWh producție anuală. Potențialul energetic hidro amenajabil al țării este de 36 TWh / an, din care se poate valorifica în condiții de eficiență economică aproximativ 30 TWh / an. Daca am exploata la maximum întregul potențial solar din tara noastra, am putea substitui in aceasta forma aproximativ 50% din volumul de apă caldă menajeră sau 15% din cota de energie termică pentru încălzirea curentă (103,2 mii de tone echivalent petrol). Studiile efectuate in 2004 arată că in condițiile meteo-solare din Romania, un captator solar-termic funcționează, in condiții normale de siguranță, pe perioada martie – octombrie, cu un randament care variază intre 40% și 90%.

Fig.3.7 Potențialul energetic solar al României

.

Calculul radiației solare disponibile

Pentru proiectarea unei instalații de conversie a energiei solare în energie termică sau electrică este necesar să cunoaștem radiația solară disponibilă pe suprafața captatoare. Radiația solară este o funcție variabilă ce depinde de mai mulți factori: latitudinea și altitudinea locului, anotimpul, ziua, ora, gradul de nebulozitate, conținutul de praf, vapori de apă și aerosoli în atmosferă. Proiectarea unei instalații solare și prezicerea productivității acesteia în viitor, se face pe baza măsurărilor sistematice ale componentelor radiației solare efectuate în trecut. în majoritatea cazurilor se utilizează rezultatele măsurărilor pentru o suprafață orizontală ale radiației directe și difuze pe o durată de o oră, zi sau o lună. Calculele bazate pe durata de o oră sunt mai exacte, dar cer un volum mare de lucru.

Pământul rotește pe parcursul unui an în jurul soarelui pe o orbită eliptică cu soarele în unul din focare. Totodată, pământul rotește în jurul axei sale odată în 24 de ore. Axa de rotație a pământului are o direcție fixă în spațiu și este înclinată cu unghiul δ=23,5° față de perpendiculara pe planul orbitei. Unghiul dintre direcția spre soare și planul ecuatorial, δ, se numește declinație și variază pe parcursul anuiui de la +23,5° în momentul solstițiul de vară (21 iunie) până la – 23,5° – în momentul solstițiul de iarnă (21 decembrie).

La 21 martie, respectiv – 21 septembrie declinația δ=0 și duratele zilei și nopții sunt egale. Declinația poate fi calculată cu formula:

n-este numarul zilei din an

Relațiile geometrice între un plan orientat arbitrar față de pământ și radiația solară directă, care cade pe acest plan în orice moment de timp, pot fi descrise în funcție de câteva unghiuri.

Latitudinea, Φ, – unghiul măsurat de la ecuator până la punctul de interes de pe suprafața pământului, se consideră pozitiv pentru emisfera de nord și negativ – pentru cea de sud.

Unghiul de înclinație a planului, β, – este unghiul dintre planul suprafeței în cauză și suprafața orizontală; 0<β<180. Pentru instalații solare uzuale valoarea maximală nu depășește 90°.

Unghiul azimutal, γ, – unghiul dintre proiecția pe planul orizontal a perpendicularei pe suprafața planului în cauză și meridianul local ; este egal cu zero pentru planul în cauză orientat spre sud, negativ – spre est, pozitiv – spre vest; -180<γ<180.

Unghiul azimutal solar, γs, – unghiul dintre direcția sud și proiecția pe planul orizontal a radiației directe (a razei solare); unghiurile măsurate de la direcția sud spre est sunt negative, cele măsurate spre vest – pozitive.

Unghiul de înălțare a soarelui, αs, – unghiul dintre orizont și linia ce legă soarele și punctul de interes, altfel spus, raza solară incidență în punctul de interes .

Unghiul zenital, θz- unghiul dintre verticală și linia ce legă soarele și punctul de interes, altfel spus, unghiul complementar unghiului αs.

Unghiul orar, ω, – determină poziția soarelui pe bolta cerească în momentul dat. Este egal cu zero în momentul trecerii de către soare a meridianului local, altfel spus în momentul amiezii, pozitiv spre est și negativ – spre vest. Respectiv, ωs, corespunde unghiului de răsărire, iar – ωs, – de asfințire a soarelui.

Într-o oră soarele traversează pe bolta cerească un unghi egal cu 15o , iar poziția lui la orice oră T se determină cu expresia:

ω= 15(12-T)

Dacă cunoaștem unghiurile δ, Φ și ω, atunci ușor se determină poziția soarelui pe bolta cerească în punctul de interes pentru orice oră și orice zi, folosind expresiile:

Pentru orice zi a anului poate fi determinată declinația δ, pentru ora respectivă T se determină unghiul orar ω și cunoscând latitudinea locului Φ se determină unghiul de înălțare a soarelui αs.

4.Tehnologia fotovoltaică

4.1 Celula fotovoltaică

Celula solară reprezintă un dispozitiv care, sub acțiunea radiației electromagnetice, acționează ca un generator de electricitate. Sunt posibile foarte multe feluri de celule solare dar celula bazată pe dioda semiconductoare este cea mai cunoscută versiune. Ea a fost inventată în 1954.

4.1.1 Functionare

Ca material inițial pentru fabricare se utilizează semiconductor, de obicei siliciu cristalin sau policristalin, pe suprafața căruia prin diverse metode tehnologice se formează straturi, care conțin impurități pentru a obține joncțiunea pn. Siliciul se obține din dioxid de siliciu (SiO2) prin reducere cu carbon (la aproximativ 1800°C) sau aluminiu ( 1100-1200°C).

Fig.4.1 Schema constructivă a unei celule fotovoltaice

Celulele solare transformă lumina în energie electrică. Acesta este un proces în 3 pași:

Absorția luminii, furnizarea de electroni într-o stare de excitație: în majoritatea cazurilor, dispozitivul care “absoarbe” lumina este un semiconductor și tranzițiile utilizate sunt tranziții între benzile energetice. Starea de excitație înseamnă un electron în banda de conducție și un gol în banda de valență;

Separare locală a sarcinilor pozitive și negative: electronii și golurile din semiconductori sunt separați prin difuzie sau prin driftul purtătorilor de sarcina, determinat de câmpul din regiunea de sarcina spațiala a joncțiunii p-n sau a heterojonctiunii a doua materiale;

Dirijarea sarcinilor către un circuit exterior: separarea sarcinilor conduce la generarea unei tensiuni între cele 2 părți ale celulei solare. Contactele sunt realizate pentru colectarea sarcinilor in circuitul exterior. Acesta nu este întotdeauna ușor, deoarece contactele trebuie să aibă rezistență mică de contact pentru a evita pierderile electrice în dispozitiv. Pentru semiconductori, alegerea potrivită a materialelor de contact, combinată cu tehnologia potrivită, pot conduce la contacte “ohmice” cu o foarte bună conductanță;

Caracteristici

Caracteristicile principale ale celulei PV sunt: caracteristica amper-volt I(U) sau volt-amper U(I) și caracteristica de putere P(U).

Caracteristica I-U

Curentul în circuitul exterior I se determină ca diferența dintre curentul fotovoltaic Is și curentul diodei Id:

Ecuației îi corespunde schema echivalentă simplificată a celulei PV, reprezentată în figura 3.13a. Dacă se ține seama de rezistența Ri de scurgeri prin izolația celulei PV și de Rs a elementelor conectate în serie, se poate întocmi o schemă echivalentă completă a celulei PV (figura 3.13 b). Cu tehnologiile moderne se obțin celule cu Ri ~ și Rs ~ 0, încât schema echivalentă simplificată este satisfăcătoare

Fig. 4.2 Scheme echivalente ale celulei PV a) simplificată b) completă

Comportarea electrica a unei celule fotovoltaice este determinate de relatia dintre curentul I debitat de celula si tensiunea U dintre cele doua contacte metalice (borne). Graficul relatiei I=f(U) poarta numele de caracteristica I-U a celulei (caracteristica current-tensiune).

Intersectiile caracteristicii I-U cu axele de coordonate corespund unor regimuri extreme de functionare ale celulei fotovoltaice:

Mers in scurtcircuit Mers in circuit deschis (gol)

Curentul de scurtcircuit Isc si tensiunea de mers in gol Uoc sunt doi parametrii de catalog importanti ai unei celule fotovoltaice. Ei reprezinta valoarea maxima a curentului, respectiv a tensiunii unei celule fotovoltaice in conditii de iradianta si temperatura date.

.

Caracteristica de putere P(U)

Puterea electrică cedată sarcinii R a unei celule PV este:

Valoarea maximă a acestei puteri se obține într-un punctul MPP (PMM) al caracteristicii curent – tensiune ale cărui coordonate sunt rezultate din condiția dP/dU = 0.

Unde UT = kT/e.

Pentru o sarcină pasivă valoarea optimă a rezistenței sarcinii va fi

Fig.3.14 Puterea generată de o celulă solară

Toți parametrii electrici ai celulei solare depind de intensitatea și spectrul luminii ca și de temperatura celulei solare. Întrucât curentul celulei este linear dependent de iradiere, tensiunea și PPM nu sunt si prin urmare descrierea comportării celulei la diverse niveluri de iluminare este dificilă. Pentru nivele diferite de iradiere dar cu temperatură constantă a celulei, aceasta conduce la un set de curbe caracteristice.

Fig. 4.3 Curbele I-V pentru celule din siliciu cristalin la diferite nivele de radiație

Curentul de scurt-circuit este direct proporțional cu iluminarea și curbele caracteristice sunt paralele. Tensiunea la circuit deschis se schimbă puțin la variația iradierii. Drept rezultat, tensiunea PPM se modifică într-o limită mică.

Majoritatea proprietăților semiconductoarelor depind foarte mult de temperatură; de aceea, curentul de scurt-circuit, tensiunea la circuit deschis la fel ca și puterea maximă și curentul și tensiunea corespunzătoare, sunt dependente de temperatură. De aceasta trebuie să se țină seama când se calculează randamentul energetic al generatorului solar sau când se alege modulul fotovoltaic pentru încărcarea bateriei în condiții climatice extreme.

Fig.4.4 Caracteristicile I-V pentru diferite temperaturi ale celulelor, în condiții de iluminare constant

4.1.3 Parametri

Producătorii de celule și module PV indică în cartea tehnică a produsului parametrii ridicați în condiții standard:

• Radiația solară globală pe suprafața celulei, G=1000 W/m2;

• Temperatura celulei, TC= 25 0C;

• Masa convențională de aer, AM=1,5

În mod obligatoriu în cartea tehnică se prezintă: curentul de scurt circuit, Isc; tensiunea de mers în gol, U0; puterea maximală sau critică, Pc; tensiunea și curentul în punctul critic, UM și IM. Pe lângă acești parametri pot fi indicați suplimentar: factorul de umplere (Fill Factor), FF, randamentul celulei sau modulului PV, Temperatura Normală de Funcționare a Celulei NOCT, coeficienții de variație a tensiunii de mers în gol și a curentului de scurt circuit cu temperatura.

Curentul de scurt circuit. Se obține la scurcircuitarea bornelor sarcinii R din figura 3.13. Pe caracteristica I-U acesta-i punctul cu coordonatele U=0, I=Isc. Pentru U=0, obținem Isc = Is. Puterea furnizată este egală cu zero.

Tensiunea de mers în gol. Corespunde punctului de pe caracteristica I-U cu coordonatele I=0, U=U0. Puterea debitată în acest punct este egală cu zero. Tensiunea de mers în gol poate fi determinată din relațiile anterioare pentru I=0:

Pentru o celulă din siliciu raportul Is/I0 este de circa 1010, factorul kT/e, numit și tensiune termică, este egal cu 26 mV, Astfel U0= 0,6 V.

Puterea critică sau maximală. Este produsul curentului la tensiunea în punctul M a caracteristicii I-V. În engleză acest parametru se numește peak power și se notează PC.

PC = UM * IM

Geometric, puterea critică PC, corespunde punctelor de tangență a hiperbolelor P = UI = constant către caracteristicile amper – volt I-U.

Factorul de umplere (Fill Factor – FF). Se determină ca raportul dintre suprafețele dreptunghiurilor OUM MIM și OU0 KISC sau

de unde:

Factorul de umplere este măsura calității celulei PV. Cu cât este mai mică rezistența internă a celulei PV cu atât FF este mai mare. De obicei FF > 0,7.

Randamentul celulei sau modulului PV. Se determină cu raportul puterii generate de celula sau modulul PV în punctul optimal de funcționare M la o temperatură specificată către puterea radiației solare:

Unde: PC – este puterea livrată în W;

A – este suprafața celulei sau modulului în m;

G – radiația globală incidentă pe suprafața celulei sau modulului în W/m2.

În condiții de laborator s-au obținut celule din siliciu cristalin cu un randament de 13-25 % în dependență de suprafața celulei, iar în condiții de fabrică – 12-14 %. Randamentul celulei din siliciu policristalin este de 17-20 % în condiții de laborator și 11-13 % în condiții de fabrică. Celulele comercializate din siliciu amorf posedă un randament cuprins între 7 și 11 % , iar în condiții de laborator – 16 %. Limita teoretică a randamentului din siliciu cristalin este de 37 %, celui din siliciu amorf – 28 % .

Temperatura Normală de Funcționare a Celulei. Corespunde temperaturii celulei PV la funcționare în gol, la temperatura mediului de 20 0C, radiația globală de 800 W/m2 și viteza vântului mai mică de 1 m/s. Pentru celule uzuale NOCT se situează între 42 și 46 0C. Dacă cunoaștem NOCT putem determina temperatura celulei TC în alte condiții de funcționare caracterizate de temperatura mediului TA și radiația globală G

Randamentul celulei PV- descrie care parte a luminii incidente se transformă în putere electrica.

Definiția este simplă:η= puterea electrică maximă generată/puterea luminii incidente.

Puterea maximă a celulei solare este măsurată în punctul maxim de putere iar această valoare poate fi folosită pentru a descrie eficiența conversiei celulei solare. Așa cum s-a menționat, parametrii electrici ai celulei solare sunt dependenți de nivelul de iluminare și de temperatură. În orice caz, eficiența descrește cu creșterea temperaturii, dar puterea efectului depinde de material. Celulele solare pot fi fabricate din diferite materiale și aceasta arată spectre diferite de absorbție. Sunt materiale care au maximul de absorție în albastru, verde, roșu sau chiar partea infraroșie a spectrului solar. De aceea determinarea spectrului de lumină incidentă este de asemenea important pentru măsurarea celulelor solare. În concluzie, trei parametrii trebuie să fie cunoscuți când măsurăm parametrii celulei solare: temperatura, nivelul de iluminare, spectrul luminii.

Factorul de umplere (Fill Factor)- descrie efectul pierderilor interne ale celulei solare și este o măsură a calității materialului și a calității procesării. Cele mai bune valori pentru FU sunt în jurul lui 0,85 (siliciu monocristalin) dar chiar și 0,7 și mai jos este posibil pentru anumite celule produse.

FU=(VPPM • IPPM) / (VOC • ISC) sau FU=Pmax / (VOC • ISC)

Materiale și tehnologii

Multe materiale semiconductoare pot fi utilizate la fabricarea celulelor solare, dispozitivul de bază pentru generarea electricității fotovoltaice. Pentru o evaluare a diverselor tehnologii există un număr de criterii de care trebuie să se țină seamă. Cele mai importante sunt:

un bun potențial pentru o eficiență înaltă

bună utilizare a materialelor necesare tehnologii de producție cu costuri mici

stabilitatea instalației de-a lungul timpului

produsul și tehnologia de producție să țină seama de protecția mediului

De aproximativ 5 decenii omenirea caută materialul optim pentru celulele solare. Sute de materiale au fost testate dar numai câteva tipuri de materiale au rămas în final, demonstrând bune proprietăți fotoelectrice și în același timp o bună productivitate.

Siliciul este cel mai important semiconductor pentru electronică și tehnologia bazată pe fabricarea dispozitivelor, fiind foarte răspândit. A doua clasă de materiale, binecunoscute pentru microelectronică și optoelectronică sunt componentele din grupele III-V (GaAs, InP, etc). Datorită bunelor proprietăți de absoție, ele au cea mai mare eficienta. Calcogenidele sunt rar folosite pentru aplicații tehnice. Prin urmare, ele au nevoie de un efort intens pentru a ajunge la o bună performanță și este nevoie de un efort special pentru a dezvolta tehnologii de fabricație proprii. Concepte precum celulele sensibile la culoare și semiconductoarele organice sunt încă în faza de dezvoltare.

Materialele de început sunt plachetele de siliciu și tehnologiile de fabricație sunt denumite tehnologii bazate pe plachete. Avantajul lor este că materialul reprezintă propriul suport iar dezavantajul este nevoia de materiale semiconductoare costisitoare.

Celulele solare pe baza de pelicule necesită straturi foarte subțiri (câțiva µm) de material semiconductor iar substratul de suport este deseori foarte ieftin (o lamelă de sticlă). Tehnologiile pe baza de straturi subțiri au o serie de avantaje: o gama largă de pelicule semiconductoare pot fi dispuse simultan iar depunerea straturilor subțiri pe substraturi izolate permite așa numitele integrări monolitice. În aceasta tehnică aria mare a celulelor solare este împărțită în mici celule individuale iar celulele individuale sunt conectate în serie. Acesta permite fabricarea unei largi varietăți de module cu parametrii electrici reglabili.

Fig.4.5 Integrarea monolitică a celulelor solare cu straturi subțiri

Există altă diferență între celulele bazate pe plachete de siliciu si pe straturi subțiri. Joncțiunea p-n a celulelor de siliciu este în general obținută prin difuzia unui dopant prin suprafața materialului de bază. În tehnologiile pe bază de straturi subțiri, joncțiunile sunt cel mai des preparate prin depuneri consecutive de straturi dopate diferit. Adesea, chiar materiale diferite sunt utilizate pentru a forma joncțiunea care în acest caz se numește “hetero- joncțiunea”.

În tehnologiile pe bază de straturi subțiri, sunt doua posibilități pentru a realiza electrodul transparent, versiunea substratului și suprastratului. Dacă substratul este opac (o bucată de metal sau un contact metalic pe spatele bucății de sticlă) contactul frontal trebuie să fie transparent. În majoritatea cazurilor, acesta se realizează cu strat transparent de oxid pe fața celulei, acoperit cu un strat de sticlă pentru protecție. Aceasta se numește “tehnica substrat”. Dacă substratul este transparent (sticla acoperită cu un oxid transparent conductor-OTC) celula este depusă și acoperită cu un contact metalic opac. Aranjamentul este răsturnat și lumina pătrunde prin substratul format. Acest aranjament se numește “superstrat”.

Spectrul solar este mult mai larg decât banda de absorbție a unui semiconductor. Acesta este unul din motivele care limitează eficiența celulelor solare. Soluția problemei constă în combinația de celule solare făcute din diverse materiale, care poate folosi spectrul solar mult mai bine decât o singură celulă.

Fig.4.6 Celulă triplă- joncțiune de siliciu amorf

Deoarece suprafața celulelor solare reflectă o parte din lumină, ele se acoperă cu un strat antireflexiv. De cele mai multe ori se folosește dioxid de titaniu (TiO2), el dând culoarea albastră caracteristică celulelor solare.

Lumina solară este o sursă de energie cu o densitate a puterii destul de joasă. În plin soare, o suprafață de celule solare de 1 m2 poate furniza aproape 100 W sau puțin mai mult, în funcție de eficiența sa. Deoarece suprafața aceasta, de exemplu, de siliciu cristalin, este scumpă, orice efort pentru a reduce cantitatea de siliciu folosită e binevenită. O idee veche este să concentrăm lumina prin instrumente optice (lentile, oglinzi) pe celulele solare mici reducând astfel considerabil cantitatea de material semiconductor. O foarte bună reducere a costurilor este posibilă deoarece materialele pentru elementele optice sunt mult mai ieftine decât materialele semiconductoare. În plus, eficiența celulei solare crește o dată cu nivelul crescut al radiației. De cealaltă parte, procesul de concentrare prezintă dezavantajul că poate folosii doar lumina solară directă, în timp ce modulele întinse convertesc și lumina difuză. Un factor în plus al costurilor este sistemul mecanic de captare a soarelui, în timp ce sistemul modulelor întinse nu necesită părți mobile.

Celulele solare din siliciu cristalin:

Celule solare din siliciu monocristalin- Lingourile de siliciu monocristalin sunt produse prin tehnica Czochralski (Si-Cz), tehnica reprezentata de tragerea din topitura (prin rotatie si translație), pornind de la un germene monocristalin. Se pot crea lingouri cu diametrul de până la 30 cm și cu lungimea mai mare de lm. Lingoul este decupat în bare paralelipipedice cu latura un pătrat și apoi tăiat în plachete cu grosimea de aproximativ 0.3mm. Monocristalele au proprietăți excelente, dar prezintă dezavantajul unor costuri ridicate.

Celule solare din siliciu multicristalin (mc-Si)- Dacă siliciu topit într-un creuzet este răcit, se solidifică într-o structură granulară numită “multicristalină” , adică o structură policristalină de granulație mare, cu dimensiuni de la mm la cm. În industrie sunt folosite creuzete mari de cuarț pentru operația de cristalizare, blocurile de Si au dimensiuni mai mari de 65x65x30 cm3 și o greutate de 280 kg. Aceste blocuri sunt mai întâi tăiate în coloane pătrate care sunt mai apoi feliate în plachete groase de aproximativ 0,3 mm. Costurile pentru producția straturilor de siliciu multicristalin sunt mai mici decât pentru cele din siliciu monocristalin, dar calitatea celuleror obținute este inferioară;

Celule solare din bandă de siliciu- Fiindcă pierderile de material prin tăiere sunt foarte mari, câteva tehnici au fost dezvoltate pentru cristalizarea Si direct în forma unor foițe. Cea mai complexă și reușită tehnică este metoda EFG (grosimea foii cu margini definite). Un tub poligonal de Si este tras din topitura de Si sub influența unei forme de grafit. Tubul este tăiat în foi pătrate printr-o tehnică laser de tăiere. Structura cristalină este asemănătoare cu cea a mc-Si dar cu o aranjare particulară a micro-particulelor.

Celulele solare din siliciu amorf – combină siliciu cu un substrat ieftin folosind tehnici de depunere pe suprafețe mari. Siliciu amorf este pregătit prin depunerea în plasmă de straturi subțiri din gazul SiH4 (silan). Sticla ieftină de carbonat de calciu poate fi folosită ca substrat deoarece depunerea are loc la temperatură joasă. Proprietățile acestor celule nu sunt stabile sub acțiunea luminii.

Conceptul HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin Layer – heterojoncțiune cu strat intrinsec subțire) – constă într-o combinație între o celulă monocristal și o celulă de siliciu amorf. Materialul de bază este o plachetă monocristalină de tip n, ambele fețe fiind acoperite cu un strat dublu de a-Si, un strat intrinsec foarte subțire și un strat dopat. Pe față e un strat emitor foarte subțire de tip p, spatele e acoperit de un strat de Si amorf dopat de tip n care se comportă ca un strat de câmp invers. Structura celulei permite o fabricare la temperaturi destul de scăzute, aproximativ 200°C. Temperatură joasă de procesare nu numai că reduce consumul de energie dar și duce la o difuzie slabă a impurităților în plachetă în timpul acestui proces.

Celule solare din arseniură de galiu (GaAs)- au cea mai bună eficacitate față de orice altă celulă monojoncțiune (GaAs este un semiconductor cu o bandă interzisă care se potrivește perfect cu spectrul solar). Sunt foarte scumpe și duc la costuri care pot fi permise doar pentru utilizări speciale, cum ar fi celulele pentru utilizări în spațiul cosmic sau pe sisteme de concentrare. Sistemele de concentrare par a fi singura aplicare terestră la scară largă a celulelor solare pe bază de GaAs. Elemente optice (lentile sau oglinzi) concentrează lumina pe o celulă solară foarte mică în punctul de focalizare al sistemului optic. Fiindcă sunt necesare suprafețe mici de material semiconductor, prețul celulelor solare e aproape neglijabil față de costurile în totalitate ale sistemului. Deci celule foarte sofisticate pot fi folosite ducând la eficiențe foarte mari, 25% sau mai mult.

Celulele solare bazate pe telurid de cadmiu (CdTe) – CdTe este depus sub forma unui strat policristalin subțire (câțiva µm). Celula completă este o heterojoncțiune între CdTe și CdS (sulfat de cadmiu), dar stratul CdS poate fi foarte subțire. Modulele CdTe conțin o cantitate considerabilă de Cd care e cunoscut drept un element periculos (otrăvitor, cancerigen). Multe studii performante au ajuns la concluzia că în cazul modulelor FV nu ar trebui să apară nici o problemă de sănătate. Componenta CdTe e destul de stabilă și nu se descompune sub influența mediului. În plus, ea e bine încapsulată în modul și nici la spargerea geamului nu va lua contact cu atmosfera. Un alt inconvenient este reprezentat de resursele limitate de teluriu.

Celule solare bazate pe calcopirite – Calcopiritele sunt o clasă de componente cu compoziția generală I-III-VI2. “I” înseamnă un element din prima grupă a tabelului de elemente, în acest caz cupru (Cu) sau argint (Ag), “III” e un element din a treia grupă, de exemplu aluminiu (Al), galiu (Ga) sau indiu (In) iar “VI” e un element din grupa a șasea, precum seleniu (Se) sau sulf (S). Toate componentele acestei compoziții sunt semiconductoare și câteva dintre ele au bune proprietăți fotoelectrice. Celule solare au fost produse din 1983 pe baza straturilor subțiri policristaline în mare parte din CIS (CuInSe2) dar de asemenea si dintr-un aliaj de CIS cu o componentă de galiu (CIGS). În plus, componentele cu sulf au bune proprietăți fotovoltaice.

Straturile CIS fotoactive pot fi pregătite prin 2 tehnici diferite: prima este co-evaporarea tuturor elementelor, a doua e “stropirea” unei mixturi a elementelor Cu și In și după aceea selenizarea prin încălzire în vapori de Se. Substratul e o placă de sticlă acoperită cu un strat subțire de molibden pentru contactul de pe spate. Structura de diodă e obținută prin depunerea unui strat foarte subțire de CdS și o heterojoncțiune e formată ca în cazul celulei de CdTe. Un strat conductor transparent de ZnO formează contactul de pe față.

Celule solare pe bază de compuși organici – tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuși care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuși, un impediment faptul că aceste celule au un randament redus și o durată de viață redusă (maxim 5000h). Încă nu există celule solare pe bază de compuși organici pe piață.

Celule pe bază de pigmenți (numite și celule Gratzel) – curentul se obține prin absorbție de lumină cu ajutorul unui pigment, utilizându-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenți se utilizează în principiu legături complexe al metalului rar ruthenium, dar în scop demonstrativ se pot utiliza și pigmenți organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durată de viață foarte redusă). Modul de funcționare al acestui tip de celule nu este încă pe deplin clarificat; este foarte probabilă utilizarea comercială, dar tehnologia de producție nu este pusă la punct.

Celule cu electrolit semiconductor – de exemplu soluția: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte ușor de fabrict dar puterea și siguranța în utilizare sunt limitate.

Celule pe bază de polimetri- deocamdată se află doar in fază de cercetare.

Sisteme fotovoltaice

Pentru asigurarea continuă a consumatorului cu energie electrică multe sisteme PV conțin acumulatoare de energie electrică. Modulul PV prezintă un generator de curent continuu (c.c.), dar adesea consumatorul de energie este de curent alternativ. Energia electrică PV are un caracter variabil, alternanța zi/noapte, cer senin/cer acoperit provoacă variația într-o gamă mare a fluxului de energie și a tensiunii generate de modulul PV. Astfel, apare necesitatea condiționării fluxului de energie, folosind convertoare electronice: c.c./c.a., care îndeplinește și funcția de monitorizare a procesului încărcare/descărcare a acumulatorului, c.c./c.a pentru transformarea curentului continuu în curent alternativ. Pentru a evita supradimensionarea generatorului fotovoltaic, adesea se folosește o sursă auxiliară de energie, fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiar rețeaua electrică publică.

Toate aceste componente trebuie să fie interconectate, dimensionate și specificate pentru a funcționa într-un sistem unic, numit sistem fotovoltaic.

Fig.4.7 Structura unui sistem fotovoltaic

Sursa auxiliară de energie poate fi un grup electrogen (back-up generator), care funcționează pe benzină sau motorină. În acest caz sistemul PV se mai numește sistem PV hibrid.

Sistemele PV se divizează în două categorii principale: conectate la rețea (grid- connected) sau care funcționează în paralel cu rețeaua electrică publică și sisteme PV autonome (stand – alone PVsystems).

Module fotovoltaice

În funcție de tehnologia utilizată, o singură celulă solară generează o tensiune MPP de aproximativ 0,5 V până la 2 V. Prin urmare, echipamentele electrice nu pot fi alimentate la această tensiune scăzută, în afară de cazul dispozitivelor mici sau jucăriilor. În general, este necesară o tensiune ridicată. Aceasta poate fi produsă prin conectarea celulelor în serie, ca în cazul bateriilor. De exemplu, în modulele standard sunt conectate în serie 36 de celule de Si cristalin, producând o tensiune de aproximativ 18 V, corespunzătoare încărcării bateriilor cu o tensiune de 12 V. În același timp, sunt module standard cu 72 de celule și module speciale alcătuite din mai mult de 100 de celule conectate în serie. Prin urmare, astfel de module solare pot fi conectate în serie, sub formă de șir, formând un generator solar care dezvoltă tensiuni mai mari de câteva sute de volți. Pentru a asigura puterea de ieșire dorită a generatorului solar, câteva module sau șiruri pot fi conectate în paralel, conducând la creșterea curentului electric.

Această interconectare modulară permite generatoarelor fotovoltaice să fie proiectate cu puteri de ieșire de la mW până la MW, toate cu aceeași tehnologie de bază.

Celulele solare și modulele solare sunt conectate în serie pentru a produce tensiuni totale mai mari. În conexiunea serie, curentul este același în toate celulele, astfel încât tensiunea totală este rezultatul sumei tensiunilor individuale.

Fig.4.8 Conexiune serie a patru celule solare similare

Conexiunea serie a celulelor și modulelor are totuși un dezavantaj major: chiar dacă numai o celulă este parțial umbrită, această celulă determină curentul total și prin urmare puterea de ieșire a întregului șir. Chiar mici zone umbrite ca cele determinate de stâlpi, cabluri, vârfuri de copaci, frunze, excrement de pasăre și praf conduc în general la pierderi de productivitate și sunt de obicei cauzele unei producții de energie nesatisfacătoare a sistemelor fotovoltaice. Producția de energie nesatisfacătoare este posibilă și în cazul conectărilor în serie a celulelor cu diferite caracteristici datorate toleranțelor de fabricație sau dacă părți de celule din interiorul modulului sunt sparte și prin urmare devin inactive. Și în acest caz celula fragilă influențează performanța globală.

O altă problemă care derivă din umbrirea parțială a celulelor conectate în serie este fenomenul de „hot spots” (puncte de căldură). Joncțiunea din interiorul unei celule solare se supraîncarcă local (radiația absorbită este mai mare decât în cazul celorlalte din modul) și se încălzește, ceea ce poate duce la deteriorarea celulei. Astfel de deteriorări permanente apar ca mici spoturi albicioase, cu suprafețe de până la un mm2 pe suprafața celulei.

Dacă o celulă conectată în serie este umbrită, celelalte celule conduc curentul în același sens prin șir. Tensiunea celulei umbrite inversează sensul, celula umbrită devenind o sarcină, joncțiunea celulelor se poate strica la tensiuni inverse de câțiva volți (5 – 25V). Aceasta înseamnă că tensiunea de străpungere poate fi atinsă dacă numai câteva celule sunt legate în serie. În general, căderea de tensiune nu se produce pe o suprafață întinsă. Într-o oarecare măsură, curentul este concentrat pe suprafețe mici unde densitatea de putere este deci foarte mare și temperaturile sunt foarte ridicate, de unde și denumirea de „hot spots” (”puncte fierbinți”).

Deoarece umbrirea parțială este nedorită în practică, pentru protecția celulelor sunt conectate diode bypass în paralel cu celulele solare individuale sau cu grupuri de celule. În funcționarea normală ele operează în regim de polarizare inversă și astfel nu se mai produc pierderi. Totuși, dacă tensiunea unei celule solare este inversată de o umbrire parțială, diodele sunt primele influențate, dirijând curentul de la restul generatorului evitându-se celula umbrită. În mod ideal, fiecare celulă individuală ar trebui să aibă propria diodă bypass, dar acest efort special este aplicat modulelor utilizate în special în spațiul exterior. Pentru aplicațiile obișnuite, este suficientă conectarea diodelor bypass în paralel cu grupuri de 15-20 de celule.

Umbrirea parțială (sau avarierea parțială a unei celule) este de asemenea reflectată în curba caracteristicii electrice a întregului generator.

Fig.4.9 Curbele current-tensiune cu umbrire cu si fara diode bypass

Generatorul solar poate fi măsurat pe teren cu un aparat portabil de măsurare a curbei I-V. Măsurătoarea este oferită ca un serviciu prestat de agențiile inginerești, agențiile de testare și de alte instituții.

Dacă sistemul trebuie să producă curenți mari, modulele sau șirurile pot fi conectate în paralel. La conexiunea în paralel, toate celulele au aceeași tensiune, iar curentul global este rezultatul curenților individuali. În cazul conexiunii în paralel, în mod obișnuit nu este pericolul ca o celulă umbrită să fie supraîncărcată de curentul invers dat de celelalte celule din șirurile tipice. Astfel, nu este necesară folosirea diodelor conectate în paralel cu șirurile de celule.

Fig.4.10 Conexiunea in paralel a patru celule solare similare

Procesul fotovoltaic înăuntrul unei celule este fără uzură, ceea ce înseamnă că durata de viață a unei celule este în principal nelimitată. În practică, celulele solare sunt în general sensibile la umezeală. Celulele cristaline sunt de asemenea fragile și deci foarte ușor casante. Celulele solare pentru exterior sunt astfel încorporate în materiale corespunzătoare de protecție împotriva factorilor exteriori (atmosferici și mecanici). De asemenea, izolarea electrică permanentă este indispensabilă.

Celulele cristaline sunt realizate cu tehnologia plachetei. În timp ce primele module standard aveau aproximativ 10 cm x 10 cm și 0.3 – 0.4 mm grosime, actual se utilizează celule din ce în ce mai mari (15 cm x 15 cm) cu micșorarea grosimii (0.25 mm, scăzând la 0.05 mm). Celulele individuale sunt mai întâi conectate în serie, cu lamele, partea de jos a celulei (în general polul pozitiv ) are una sau de obicei două benzi (panglici) metalice subțiri conectându-se astfel cu partea de sus a celulei următoare (polul negativ). Acest proces este realizat prin sudură sau cu ultrasunete.

Fig. 4.11Conexiunea serie a celulelor cristaline conectate cu benzi

Începutul și sfârșitul șirurilor fabricate în acest mod se realizează prin conectarea fiecăruia la opusul celuilalt prin benzi metalice întinse și conexiunile necesare pentru contactul cu modulul sunt atașate.

Celulele cu straturi subțiri pot fi conectate în serie în timpul fabricării. Diferite straturi ale celulelor cu straturi subțiri sunt aplicate pe un material suport, în mai multe etape, iar filmul este tăiat în benzi individuale subțiri de la câțiva milimetrii la câțiva centimetrii lățime cu laser sau mecanic. În final, rezultatul este o structură cu conexiuni serie integrate ca și celula de siliciu amorf cu strat subțire.

Fig.4.12 Conexiuni serie ale unei celule din siliciu amorf cu straturi subtiri

În funcție de aplicație, pentru modulele solare sunt folosite diferite materiale, structuri și procese de fabricație. Durata scurtă de viață a produselor nu este datorată uzurii sau stresului, ci numai datorită condițiilor de acoperire a suprafeței. Pentru modulele de exterior, în orice caz, încapsularea completă este întotdeauna impusă pentru a realiza stabilitatea mecanică, protecția împotriva condițiilor atmosferice și izolarea electrică.

În general, celula este încastrată între două materiale transparente. Pe față, materialul poate fi sticlă solară cu conținut mic de fier, sticlă acrilică, Teflon, sau alte materiale plastice transparente. Pe spate se poate folosi sticla, straturi sintetice opace (Tedlar- folie specială din fluorat de polivinil, incoloră, disponibilă cu suprafața lucioasă, cu grad mare de protecție UV) sau suprafețe metalice. Materialele de încastrare sunt, în general, EVA (Ethyl Vinyl Acetat) și Teflon.

Modulele standard au în mod uzual celulele încapsulate în EVA. În acest proces de fabricație, se aplică un strat subțire de EVA pe sticla de pe față, urmat de celule și un alt strat de EVA. Apoi, se aplică materialul de pe spate; în general, un alt ochi de geam sau un strat opac. Acest aranjament este laminat sub joasă presiune sau suprapresiune la temperatură înaltă. În timpul procesului, stratul de EVA topit (la aproximativ 200°C) lipește cele două straturi (față-spate) la un loc și înconjoară celulele, izolând electric pe toate fețele. Prin această metodă se produc module cu dimensiuni mai mari de 2m x 3m. În funcție de materiale, se pot produce diferite configurații de laminare.

La încapsularea în Teflon , celulele solare sunt înconjurate într-un polimer fluorocarbonic special (Teflon) similar cu procesul descris mai sus. Acest material foarte rezistent și transparent formează el însuși acoperirea de pe față. Este de grosime de numai 0,5 mm, facându-1 comparabil cu modulele de sticlă. Încapsularea în teflon este folosită curent pentru module speciale, mici, cum ar fi țiglele de acoperiș.

La încapsularea în rășină, celulele solare sunt fixate între două panouri de sticlă folosind garnituri adezive; ochiurile sunt separate de un distanțier care acoperă suprafața și este adeziv pe ambele părți. Spațiul gol creat este umplut cu o rășină fluidă, foarte transparentă, fară bule care este apoi întărită la temperatură sau sub acțiunea radiației UV. Această metodă se folosește pentru module cu dimensiuni mai mari de 2.5m x 4m.

Dupa laminare, modulele sunt echipate cu conexiuni electrice. În general, conexiunile sunt mufate cu cabluri etanșate pe spatele modulului. Conexiunile sunt uzual echipate cu diode de bypass. Conexiunea poate fi realizată cu șurub și piuliță, asigurându-se în acest fel o bună conectare.

Fig.4.13 Conexiunea tipica cu diode bypass

Modulele cu conectori sunt standard. Avantajul major al conectorilor este faptul că modulele pot fi rapid și ușor conectate iar polaritățile nu pot fi confundate. Un dezavantaj poate fi incompatibilitatea sistemelor de conectori. În general, modulele sunt înrămate, ceea ce face ca montarea să fie ușoară, asigurând și protecția mecanică a marginilor de sticlă. Rama este, în mod uzual, confecționată din aluminiu, mai rar din oțel inoxidabil sau plastic.

Generatorul solar este cel mai expus la condiții meteorologice extreme (temperaturi, furtuni, grindină). Modulele solare trebuie să fie proiectate și asamblate cu grijă și fiecare tip de modul trebuie bine testat înainte de utilizare. Procedurile standard de testare sunt stabilite pentru acest scop; centrul de cercetare al UE din Ispra (Italia) a fost coordonatorul dezvoltării acestor teste, prin urmare, numite teste ISPRA.

Testul ISPRA include:

inspecție vizuală a tehnicii de laminare, înrămare și interconectare

determinarea puterii nominale

determiarea caeficienților de temperature (pentru tensiune, current, putere)

test de lungă durată a modulului pentru prevenirea formării punctelor de caldură

testarea izolării electrice și a scurgerilor de current la umezeală

testul de încărcare static

test de răsucire

test la grindină ( bucăți de gheață cu diametrul de 25 mm și viteza de 23 m/s)

testare la cicluri termice

testare la căldura umedă

testare la umiditate-îngheț

Fabricanții oferă usual, garanții de lungă durată pentru performanța acestor module – în același timp, 80% din puterea nominal a modulului pentru 20-25 ani. Desigur,sfărșitul perioadei de service a unității fotovoltaice nu coincide cu încetarea utilizării modulului.

Celulele cristaline – sau cel puțin plachetele lor – se așteaptă să poată fi utilizate după durata de service. Pentru reutilizarea celulelor, folia de laminare trebuie tratată termic și chimic pentru a putea fi ușor desprinsă. Acestea pot fi din nou utilizate după o curățare și măsurare sau după îndepărtarea mecanică a stratului activ, astfel încât placheta să poată fi reutilizată. Materialul de încapsulare poate fi înlăturat de pe substratul de sticlă prin încălzire, astfel încât sticla poate fi reintrodusă în procesul de fabricație. Materialele de încapsulare și materialele plastice folosite la interconectare, sunt în general arse. Pentru modulele pe bază de straturi subțiri, materialul activ este mai subțire față de modulele cristaline; substanța de bază este sticla sau plasticul. Siliciul amorf poate fi astfel, ars și porțiunea de sticlă recuperată. Alte tehnologii pe bază de straturi subțiri, cum ar fi modulele pe bază de CdTe sau CIS, care au anumite porțiuni de metale grele, care au o durată de viață limitată, vor avea nevoie de o monitorizare atentă.

Stocarea energiei

Energia solară utilizabilă variază pe parcursul unui an nu numai sezonier sau în ciclul zi-noapte, ci și de la o zi la alta datorită condițiilor meteorologice diferite. Similar, și cerințele de energie electrică ale consumatorilor variază în timp. Pentru a se realiza echilibrul dintre cerințele consumatorilor și energia produsă prin conversia energiei solare, sistemele fotovoltaice autonome trebuie să includă unități pentru stocarea energiei. Pentru aceste sisteme energetice, costul stocajului reprezintă 30% sau poate chiar mai mult din costurile pe toată durata de viață a sistemului. Puține aplicații fotovoltaice nu necesită stocaj electric (ex:sistemele de pompare a apei, la care stocajul se poate realiza în rezervoare de apă). Tehnologiile de stocare cele mai atrăgătoare în prezent sunt reprezentate de sistemele electrochimice.

Acumulatoarele electrochimice convertesc energia electrică în energie chimică. Energia este stocată în compuși chimici. Acest proces este reversibil la bateriile electrochimice secundare. Pe durata descărcării energia chimică este convertită din nou în energie electrică. Elementele de conversie determină puterea la încărcare respectiv la descărcare iar unitatea de stocare determină capacitatea energetică a sistemului.

Există o gamă largă de acumulatoare electrochimice diferențiate prin materialele pentru electrozi și electrolit. Rezultă implicit o diferențiere atât din punct de vedere al proprietăților electrice, precum densitate de energie și putere, randament, durată de viață, temperatură de funcționare, rezistență internă, autodescărcare, cât și din punct de vedere al caracteristicilor economice precum costul sau întreținerea.

O baterie este alcătuită din două sau mai multe celule electrochimice conectate în serie. Se pot clasifica în celule electrochimice primare și secundare. Bateriile secundare – numite și acumulatori- au reacții reversibile și sunt reîncărcabile.

Acumulatoare electrochimice cu stocaj intern:

Baterii NiCd – se remarcă în principal prin timpul de viață ridicat și număr mare de cicluri de încărcare/descărcare. Sunt larg utilizate în aplicații în condiții grele de funcționare și climă foarte rece. Bateriile NiCd obișnuite pot lucra la temperaturi de -20°C iar cele proiectate pentru condiții speciale pot funcționa chiar sub -50°C. Tensiunea nominală a unei celule NiCd este 1.2 V. în condiții normale de funcționare, o baterie NiCd poate atinge până la 2000 de cicluri de descărcare completă chiar în condiții severe de exploatare. În funcție de domeniul de utilizare și de condițiile de funcționare, durata de viață poate fi între 8 și 25 de ani. Fiabilitatea ridicată și durata de viață mare a bateriilor NiCd se datorează unor factori multipli ce țin de construcția celulelor precum și de sistemul electrochimic specific. Astfel structura mecanică este foarte robustă, celulele nu pot fi ușor distruse prin manipulare tehnică incorectă cum ar fi încărcarea la polaritate inversă, supraîncărcarea și perioadele lungi la valori medii sau scăzute ale stării de încărcare. Un aspect negativ este reprezentat de așa numitul “efect de memorie”, ce apare în anumite condiții de funcționare. Acest termen este utilizat pentru a descrie tendința bateriei de a-și adapta proprietățile electrice la condițiile de ciclizare în care a funcționat o perioadă lungă de timp.

Baterii nichel-hidrură metalică (NiMH) – au înlocuit bateriile NiCd pe piața echipamente portabile (de exemplu telefoane mobile, jucării electronice, aparate de fotografiat și camere video, etc.) datorită impactului mai redus asupra mediului precum și datorită faptului că au raport energie/masă mare. Totuși, bateriile NiMH nu sunt disponibile comercial la capacitățile mari necesare sistemelor autonome de furnizare a energiei. Motivul principal îl reprezintă costul. Aceste baterii nu prezintă efect de memorie.

Baterii alcaline cu mangan reîncarcabile (RAM) – tensiunea nominală este 1.5 V/celulă și deci cu 25% mai mare decât a bateriilor NiCd sau NiMH. Ele sunt semnificativ mai ieftine în comparație ce bateriile NiCd și sunt mult mai puțin poluante deoarece ele nu conțin metale grele. Dezavantajul major al celulelor RAM îl reprezintă timpul de viață scăzut în condițiile unor cicluri profunde.

Până în prezent, tehnologiile existente asigură doar aproximativ 20 până la 50 de cicluri complete. Celulele RAM sunt interesante pentru aplicații mici cu durată de viață limitată sau cicluri foarte ușoare cum ar fi cazul unor jucării. Sistemele de iluminat de avarie pot reprezenta un alt domeniu de utilizare deoarece în mod normal numai partea electronică necesită o mică cantitate de energie (reîncărcarea fiind asigurată de o mică sursă PV) iar capacitatea totală este folosită în situația de urgență.

Baterii Li-ion și Li-polimer – Când bateria se încarcă, ionii de litiu din materialul catodului (compus de litiu) migrează printr-un separator în stratul structurii de material din carbon ce formează anodul și curentul de încărcare circulă. În timpul descărcării, ionii de litiu din materialul de carbon migrează înapoi la materialul catodului. Aceasta este cunoscută ca principiul „răsturnării scaunului” (“rocking chair”). Chiar printr-un număr mare de diferite combinații de materiale, sunt cunoscute sub numele de baterii litiu- ion, cele mai importante dintre produsele comerciale sunt tipurile LiCo și LiMn. Bateriile reîncărcabile Li-ion au o structură din 3 straturi conținând un separator poros intercalat între straturile de material ale catodului și anodului, care, în cazul celulelor prismatice sunt înfășurate într-o formă eliptică. Aceste materiale sunt impregnate cu un electrolit și etanșate în carcasă metalică. Această carcasă metalică conține o fantă de siguranță pentru a proteja bateria prin evacuarea gazului în exterior dacă presiunea din interiorul celulei atinge valori extreme. Bateriile cu litiu au un potențial de risc datorită densității foarte mari de energie și reactivității litiului metalic. Manevrarea incorectă a unei baterii reîncărcabile cu litiu poate genera căldură, explozie sau foc. În consecință este chiar mai important la acest tip de baterie asigurarea protecției la supraîncărcare, supradescărcare, supracurent, scurtcircuit și prevenirea operării la temperaturi prea mari. Astăzi, bateriile cu litiu sunt furnizate numai cu electronica de control pentru protecție, integrată. Ea lucrează independent de încărcătoarele externe și dispozitivele de monitorizare și bateria este deci complet controlată de producătorul ei.

Condensatoare dublu-strat – au un electrolit conductor de ioni între electrozi. Așadar, este posibilă o aglomerare de purtători de sarcină pe interfața dintre materialul conductor de electroni și materialul conductor de ioni. Interfața este numită strat dublu electrochimic. Nu are loc nici vreo reacție chimică și nici transfer de sarcină de la electrod la electrolit. Așadar, structura materialului nu se schimbă, rezultând cicluri de viață de câteva sute de mii. Stocarea energiei depinde numai de efectul electrostatic. Condensatoarele dublu-strat sunt adesea cunoscute prin numele lor de marcă ca SuperCaps sau GoldCaps.

Bateria plumb-acid – este de departe cea mai ieftină în comparație cu toate celelalte sisteme de stocare disponibile cu caracteristici similare. Bateriile plumb-acid în starea de încărcare constau dintr-un electrod pozitiv cu dioxid de plumb (PbO2) și un electrod negativ cu plumb (Pb), ca materiale active. Ambii electrozi conțin o rețea suport, care e făcută dintr-un aliaj tare de plumb. Acidul sulfuric (H2SO4) diluat este utilizat ca electrolit. O astfel de baterie complet încărcată are o densitate a acidului de 1.24kg/l la o temperatură de 25°C (o măsurare a densității în condiții stabile cunoscute poate determina gradul de încărcare al bateriei).

Dacă bateria este încărcată continuu, începe să elimine gaz la o tensiune de 14.4V; electroliza descompune apa din electrolit în hidrogen și oxigen, făcând necesară adăugarea apei după anumite intervale de timp. Pentru a proteja bateria, încărcarea ei ar trebui oprită la voltaje cuprinse între 13.8V și 14.4V.

Fig.4.14 Circuitul echivalental bateriei Pb-acid

Acumulatoare electrochimice cu stocaj intern:

Baterii redox – materialul activ este făcut din săruri dizolvate într-un electrolit lichid. Electrolitul este stocat în buterii. Cum solubilitatea sărurilor este de obicei nu foarte mare, densitatea energiei este similară cu cea a bateriilor plumb-acid. Reacțiile electrochimice de încărcare/descărcare au loc în convertorul care determină puterea sistemului. Bateriile redox lucrează cu electrolit în două bucle de circulație. Fiecare buclă de circulație conține sisteme redox, la care valența este schimbată în timpul încărcării și descărcării. Schimbarea valenței pentru cele două sisteme redox va trebui să aibă loc de preferat la diferență de potențial mare, ca aceasta să determine echilibrul tensiunii bateriei.

Sisteme de stocaj hidrogen-oxigen – electroliza apei începe la 1.23 V/celulă. Sistemul de stocare a hidrogenului constă din 3 componente majore: un electrolizor pentru producerea gazului din apă, stocajul de gaz pentru hidrogen și pentru oxigen, o pilă de combustie reconvertește gazul în apă și rezultă energie electrică.

În general, o baterie este considerată uzată atunci când mai are 80 % din capacitatea specificată de producător. Oricum, aceasta nu înseamnă că bateria este complet nefuncțională. Din experiență se cunoaște faptul că o baterie poate fi utilizată ușor până când mai are 50% din capacitatea nominală.

Convertoare c.c.-c.c. pentru sistemele fotovoltaice

Adaptorul de sarcină sau blocul de urmărire a punctului maximal de putere se realizează pe baza convertorului de c.c.-c.c. Nu sunt folosite transformatoare, fie de coborâre sau ridicare, ci se folosește principiul de modulație în durată a impulsurilor (Puise Width Modulation – PWM). Se utilizează două tipuri de convertoare: primul asigură micșorarea tensiunii (buck converter) și respectiv majorarea curentului, al doilea- majorarea tensiunii și respectiv micșorarea curentului (boost converter).

Fig. 4.15 Schema convertorului c.c./c.c. coborâtor (buck)

Tranzistorul VT conectează sau deconectează cu frecvență mare (de circa 20 kHz) inductanța L la ieșirea modulului PV. Apoi energia acumulată este cedată sarcinii R conectată în paralel cu condensatorul C. Fie că pe durata de timp td tranzistorul VT este deschis. Modulul PV este conectat la sarcină prin intermediul inductanței L. Curentul care curge prin circuitul este notat cu iLd (diagrama i(t)). O parte din energia livrată de modulul PV este acumulată în câmpul magnetic al inductanței L, în condensatorul C, care se încarcă, iar restul cedată sarcinii R. Ecuația de funcționare a circuitului PV-VT-L-C-PV ipoteza că toate elemente sunt ideale se va scrie astfel: pentru , de unde rezultă că tensiunea: .

Pe durata de timp ti, tranzistorul VT este închis (blocat), curentul prin inductanța L continuă să curgă prin circuitul VD-L-ramura C-R, ecuația de funcționare fiind: pentru , de unde rezultă că tensiunea: .

Astfel, tensiunea la ieșire (pe condensatorul C, respectiv pe sarcina R) se determină ca tensiunea la intrare uPV minus tensiunea de autoinducție a inductanței L. Pentru regimul de curenți neîntrerupți tensiunea pe condensator și curentul de sarcină se determină cu relațiile:

unde : D – se numește durata relativă de funcționare a tranzistorului VT și variază între 0 și 1, și este dată de expresia:

Fig. 4.16 Schema convertorului de c.c. / c.c. ridicător (boost)

În convertorul din figura 4.21 tranzistorul VT este conectat în paralel cu sarcina. Pe durata de timp td tranzistorul VT este deschis, tensiunea între punctele a și b este egală cu zero, curentul iLd curge prin inductanța L, energia produsă de modulul PV se înmagazinează în câmpul magnetic. Când tranzistorul VT se închide (durata de timp tî) curentul iLî generat de modulul PV curge prin dioda VD și sarcina R încărcând condensatorul C. Energia acumulată în inductanța L, de asemenea, este cedată sarcinii.

Ecuațiile de funcționare ale schemei pe cele două durate de timp sunt următoarele:

pentru

pentru

din care rezultă că tensiunea pe sarcină pentru 0≤ t ≤td este egală cu zero, iar pentru td≤ t ≤tî, – cu suma tensiunii uPV a modulului PV și tensiunii de autoinducție . În acest caz tensiunea la ieșire crește, curentul scade și se determină cu formulele:

Dacă în schema din figura 4.20 dioda VD și inductanța L sunt schimbate cu locurile și dioda este inclusă invers față de tranzistorul VT, atunci convertorul va realiza ambele funcții ale celor două scheme: pentru D<0,5, uC < uPV, iar pentru D>0,5, uC > uPV. Tensiunea și curentul la ieșire se determină cu formulele:

În convertoarele analizate (buck si boost) duratele de timp td și tî sunt modificate în dependență de curent și tensiune. Frecvența sau perioada T rămâne constantă. Blocul de comandă BC este dotat cu microprocesor și traductoare de curent și tensiune.

4.2.4 Invertoare pentru sistemele fotovoltaice

Invertorul transformă energia de curent continuu, generată de modulele PV sau stocată în acumulatoare, în energie de curent alternativ de o frecvență prestabilită.

În dependență de cerințele impuse de sarcină privind forma undei de tensiune, factorul de suprasarcină, randament, sunt folosite trei tipuri de invertoare: cu undă dreptunghiulară, cu undă cvasi-sinusoidală (în trepte) și cu modularea impulsurilor în durată.

Fig.4.17 Invertorul monofazt cu undă dreptunghiulară

Diodele VD1-VD4 conectate în paralel și invers cu tranzistoarele VT1-VT4 asigură curgerea neîntreruptă a curentului cu caracter inductiv atunci când tranzistoarele conectează sarcina activ-inductivă la sursa de tensiune. Dacă tranzistoarele VT1-VT2 și VT3- VT4 sunt în stare de conducție pe durata de jumătate de perioadă și apoi blocate, atunci între punctele a și b va fi generată o undă de tensiune dreptunghiulară. În momentul blocării tranzistoarelor VT1-VT2 sau VT3-VT4 (momentele de timp π și respectiv 2π ) curentul este preluat de diodele VD3-VD4 și respectiv VD1-VD2. Dacă se blochează tranzistoarele VT1-VT2, curentul va continua să curgă pe următoarea cale: a- R-L-VD3-C-VD4-a, iar în cazul blocării tranzistoarelor VT3-VT4 – pe calea b-L-R-VDl- C-VD2-b.

Fig.4.18 Invertorul cu undă în trepte( a – schema; b – diagramele curentului și tensiunii pe fază; c – schema conexiunii fazelor sarcinii pentru primul interval )

Tranzistoarele VT1-VT4 formează unda de curent a fazei A, VT3-VT6 – unda de curent a fazei B și VT5-VT2 – unda de curent a fazei C. În acest scop, tranzistoarele fiecărei faze se află în stare de conducție sau sunt blocate succesiv cu un defazaj de 180°, iar între faze, respectiv – 120°. Din diagramele curenților constatăm că sunt în stare de conducție concomitent trei tranzistoare din șase și pe perioadă sunt șase intervale (I,II,III,IV,V,VI) cu diferite stări ale tranzistoarelor. Pe durata primului interval sunt în conducție tranzistoarele VT1, VT6 și VT5. Curentul curge prin fazele A și C conectate în paralel și faza B conectată consecutiv. Pentru celelalte durate de timp se formează aceiași schemă dar cu diferite combinații ale fazelor. Pe fază va fi generată o undă în formă de trepte, amplitudinea căreia este egală cu 2/3U.

Fig. 4.19 Invertor cu modularea impulsurilor in durată

Pentru a obține la ieșirea invertorului o formă de undă a tensiunii cât mai sinusoidală, se compară un semnal de referință, uref sinusoidal cu un semnal purtător, up triunghiular. Punctele de intersecție ale semnalelor uref și up1 sunt folosite pentru impunerea momentelor de comutație ale tranzistoarelor VT1 și VT2, iar a semnalelor uref și uP2 – pentru impunerea momentelor de comutație ale tranzistoarelor VT3 și VT4. Algoritmul de comandă este următor:

• Dacă uref > up1, tranzistorul VT1 este în conducție, iar VT2 – blocat;

• Dacă uref < up1, tranzistorul VT1 este blocat, iar VT2 – în conducție;

• Dacă uref > up2, tranzistorul VT3 este blocat, iar VT4 – în conducție;

• Dacă uref < up2, tranzistorul VT3 este în conducție, iar VT4 – blocat.

Frecvența fp a semnalului purtător stabilește frecvența de comutație a tranzistoarelor VT1 – VT4, iar semnalul de referință uref, de frecvență fr egală cu frecvența dorită, este utilizat pentru modularea duratei de conducție. Frecvența fp este mai mare decât frecvență fr și poate atinge valori de până la 20 kHz.

Dacă tranzistoarele VT1-VT4 sunt comandate în conformitate cu algoritmul de mai sus, atunci în punctele a și b în raport cu punctul mediu O se vor genera trenuri de pulsuri de diferite durate (vezi diagramele uOa și uOb). Diferența uOa – uOb este egală cu tensiunea pe sarcină. Fundamentala uf este aproape de forma sinusoidală, iar în cazul sarcinii activ – inductive și curentul va fi sinusoidal.

Avantajele principale ale invertorului cu modularea impulsurilor în durată sunt:

• Posibilitatea de reglare prin comanda invertorului atât a frecvenței cât și a amplitudinii tensiunii la ieșire, ceia ce prezintă o importanță în cazul când sursa de energie este modulul PV care generează o tensiune constantă;

• Armonicile de frecvență joasă sunt eliminate din forma de undă a tensiunii la ieșirea invertorului;

• Încorporarea în invertorul PWM a tehnologiei de urmărire a punctului de putere maximală asigură funcționarea modulului PV în regim optimal. În cazul sistemelor de pompare solară această funcție a invertorului conduce la creșterea semnificativă a productivității.

Invertoarele pentru sisteme fotovoltaice se particularizează prin faptul că trebuie să găsească punctual de putere maximă și să rămână acolo în orice tip de situație.

În cazul invertoarelor pentru sistemele conectate la rețea, randamentul ridicat a sistemului înseamnă evitarea pierderilor prin evitarea debitării unui curent în rețea la o frecvență diferită de cea a rețelei. Pentru a corespunde cerințelor, sunt importante trei aspecte:

puntea – conectare a semiconductoarelor de comutație, care periodic conectează cu o frecvență de rețea (50Hz) direct ieșirea la intrare în polarizare normală și inversă

forma curenților – trebuie să fie sinusoidală pentru a minimiza distorsiunile rețelei

capacitatea de intrare – determină stabilizarea tensiunii generatorului și rezolvarea contradicțiilor între puterea continuă PV și furnizarea puterii de CA în rețea

La proiectarea sistemelor fotovoltaice trebuie să se respecte următoarele condiții:

minimizarea neadaptării modulului unui generator PV

evitarea umbririi

tensiunea MPP la 70°C ar trebui să fie mai ridicată decât minimul tensiunii de intrare a invertorului

tensiunea de circuit deschis la -10°C ar trebui să fie mai mică decât maximul tensiunii de intrare a invertorului

puterea de intrare a invertorului ar trebui să fie de 80%… 100% din puterea nominală a generatorului PV

tensiunea MPP ar trebui să fie aproape de tensiunea nominală a invertorului

Randamentul este o cifră importantă în descrierea calității unui invertor. Este calculat ca raportul dintre puterea de ieșire și cea de intrare și ar trebui să se apropie cât mai mult posibil de 100%. Randamentul depinde de topologia invertoarelor, dar se modifică cu puterea. La o putere joasă pierderile convertorului sunt fixate și randamentul este scăzută. Randamentul la o putere nominală de 10% ar trebui să ajungă la 90% și ar trebui atunci să crească la maxim la o putere nominală de 50%. Topologia instalației determină alegerea unui anumit tip de invertor.

În instalațiile fotovoltaice cu o ieșire de putere a invertorului mai mare de 20 kW se folosește un invertor central, la care se conectează un anumit număr de șiruri de module PV. Aceasta determină o performanță cu eficiență ridicată la putere ridicată, dar eficiență redusă la încărcare parțială. Dezavantajul acestui tip de instalații rezultă din apariția neadaptării modulelor pe o scară largă. Din cauza unui număr vast de module și a șirurilor de tensiuni pierderile în cablajul CC ar trebui luate în considerare.

Instalațiile PV în funcționarea Stăpân-Sclav sunt foarte asemănătoare cu topologia unui invertor central. Diferența constă în aplicarea unui număr de invertoare conectate în paralel. Aceasta permite funcționarea oricărei combinații a invertorului care se potrivește cu puterea solară actuală. Această topologie funcționează la eficiență maximă chiar la încărcare parțială. Avantajul acestei combinații este randamentul ridicat a invertoarelor care funcționează în limite de putere ridicate. Dezavantajele sunt pierderile ridicate datorate nepotrivirii similare a invertorului central și necesitatea unei conectări de comunicare între invertoarele instalate.

Invertorul de serie este un mic invertor cu o putere de ieșire de la 200 W la 3 kW. Modulele sunt conectate la un șir (conectare serială a modulelor). Doar un singur invertor funcționează cu un singur rând. Pierderile datorate nepotrivirii pot fi minimizate și în plus costurile instalării sunt reduse datorită faptului că este redus cablajul AC. Dezavantajul acestui tip de invertor este însă randamentul scăzută la încărcare parțială. La încărcări ridicate randamentul este înjur de 93-96%.

Invertorul-modulat este integrat fiecărui modul eliminându-se pierderile datorate nepotrivirii modulelor. Dezavantajul acestui tip de invertor este randamentul scăzut și prețul său specific este foarte mare în comparație cu al altor invertoare.

Cererile legale pentru sistemele conectate la rețea diferă în funcție de țări și standarde locale. Chiar în Europa există o mulțime de standarde și limite diferite pentru alimentarea rețelei. Majoritatea se confruntă cu încercarea de a detecta deconectarea rețelei (izolare). Invertorul ar trebui să ofere o monitorizare ajustată a rețelei pentru a întâlni reglări locale. Pentru o funcționare sigură invertoarele fară transformator ar trebui să monitorizeze curentul rezidual al întregii instalații.

Pentru a obține informații despre starea instalației se face monitorizarea întregii sale funcționări. Pot fi folosite diferite varietăți de dispozitive de control- diodele electroluminescente (led-uri) sunt cea mai simplă variantă. Pentru a obține informații mai detaliate (ex: puterea de curent alternativ, energia totală produsă, etc) poate fi folosit un monitor. Varianta cea mai complexă constă în folosirea unui controler cu memorie, capabil să stocheze datele măsurate. Datele stocate pot fi vizualizate grafic, editate de un program de calcul specializat. Apariția unor defecțiuni pot fi semnalate prin transmiterea unor mesaje către telefonul mobil sau e-mail. Pe lângă controlul parametrilor electrici, se pot folosi diferite tipuri de senzori pentru condițiile de mediu (traductori de vânt, senzori de radiație solară și de temperatură).

Pentru transmiterea datelor sunt posibile 4 tipuri diferite de strategii de comunicare:

conectarea RS 232 – conectare punct la punct; transmisia este făcută cu un cablu cu 3 fire care au un câmp comun cu o lungime maximă de 15m

conectare RS 485 – rețea de date cu mai mult de 50 de dispozitive diferite; transmisia este făcută cu un cablu cu 3 fire cu cămp comun, cu lungime maximă de 1200m

transmisia fară cablu – acest mod de transmisie este capabil să transmită date de la mai mult de 4 invertoare prin radio la o distanță de 30-300m

comunicare prin linia de putere (PLC) – cablul de putere este folosit pentru a transmite datele la mai mult de 50 de invertoare pe o lungime maximă de aproximativ l000m.

Tipul de mediu pentru transmiterea datelor ar trebui selectat în concordanță cu cererile specifice și limitările unei instalații PV. Criteriile sunt: numărul de invertoare care ar trebui instalate, condițiile electromagnetice în termenii interferenței, costurile instalării pentru comunicarea prin cablu și costurile echipamentelor.

Securitatea electrică

Proprietățile de funcționare ale generatoarelor fotovoltaice (PV) se deosebesc fundamental de proprietățile surselor de tensiune convenționale ca de pildă rețeaua electrică.

Cele mai importante diferențe sunt:

generatoarele PV sunt surse de curent și nu surse de tensiune; dacă izolația cablului principal de conexiune la generatoarele PV este deficientă, există pericolul ca un arc electric de lungă durată să poată apărea și să existe riscul unui incendiu

curentul electric, pe care un generator PV îl poate da, depinde liniar de intensitatea radiației solare incidente, întrucât valoarea tensiunii de ieșire în gol este valoarea nominală la nivele de joasă intensitate a radiației solare; riscul de șoc există chiar sub condiții de joasă radiație solară

generatoarele PV nu pot fi ușor întrerupte (exceptând cazul în care generatorul PV este total acoperit și umbrit). Aceasta înseamnă că și un sistem deconectat furnizează întreaga tensiune nominală în timpul zilei. Mai mult decât atât curenții de scurgere, datorați defectelor de instalare, nu pot fi simplu întrerupți

generatoarele PV sunt surse de curent continuu; nu există traversări de curenți zero ca la instalațiile convenționale de curent alternativ, care suportă toate eforturile de a întrerupe curentul și de a face ușoară stingerea unui arc electric; întreruperea curenților continui de peste 60 V cere construcția specială a întreruptoarelor de circuit care sunt capabile să suprime arcul de deconectare.

Proprietățile generatoarelor PV fac dificilă aplicarea standardelor corespunzătoare ingineriei electrice deoarece nu toate practicile stabilite de instalațiile casnice tradiționale pot fi aplicate. Generatoarele PV sunt sisteme extinse ca spațiu, cu o multitudine de conexiuni, care sunt expuse uneori condițiilor aspre înconjurătoare. Comparativ cu instalațiile din interiorul clădirilor, acestea se pot defecta mult mai repede, dacă ținem cont de durata lor de viață (25-30 ani). Într-un sistem conectat la rețea, faptul că un generator PV lucrează ca o sursă de curent își determină caracteristica de avarie până la bornele de intrare ale invertorului. Curentul limitat de scurtcircuit al generatorului PV nu poate activa un întreruptor. Reglementări tehnice ce ar trebui luate în calcul atunci când se dorește instalarea unui sistem fotovoltaic sunt stabilite prin standardul IEC 60364 (VDE0100).

În sistemele fotovoltaice pot apărea avarii precum:

pierderi prin întreruperea conexiunii datorate schimbărilor continue de temperatură, vibrațiilor, materiale vechi sau instalării incorecte

defecțiunea mecanică a izolației datorată abraziunii sau efectului direct al forțelor externe (vânt, formare de gheață, temperatură și radiație solară)

deteriorarea izolației datorată influențelor de mediu cum ar fi radiația ultravioletă, umiditate, căldură

distrugerea izolației de către rozătoare, insecte

distrugerea izolației datorată supratensiunilor

Pentru a ne asigura că echipamentele electrice, în timpul utilizării lor, sunt sigure pentru oameni, este necesar ca părțile operaționale ale echipamentelor aflate sub tensiune să nu fie accesibile contactului direct. Această protecție este, de regulă, garantată de către izolația primară și de măsuri constructive corespunzătoare (de exemplu, carcase). Se iau și următoarele măsuri pentru evitarea electrocutărilor:

tensiune foarte joasă de sigutanță- tensiunea de circuit deschis a unui generator PV pentru condiții standard test (STC) nu poate depăși 120V; limita tensiunii bateriei (2 V/celulă pentru bateriile cu plumb-acid) în sistemele PV neconectate la rețea nu poate depăși 120V

deconectarea automată- poate fi implementată destul de greu în sistemele PV; această măsura de protecție poate fi implementată pentru o cutie a joncțiunii metalice a generatorului PV sau un invertor cu o carcasă metallic

izolație de protecție- modulele cu astfel de izolație permit tensiuni ale generatorului înalte

Cablurile se dimensionează corect pentru a fi protejate împotriva scurtcircuitului. Capacitatea de transport a curentului continuu a circuitului PV și a cablurilor dispozitivului PV este cel puțin de 1,25 ori mai mare decât limita de curent de scurtcircuit la condiții standard de testare (STC) pentru circuit sau dispozitiv la orice locație. Capacitatea de transport a curentului continuu a cablului principal trebuie să fie cel puțin de 1.25 ori mai mare decât curentul de scurtcircuit a generatorului la STC. Dacă aceste condiții nu sunt îndeplinite, cablurile trebuie protejate împotriva supraîncărcării.

Dacă un producător impune măsuri de protejare a modulelor, acestea trebuie implementate. Sub condițiile de defect, un curent invers poate apărea supraîncălzind modulul. Pentru instalarea grinzilor pe acoperiș, este recomandată instalarea cablurilor separate pentru polii pozitivi și negativi sau cabluri simple izolate în conducte separate sau ca duble cabluri izolate adiacente.

În determinarea curentului maxim permis pentru cabluri și fire, trebuie luate în considerare tipurile instalării și temperaturile ambiante așteptate. Deoarece pot apare pe acoperiș temperaturi care depășesc 60° C, trebuie folosite numai cabluri cu o temperatură de funcționare de 70° C. Temperaturi mai mari de 85° C au fost măsurate în afara modulelor izolate termic. Pentru că toți polimerii sunt deteriorați de radiațiile UV toate cablurile din exterior ar trebui protejate împotriva radiațiilor solare directe.

Terminalele electrice și cutiile de conectare ale modulelor sunt importante. O carcasă bună de conectare a modulului are următoarele proprietăți:

metoda simplă de conectare cu "clești crocodil" și borne împreună cu instrucțiuni de împământare dacă este necesar

cabluri de prelungire și metode de instalare a cablurilor în cazurile necesare

cablul poate părăsi suprafața modulului PV numai spre extremitatea inferioară

clasa de protecție cel putin IP 54 (IP- Protecție Internațională, 5- gradul de protecție pentru praf, 4- gradul de protecție pentru apă)- orice schimbare a temperaturii se observă în transportul de apă in carcasă datorită difuziei vaporilor si condensării; deci, găurile de drenaj sunt impuse de standard, pentru echipamentul expus direct lalumina soarelui.

Toate conexiunile și cutiile de joncțiuni trebuie să cuprindă avertismente referitoare la părțile active care pot avea curent chiar după separarea de invertor, de controlerul de sarcină și baterie.

Un sistem PV nu mărește posibilitatea fulgerării, atât timp cât sistemul nu depășește înălțimea originală a clădirii. Se cere ca doar cablurile pozitive și negative, pentru șiruri, și cablul legăturii echipotențiale (dacă este prezent) să fie instalate cât mai apropiat posibil. Aceasta micșorează zona care poate reacționa la câmpul magnetic asociat fulgerării sau care poate transmite perturbația electromagnetică provenită din invertor. Clădirile sau părțile din ele care sunt mult mai înalte decât cele din jurul lor prezintă riscuri speciale, iar clădirile publice necesită protecție specială. Extinderea riscului este determinată de suprafața sistemului și gradul local de expunere.

5.Avantaje ale utilizării energiei solare

Soarele este, fară îndoială, o vastă sursă de energie. Într-un singur an, el trimite spre pământ de 20.000 de ori energia necesară întregii populații a globului. În numai trei zile,pământul primește de la soare echivalentul energiei existente în rezervele de combustibili fosili.

Sistemele fotovoltaice de astăzi sunt recunoscute de guvernanți, organizații de mediu si

organizații comerciale ca fiind o tehnologie cu potențialul de a furniza o parte semnificativă din

energia global necesară oamenilor într-o formă durabilă si regenerabilă.

Sistemele fotovoltaice realizează conversia directă a energiei radiației solare în energie electrică.

Acestea au fost folosite la început pentru a echipa sateliți, după aceea pe scară mai largă la

echiparea ceasurilor electronice, precum și a unor calculatoare. Sistemele fotovoltaice

funcționează de mult timp în domenii ca pomnparea apei, electrificarea unor localități sau case

izolate, gestionarea unor rezerve de apă, aparate de taxat pentru parcări, telecomunicații, etc. În

ciuda succesului acestor sisteme în toată lumea, piața lor reprezintă un procent mic din piața

energiei. Existența sistemelor fotovoltaice și rentabilitatea implementării lor, atat la nivel urban

cât și rural nu este cunoscută de potențialii utilizatori. De asemenea,există concepții greșite

privind tehnologia fotovoltaică, ca de exemplu ideea că sistemele fotovoltaice funcționează

numai în lumina solară intensă, tehnologia este prea sofisticată sau ideea că ar fi prea scumpă

comparativ cu extinderea rețelei electrice.

Exista argumente favorabile investițiilor în fotovoltaic:

gazul natural și petrolul devin insuficiente și bătălia pentru aceste surse devine mai severă; în același timp, populația a crescut, dezvoltarea și industrializarea țărilor conduce la o creștere dinamică a cererii energiei

Soarele – un reactor de fuziune – va exista încă, câteva miliarde de ani; energia radiată de către soare asupra continentelor este de 219.000.000.000 milioane kWh în fiecare an (aceasta reprezintă de 2500 ori mai mult decât consumul curent anual global)

dioxidul de carbon emis atunci când sursele de energie fosilă sunt arse este cauza principală a creșterii temperaturii globale, afectând enorm condițiile de viață viitoare; încă de la începutul perioadei industriale, concentrația de dioxid de carbon din atmosferă a crescut cu 30%, cauzând creșterea temperaturii globale cu 0,4-0,8°C (creșterea temperaturii a încălzit și oceanele și a topit ghețarii) – un sistem fotovoltaic tipic pe un acoperiș de casă poate preveni peste 34 de tone de gaz cu efect de seră emise în perioada sa de funcționare

tehnologia fotovoltaică este ideală când este folosită în clădiri, pentru că produce energie electrică fară să polueze, silențioasă și fară să ocupe loc în plus

o mai bună calitate a luminii, ca lămpile de stocare a energiei și neoanele înlocuite de candele și lămpi cu kerosen

eșecul unui sistem fotovoltaic nu are consecințe atât de rele ca în cazul instalațiilor de producere a energiei din combustibil fosil sau nucleară

generatoarele de putere și consumatorii de energie pot fi conectați mai eficient decât prin linii de înaltă tensiune

taxe de întreținere foarte scăzute, cu o funcționalitate de durată de 30 de ani sau mai mult sistemele se pot extinde si completa in cazul apariției unor consumatori electrici suplimentari.

6. Aplicații ale tehnologiei fotovoltaice

Energia fotovoltaică este o sursă foarte atractivă pentru produsele industriale, de telematică și de telecomunicații. De exemplu, în comparație cu sistemele convenționale de energie (bateriile primare, bateriile reîncărcabile, motoarele cu petrol și rețelele de putere), sistemele fotovoltaice (PV) prezintă flexibilitate, siguranță și protejează mediul înconjurător. Din punct de vedere economic, sistemele fotovoltaice sunt interesante pentru produsele și sistemele industriale de serie. Sistemele fotovoltaice sunt deja utilizate pentru a evita conectările scumpe la rețea, modificările complicate ale bateriilor și timpul consumat pentru transportul combustibilului.

Lampadar- pe un stâlp de iluminare se montează un panou solar de cca 40 Wc care alimentează o bateria de cca 50Ah. Acesta asigură o autonomie de cca 5 zile a 8 ore de noapte. Aprinderea și stingerea luminii se asigură cu un programator inclus.

Fig. 6.1. Stâlpi de iluminat cu celule fotovoltaice in Suceava

Lampion- este compus din mai multe celule solare (ex. 36) îmbinate estetic formînd corpul lampionului ce încarcă un accumulator în cursul zilei care mai apoi alimentează o sursă de lumină noaptea. Este portabil, putând fi utilizat pentru iluminare unui interior noaptea.

Fig. 6.2. Sistem fotovoltaic de blocar loc parcare

Balize luminoase- sunt corpuri de iluminat incluse în asfalt, ce emit o lumină difuză produse cu ajutorul unuia sau mai multor LED-uri pe baza energiei acumulate în cursul zilei prin intermediul celulelor solare. Dispun de o autonomie de 6-7 zile fară soare.

Aparatele automate de taxare în parcări aparțin sitemelor cu alimentare autonomă care pe lângă un modul cu celule solare mai este înzestrat și cu un acumlator pentru a se asigura alimentarea continuă cu energie electric

Fig. 6.3. Aparat de taxare in parcare (Hanovra)

Automobilele solare sunt construite utilizând rezultate din tehnica spațială, tehnologia de fabricație a bicicletelor, industria de automobile și tehnologia energiei reânnoibile. Cadrul este realizat din materiale composite ușoare (fibră de carbon, fibră de sticlă, Kevlar) asamblate prin lipire cu rășini sintetice (epoxidice) și este purtătorul a sute de celule solare legate între ele. Un astfel de ansamblu, într-o zi însorită, poate produce o putere de pînă la 2kW(2,6CP) .

Fig.6.4. Automobilele solare de la Universitatea din Michigan și Universitatea din Minnesota

La mijloacele de transport pe apă panourile solare se utilizează :

pentru generarea de current electric stocat ulterior în acumulatoare pentru alimentarea utilităților de bord de exemplu în cazul ambarcațiunilor. De exemplu o baterie de acumulatoare se poate încărca de la panouri solare montate pe bord la un curent de 9A.

pentru propulsarea vasului, caz în care panourile solare vor acoperi o suprafață de obicei orizontală de tip acoperiș, sau chiar o parte din puntea vasului.

Fig.6.5. Trimaranul solar Basilisk2 Fig. 6.6. Vasul de pasageri Solifleur

Vagon autonom acționat de motor electric alimentat cu curentul produs de panouri solare și stocat în baterii de acumulatoare. ELSE este un vagon experimental cu 6-8 locuri Puterea maximă de 3 kW este dezvoltată de un motor cu un randament de 95% la 24 V. Viteza de croazieră este de 15 km/h (teoretică maximă 50 km/h). Autonomia în condiții de umbră este de 60 km.

Fig. 6.7. Vagon propulsat cu energie solara

Avioane fără pilot – primul avion cu o greutate de 12 kg a fost Sunrise I având o putere de 450W furnizată de cca 1000 celule solare. A efectuat primul zbor la 4 noiembrie 1974. A urmat Sunrise II la 27. 09. 1975 acționat de un motor de 600 W alimentat de 4480 celule solare.

La 11 septembrie 1995 Pathfinder a realizat recordul de zbor de 12 ore la 15.240 m altitudine corectat la 7 iulie 1997 la 21.802 m. În 1998 din Pathfinder a rezultat Pathfinder_plus cu o puterea instalată a celulelor solare de 7,5 kW alimentând 6 motoare cu o putere de 1,5 kW fiecare.

Avionul fără pilot HELIOS cu o greutate de 580 kg avea suprafața acoperită cu 66000 celule solare cu randamentul de 22% și o putere de 35 kW. Viteza de zbor era de 30 până la 50 km/h. Helios s-a prăbușit la 29 Mai 2003 lângă Hawaii în oceanul Pacific.

Fig. 6.8. Avion Helios Fig. 6.9. Avion Pathfinder

Satelitul STARDUST are o suprafață de panouri solare de 6,6 mp ce stochează energia necesară în perioda de umbră în acumulatoare de nickel-hydrogen (NiH2) cu o capacitate de16 Ah Stația Spațială Internațională (ISS) este alimentată cu energie electrică având ca sursă celule solare ce echipează 8 panouri desfășurate pe o lungime de câte 35,05 m lungime și 11,58 m lățime cu o masă de 1,1 T fiecare. Celulele solare pe o aripă sunt în număr de 32800 așezate în rânduri de câte 400. Un panou furnizează stației 32,8 Kilowatt energie electrică, la o tensiune reglată la 140 V prin Utility Transfer Assembly (UTA). Pe perioada de eclipsă (35 min din fiecare 90 min a rotației pe orbită). Energia este stocată ăn baterii de nichel-hidrogen proiectate pentru 38.000 cicluri de încărcare descărcare respective o durată de viață de 6,5 ani. Pentru maximizarea puterii furnizate panourile sunt orientate permanent către soare de sistemele BGA (Beta Gimbal Assembly) și SARJ (Solar Alpha Rotary Joint).

Fig. 6.10.Satelitul STARDUST

În utilizarea casnică panourile solare au o importanță mai mare în cazul locuințelor izolate fără racord la rețeaua de curent alternativ.

Proiectul model al blocului 103/104 din Berlin- pe o suprafață de 240 m2 213 panouri solare cu o eficiență de 16% produc 20 kW energie electrică însumând 14.000 kWh pe an (fig.8.12).

Dat în funcțiune în anul 1984 acoperișul din panouri solare al Universității din Georgetown situat în centrul dens populat al Washingtonului produce anual energie electrică în valoare de 60000$.

Fig. 6.11. Panouri solare

Ceasurile produse de firma japoneză Citizen sunt dotate cu o celulă solară inclusă în cadran care încarcă un acumulator cu litiu având o independență de 150-240 zile și care după o funcționare de 20 ani prezintă o scădere de capacitate de maximum 20%.

Fig. 6.12. Ceas de mână Citizen

Inventatorul Belgian Yincent Gerkens a creat un concept de jaluzele solare care păstrează energia acumulată de la soare în timpul zilei și luminează noaptea, înlocuind obișnuitele veioze electrice. Jaluzelele Blight sunt prevăzute cu fâșii fotovoltaice foarte subțiri care acumulează energia solară. Ideea inventatorului belgian combină două tehnologii de ultimă generație: celule solare flexibile și folia electroluminiscentă ce necesită puțină energie. Aceste jaluzele sunt ecologice, durabile și nu necesită cabluri. În Santa Coloma de Gramenet, oraș din Spania, au fost instalate 462 de panouri solare pe morminte, transformând astfel cimitirul dintr-un loc de odihnă veșnică, în unul cu energie regenerabilă. Cimitirul era singurul loc ce îndeplinea condițiile pentru captarea energiei solare, fiind întins și expus luminii Soarelui. Panourile solare produc energia necesară anual pentru 60 de case, fiind felul straniu al comunității de a lupta împotriva încalzirii globale.

Fig.6.13. Panouri solare instalate într-un cimitir din Spania

Rucsac fotovoltaic – energia este stocată într-un acumulator cu litiu (7.2V); are încorporate adaptoare pentru telefon mobil, cameră digital, GPS.

Implementarea unui sistem neconectat la rețea pentru alimentarea unei case cu electricitate

Una dintre cele mai comune aplicații ale energiei alternative este alimentarea cu energie electrică a unei case. Un astfel de proiect este soluția cea mai rentabilă în cazul în care rețeaua de energie electrică se află la o distanță mai mare de 200-300m de locația casei.

Sistemul fotovoltaic neconectat la rețea (stand alone system) constă în: module fotovoltaice, controler (controlează funcționarea corectă a sistemului), baterii (stochează energie în vederea folosirii ei în intervalele de timp în care radiația solară este insuficientă) și invertor (modelele utilizate în prezent transformă curentul continuu de 12V/24V/48V în curent alternativ cu amplitudinea de 220V și frecvență de 50Hz).

Schema generală a sistemului fotovoltaic este:

Pentru proiectarea unui sistem fotovoltaic se iau în calcul puterea necesară consumatorului, timpul de lucru, conditiile climatice ale zonei în care se va instala sistemul și costurile.

Aport la încalzirea clădirilor (zona Bucuresti)

Pentru încalzirea locuintei, dimensionarea sistemului se face înfunctie de:
• volumul imobilului care trebuie încălzit
• temperatura dorită în imobil
• nivelul izolatiei termice și tipul instalatiei de încălzire
• cantitatea de radiatie solară din lunile de iarnă
• temperatura medie a aerului din sezonul rece

Cantitatea medie de radiatie solară/tempetarura medie anuală este:

Înainte de achiziționarea unui sistem de energie bazat pe surse regenerabile este recomandată înlocuirea tuturor consumatorilor tradiționali cu alții mai eficienți din punct de vedere al consumului de energie. Primul pas în dimensionarea unui sistem PV constă în determinarea consumatorilor și a consumului necesar.

Fig.7.1. Consumatorii uzuali intr-o casă

Se calculeaza energia totala necesara.

Fig.7.2. Consumul total

Necesarul de energie de 252.5kWh/lună poate fi asigurat de 18 de panouri solare ET Solar de 200W (252.5/8.8=28.69 panouri de 100W necesare, echivalate în panouri de 200W pentru o utilizare mai bună a spațiului) – ET-M572200TW (anexa 1). Panourile din siliciu multicristalin satisfac cerințele impuse și prezintă avantajul unor costuri reduse în comparație cu alte tehnologii.

Sistemul are o autonomie de 4 zile, adică poate furniza energia necesară timp de 4 zile chiar dacă nu avem nici un aport de energie de la panourile fotovoltaice. Energia necesară pentru 4 zile este aproximativ 32.4kWh (este necesară o capacitate cumulată a bateriilor de 32400/220=150Ah).

Tipul și numărul bateriilor se aleg astfel încât să garanteze autonomia sistemului timp de 4 zile, să fie fiabile și ușor de întreținut. Se aleg baterii plumb-acid, de 12V, cu ciclu profund (trebuie să fie utilizată la mai puțin de 80% din capacitatea sa).

Bateriile sunt normate în amperi-oră (Ah) și cu o normă sigură de încărcare/descărcare. Dacă este cuplat un consumator care folosește un curent cu o intensitate mai mare decât raportul dintre capacitatea bateriei (Ah) și rata ei de descărcare (h), atunci bateria se va descărca mai repede. Dar pentru o perioadă mică de timp bateria poate prelua o rată de descărcare mai mare. Consumatorul cu cea mai mare putere (cuptorul cu microunde – 1500W) este folosit numai câteva minute zilnic și nu pune probleme.

Pentru sistemul proiectat se folosesc 6 baterii Sonnenschein Solar Pb-acid tip VRLA (Valve Regulated Lead Acid – nu necesită întreținere) -anexa2, de capacitate 41 Ah (model S12/41 A), conectate în paralel. Capacitatea bareriilor conectate în paralel va fi de 41*6=246Ah la 12V.

Fig.7.3. Baterie solar

Într-un sistem de energie alternativă este indispensabil dispozitivul de control pentru a menține funcționarea corectă. Controlerul poate fi integrat în structura invertorului pentru a avea un sistem compact și o bună compatibilitate între performanțele lor. Invertorul este ales în funcție de tensiunea de intrare, puterea de intrare (80%… 100% din puterea nominală a generatorului PV) și necesitățile utilizatorului. Modelul ales este Steca Xtender XTH 3000-12 (anexa3). Este un invertor cu undă perfect sinusiodală, silențios, fialbil și dispune de control la distanță (telecomandă), având controler de încărcare integrat.

Fig.7.4 Invertor XTH 3000-12 Fig.7.5 Telecomanda invertorului

Permite conectare în paralel pentru extinderea puterii până la 21 KW monofazic sau 63KW trifazic.

Concluzii

Sistemele fotovoltaice realizează conversia directă a energiei radiației solare în energie electrică, fară o poluare sonoră și fără emisia unor gaze poluante în mediul ambiant. Sistemele fotovoltaice au fost folosite la început pentru a echipa sateliții, după aceea pe scară mai largă la echiparea ceasurilor electronice precum și a unor calculatoare. În ultimii 20 de ani, sute de mii de sisteme au fost instalate în toată lumea. Ele sunt folosite în orașe mici și în sate în care implementarea unui astfel de sistem este mai rentabilă decât conectarea la rețeaua electrică sau folosirea de generatoare de curent. Pentru instalarea acestor sisteme se preferă utilizarea unor suprafețe deja existente (de exemplu, acoperișurile și fațadele clădirilor), reducânde-se astfel costurile.

Odată cu apariția problemelor legate de nesiguranța mediului înconjurător, construirea unor clădiri eficiente din punct de vedere energetic a câștigat o mare popularitate. Opinia general adoptată este că un control mai atent al repercursiunilor asupra mediului înconjurător este extrem de necesar și că oamenii trebuie să folosească sisteme mai eficiente din punct de vedere energetic.

Proiectarea modulară a generatoarelor fotovoltaice permite implementarea sistemelor de furnizare a energiei într-un domeniu foarte larg de putere – de la câțiva miliwați (la ceasuri) la mai mulți kilowați pentru alimentarea consumatorilor izolați sau chiar instalații fotovoltaice de putere, conectate la rețea, de mai mulți megawați.

Sistemele fotovoltaice se deosebesc de sistemele convenționale de furnizare a energiei din mai multe puncte de vedere. Condițiile climaterice locale, dar și comportamentul utilizatorilor afectează funcționarea acestor sisteme. De aceea, cunoașterea exactă a acestor trăsături specifice a sistemelor fotovoltaice de furnizare a energiei este o premisă importantă a proiectării, dimensionării, instalării și menținerii în stare de funcționare a acestora. Pe lângă locația geografică, dimensionarea sistemelor fotovoltaice este dependentă de spațiu disponibil, orientare și umbrirea zonei alese.

Puterea maximă și dimensiunile modulului determină selecția unui panou solar. În unele cazuri, tehnologia folosită la fabricația unei celule și producătorul joacă un rol important în adoptarea unei decizii. Folosind module mai mari, complexitatea de instalare se reduce, totuși plasarea modulului într-o zonă folositoare ar putea fi limitată.

Puterea invertorului ar trebui să se potrivească cu puterea modulelor. Specificațiile de putere ale modulelor se referă la cele din condițiile de test standard (STC). Deoarece modulele funcționează rar în condiții standard, puterea invertorului este aleasă cu 10-20% mai puțin.

În ultimii ani au apărut o serie de concepte revoluționare în ceea ce privește creșterea la maximum a gradului de confort, utilizării energiei și asigurarea securității unei locuințe; toate aceste calități sunt azi reunite în ceea ce se numește tot mai frecvent "locuință inteligentă". Acest concept presupune și utilizarea elementelor fotovoltaice pentru furnizarea energiei necesare, conferind astfel locuinței un caracter autonom și ecologic.

Numărul mare de factori care influențează randamentul unui sistem fotovoltaic și caracterul lor variabil face dificilă proiectarea optimă a acestuia.

BIBLIOGRAFIE

”Surse regenerabile de energie ” Ion Sobor, T. Ambros, V. Arion, P. Todos, A. Guțu, D. Ungureanu, Editura Tehnica-Info, Chișinău 1999

”Clean Electricity from Photovoltaics” Editors: Mary D. Archer and Robert Hill, Imperial College Press

”Solar Technologies for Buildings” Ursula Eicker, ISBN 0865981523,

9780865981522

"Understanding Renewable Energy Systems ” Volker Quasehning, London 2005

"Handbook of Photovoltaics Science and Engineering” Editors: Antonio Luque and Steven Hegedus

6Private Photovoltaik-Stromerzeugungsanlagen im Netzparallelbetrieb ”(Grid- connection operation of private photovoltaic generators) R. Elotopp, Essen,

August 1991

”Photovoltaics Guidebookfor Decision Makers ” Editors: A. Bubenzer, J. Luther, Berlin 2003

"Handbook ofBatteries ”, 2.Edition, D. Linden, McGraw Hill 1995

”Analysis of the performance parameters of plumb/acid batteries in Fotovoltaic systems”, Sauer D., Băchler M., Bopp G., Hohe W., Mittermeier J., Sprau P., Willer B., Wollny M.

”Elektro-Installation in Wohngebăuden ” (Electrical Installation in Houses), D. Vogt, VDE- Verlag GmbH, Berlin und Offenbach, 1991

”Safety Consideration for a Transformerless Inverter in Residential PV-System ”, G. Bopp, H. Laukamp, 9th EC Photovoltaic Solar Energy Conference, Freiburg, 1989

”Solar electricity. Engineering of photovoltaic systems”, E. Lorenzo Pigueiras, Madrid

http://www.retscreen.net/ro/home.php

http://ecosapiens.ro/

http://www.etsolar.com/products

Home

http://www.steca.com/

Startseite

Anexa 1

ET Module

ET-M572200TW ET-M572195TW ET-M572190TW ET-M572185TW ET-M572180TW

Anexa 2

Anexa 3

BIBLIOGRAFIE

”Surse regenerabile de energie ” Ion Sobor, T. Ambros, V. Arion, P. Todos, A. Guțu, D. Ungureanu, Editura Tehnica-Info, Chișinău 1999

”Clean Electricity from Photovoltaics” Editors: Mary D. Archer and Robert Hill, Imperial College Press

”Solar Technologies for Buildings” Ursula Eicker, ISBN 0865981523,

9780865981522

"Understanding Renewable Energy Systems ” Volker Quasehning, London 2005

"Handbook of Photovoltaics Science and Engineering” Editors: Antonio Luque and Steven Hegedus

6Private Photovoltaik-Stromerzeugungsanlagen im Netzparallelbetrieb ”(Grid- connection operation of private photovoltaic generators) R. Elotopp, Essen,

August 1991

”Photovoltaics Guidebookfor Decision Makers ” Editors: A. Bubenzer, J. Luther, Berlin 2003

"Handbook ofBatteries ”, 2.Edition, D. Linden, McGraw Hill 1995

”Analysis of the performance parameters of plumb/acid batteries in Fotovoltaic systems”, Sauer D., Băchler M., Bopp G., Hohe W., Mittermeier J., Sprau P., Willer B., Wollny M.

”Elektro-Installation in Wohngebăuden ” (Electrical Installation in Houses), D. Vogt, VDE- Verlag GmbH, Berlin und Offenbach, 1991

”Safety Consideration for a Transformerless Inverter in Residential PV-System ”, G. Bopp, H. Laukamp, 9th EC Photovoltaic Solar Energy Conference, Freiburg, 1989

”Solar electricity. Engineering of photovoltaic systems”, E. Lorenzo Pigueiras, Madrid

http://www.retscreen.net/ro/home.php

http://ecosapiens.ro/

http://www.etsolar.com/products

Home

http://www.steca.com/

Startseite

Anexa 1

ET Module

ET-M572200TW ET-M572195TW ET-M572190TW ET-M572185TW ET-M572180TW

Anexa 2

Anexa 3