Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice [614235]

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 2

UNIVERSITATEA TEHNICĂ din CLUJ -NAPOCA
FACULTATEA de INGINERIE ELECTRICĂ

SISTEM DE CONTROL AL ENERGIEI ELECTRICE
LA O CASĂ ALIMENTATĂ DE LA PANOURI
FOTOVOLTAICE

I. ENUNȚUL TEMEI:
Sistem de control al ener giei electrice la o casă alimentată de la panouri
fotovoltaice

II. CONȚINUTUL proiectului de diplomă/lucrării de disertație
a) Piese scrise
b) Piese desenate

III. LOCUL DOCUMENTĂRII:
Universitatea Tehnică din Cluj -Napoca, Facultatea de Inginerie Electrică

IV. CONDUCĂTOR ȘTIINȚIFIC:
Asistent ing. Constantin Sorin Pică

V. Data emiterii temei: …… …20.10.2018 ………………………….

VI. Termen de predare: ………. 17.07.2019 ………………………….

Conducător științific Absolvent: [anonimizat] 3

(semnătura ) (semnătura )

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 4

Declarație -angajament : Deoarece acest proiect de diplomă nu ar fi putut fi finalizat(ă) fără ajutorul
domnului Constantin Sorin Pică, mă angajez să public informațiile conținute în lucrare numai cu
acordul scris al conducătorului științific.

Data: ………… Semnătura

Declarație : Subsemnatul Grigoraș C ătălin Cosmin declar că am întocmit prezentul proiect de
diplomă/lucrare de disertație prin eforturi proprii, fără nici un ajutor extern, sub îndrumarea
conducătorului științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 5

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 6

Cuprins
1 Introducere în problematica temei ………………………….. ………………………….. ………………………… 8
1.1 Scopul lucrării și prezentarea strategiei de lucru ………………………….. ……………………….. 8
2 Considerații teoretice ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 10
2.1 Aspecte generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………….. 10
2.2 Radiația solară ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 11
2.2.1 Distribu ția pe glob ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 11
2.3 Elevația Soarelui și spectrul radiației solare ………………………….. ………………………….. …. 13
2.4 Măsurarea radianței solare ………………………….. ………………………….. …………………………. 14
2.5 Distribuția radiației solare directe pe glob. ………………………….. ………………………….. ….. 16
2.6 Parametrii măsurabili și curba I -U ………………………….. ………………………….. ……………… 20
3 Soluții cercetate și metode de analiză ………………………….. ………………………….. …………………… 23
3.1 PV*SOL® ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 23
3.1.1 Date de proiectare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …. 24
3.1.2 Planificarea sistemului cu vizualizare 3D ………………………….. ………………………….. ………………………….. 25
3.1.3 Configurarea modulelor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 26
3.1.4 Planul cablurilor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 27
3.1.5 Diagrama string ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 28
3.2 Invertorul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………. 29
3.3 MPP -Tracking ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 31
3.3.1 Alte pierderi ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 31
3.3.2 Pierderi prin cabluri ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 31
3.3.3 Calculul pierderilor prin cabluri ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 33
3.4 Controlerul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………….. 34
3.5 Bateria de invertor ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 35
3.6 Sistem ul de acumulatoare ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 37
3.6.1 Puterea bateriilor și autonomia ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 38
3.6.2 Dimensionarea bancului de baterii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 38
3.6.3 Tipul cuplajului ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. 39
3.7 Bateria plumb acid ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 40
3.7.1 Descărcarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 41
3.7.2 Încărcarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 42
3.7.3 Planuri de încărcare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 44
3.7.4 Încărcarea C ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 45
3.7.5 Încărcarea V0 ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………. 45
3.7.6 Încărcarea cu flotor ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 46
3.7.7 Încărcarea completă și egaliza rea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 46
4 Generatorul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. 47
4.1 Controlul funcționării bazat pe SOC ………………………….. ………………………….. …………… 47
4.1.1 Încărcarea dependentă de lansare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 47
4.1.2 Consumul de combustibil ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………… 47
4.1.3 Dimensionarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 48
4.1.4 Controlu l în funcție de nivelul de încărcare al bateriei ………………………….. ………………………….. ………… 49
5 Simulări realizate la sistemul off grid ………………………….. ………………………….. ………………….. 51
5.1 Încărcarea sarcinii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 52
5.2 Reglarea sistemului fotovoltaic ………………………….. ………………………….. ……………………. 53
5.3 Temperatura pe modul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …… 53
5.4 Energia provenită de la generator ………………………….. ………………………….. ……………….. 54
6 Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 55
7 Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 57

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 7

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 8

1 Introducere în problematica temei
1.1 Scopul lucrării și prezentarea strategiei de lucru
Creșterea rapidă a cererii de energie electrică și schimbările recente a condițiilor de mediu,
cum ar fi încălzirea globală, a condus la nevoia unei noi surse de energie care să fie durabilă, ieftină
și cu emisii de dioxid de carbon mici. Energia solară a oferit rezultate promițătoare la această
problemă, dar valorificarea energiei solare cu ajutorul sistemelor fotovoltaice (FV) vine cu propriile
sale probleme care apar la schimbarea condițiilor meteorologi ce. Aceste modificări afectează grav
eficiența și puterea de ieșire a modulelor fotovoltaice. Îmbunătățirile aduse noilor generații de
module fotovoltaice au fost făcute î n privința eficienței acestora.
Modulele sau celulele fotovoltaice nu reprezintă sing urele componente ale unui sistem
fotovoltaic. Pentru a asigura o alimentare continuă a consumatorilor cu energie electrică, multe
dintre sistemele fotovoltaice includ acumulatori de energie electrică sau baterii de acumulatori.
Energia electrică produsă de un sistem fotovoltaic are un caracter variabil, depinzând de alternanța
zi/noapte, cer senin/cer acoperit și provoacă variația într -o gamă largă a condiționării fluxului de
energie, prin folosirea convertoarelor electronice c.c. – c.c., care au și funcția de monitorizare a
procesului de încărcare/descărcare a acumulatorului, și a convertoarelor c.c. -c.a., pentru
transformarea curentului continuu în curent alternativ.
Panourile funcționează pe baza proprietății materialelor din componența celulelor
fotovolta ice de conversie direct a energiei luminoase naturale de la soare în energie electrică, pe
baza fenomenului fotovoltaic. Conversia are loc datorită proprietății cristalelor de siliciu și
germaniu, iar mai recent, în ultimul deceniu, materiale plastice spec iale, de a transforma energia
luminoasă în en ergie electrică. O celulă solară convențională, numită celulă fotovoltaică, constă din
două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai folosit fiind siliciul. Aceste straturi
au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și sunt “dopate” cu anumite elemente chimice pentru a
forma joncțiuni “p” și “n”.Structura este similar ă cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus
la lumină se va produce o “agitație” a electronilor din m aterial și va fi g enerat un cur ent electric. În
modulele și sistemele fotovoltaice de ultimă generație, au început să fie utilizate alte tipuri de celule
mai performante: ce lule solare qu antum well (gropi cuantice), ce lule solare quantum dot (puncta
cuantice) și celule sola re organice. Celulele fotovoltaice sunt încapsulate în panouri care le oferă
rezisten ța mecanică, rezistența la intem perii și posibilități de montare ușoară. Panourile solare
fotovoltaice se utilizează separate sau legate în baterii pentru alimentarea cons umatorilor

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 9

independenți sau pentru generarea de curent electric ce se livrează la rețeaua publică. Un panou solar
este caracterizat prin parametrii săi electrici cum ar fi:
• Tensiunea de mers în gol U 0c
• Curentul de scurtcircuit I sc
• Puterea maximă P mpp
• Curentul produs nominal I n
Performanța unei celule fotovoltaice este măsurată în curentul electric produs. Primele
panouri solare fotovoltaice aveau un randament modest, de cel mult 15%.Panourile fotovoltaice de
ultimă generație, folosesc celule solare cu randament de peste 35%.Pentru a îndeplinii co ndițiile
impuse de producerea de energie electrică, celule solare se asamblează în panouri solare, utilizând
rame de aluminiu care le vor asigura:protecția împotriva radiațiilor și intemperiilor;legături electr ice
robuste:protecția la acțiuni mecanice;protecția legăturilor electrice la umiditate;posibilitatea
manipulării și montării ușoare. Pe plan mondial se folosesc o multitudine de tipuri de panouri de
ultimă generație:panouri laminate sticlă -sticlă;panouri s ticlă-sticlă utilizând rășini ap licate prin
turnare;panouri cu strat subțire pe suprafețe de sticlă sau aplicate ca folie fl exibilă;panouri
concentrator:co lector cu fluorescență etc.
Eficiența conversiei celulelor foto voltaice obișnuite este relativ mică , puțin peste 10%, deci
nu mai mult de o zecime din energia luminoasă captată este transformată în energie electrică. Acesta
este și motivul principal pentru care acest procedeu de a obține energie electrică s -a dezvoltat mai
încet, comparative cu alte siste me de conversie, care folosesc alte surse primare energetice. Pe de
altă parte, prețul panourilor cu celule fotovoltaice este încă relativ mare, și deci și energia electrică
obținută prin acest tip de conversie, este mare. Prețul ridicat al panourilor fot ovoltaice este
determinat de două componente:
• Prețul ridicat al germaniului sau siliciului
• Tehnologia de fabricare a celulelor este pretențioasă și costisitoare

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 10

2 Considerații teoretice
2.1 Aspecte generale
Cercetări recente, din ultimii 10 ani, au descoperit tehnologii care permit fabricarea de
cristale de siliciu (monocristale orientate unidirecțional) cu eficiența conversiei de 3 ori mai mare,
(32-35%), față de cristalele clasice. Tehnologia este în fază experimentală în Japonia, țara cu cea
mai m are producție de celule fotovoltaice din lume.
S-au realizat celule fotovoltaice din material plastic care au avantaje și dezavantaje față de
celule fotovoltaice confecționate din materiale clasice deficitare. Dintre avantajele pano urilor
echipate cu celul e confecționate din materiale plastice comparativ cu celulele fotovoltaice clasice
rigide confecționate din germaniu sau siliciu, enumerăm:
– Preț de producție de 3 ori mai mic
– Posibilita tea de modelare pe suportul mecanic cu suprafață neregulată
Dezavantaje :
– Durată de viață de 2 -3 ori mai mică față de celulele confecționate din siliciu
– Randament mai mic, eficiență a conversiei energiei luminoase în energie electrică de
circa 2 ori mai mică
– Mai prete nțioasă la întreținere
Principalele componente a ins talației de producer e a energiei electrice sunt:
• Panoul cu celule fotovoltaice
• Regulator automat electronic de încărcare a bateriei
• Baterie de acumulatori pentru acumularea energiei electrice produse
• Invertor de transformare a energie din curent continuu în curent alternative
• Sursă auxiliară de energie, de exemplu un grup electrogen (back -up generator)

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 11

Figura 2.1 :Componentele instalației de producere a energiei electrice

2.2 Radiaț ia solar ă
2.2.1 Distribuț ia pe glob
Radiația solară când traversează spațiul dintr e soare și Pământ este supusă unei variații de
intensi tate și direcție de deplasare, ca urmare a interacț iunii cu substanțele întâlnite în drumul lor,
care compun atmosfera. Interacțiunea undelor solare cu atmosfera este selectivă, adică anumite
lungi mi ale radiației solare sunt absorbite sau deviate în proporție mai mare sau mai mica de
diferitele impurități conținute în atmosferă, fiind supuse unor modificări fața de forma și mă rimea cu
care au fost emise iniț ial de soare.
Toate aceste modificări la care sunt supuse radiațiile solare sunt dependente de lungimea de
undă a undelor modificate. Oxigenul interacționează cu undele de lungimi și energii medii. Vaporii
de apă, bioxidul de carbon interac ționează cu undele de lungime de unde lungi și energii sc ăzute.
Interacțiunile principale ale undelor luminoase cu atmosfera sunt de două tipuri:
• Absorbția: unele elemente atmosferice de dimensiuni mai mari (în rap ort cu
lungimea de undă a radiației solare) pot absorbi total fascicolul de radiație incidentă,redu când
intensitatea radiației. Astfel, aceste particule lovite de radiațiile solare își sporesc energia internă și,
prin urmare temperatura, devenind la rândul lor emițătoare de energie, de radiație cu lungime de
undă lungă, care ajunge și ea parț ial pe Pămâ nt, unindu -se cu radiația difuză.
• Difuzarea: alte elemente de dimensiuni mai mici (ca de exemplu, moleculele de aer)
produc variații (deviații, modifică ri) ale direcției fasciculului de radiație, provocând dispersarea

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 12

acestuia în mai multe direcții și dând naștere radiației de undă scurtă, care ajunge pe Pământ din
toate direcțiile.
Forma eliptică a orbitei Pămâ ntului in jurul Soarelui si deplasarea acestuia spre un capă t al
elipsei fac ca distanța pe care radiaț ia solară o parcurge până la Pământ să varieze de -a lungul unui
an. Astfel, intensitatea radiației ajunse la noi variază, în primul rând, in funcție de acest factor. Ea
variază între un minim de cca. 1.471 x 108 km la periheliu (punctul în care suntem cel mai aproape
de Soare), ce are loc in i ntervalul 2 – 5 ianuarie, si 1.521 x 108 km la afeliu (punctul în care ne
situăm cel mai departe de Soare), în intervalul 3 – 5 iulie.
La extremitatea atmosferei, densitatea de putere a radiației fluctuează între 1325 W/m2 si
1412 W/m2 . Valoarea medie glo bală a acesteia se numește constanta solară si are valoarea
𝐸0=1367 𝑊/𝑚2 (2.1)
Odată ce pătrunde in straturile atmosferei, radiația directă scade în intensitate și mai mult, ca
urmare a fenomenelor de reflexie, absorbție si dispersie. La nivelul solului, la amiază, intr -o zi cu
cer senin, intensitatea radiației directe poate atinge 1000W/m2.
Energia radiației solare diferă foarte mult de la zonă la zonă. Conform solargis.info,
distribuția acesteia pe glob in 2018 este prezentată în urmă toarea imagine:

Figura 2.2: Distribuția radiaț iei solare directe pe glob .

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 13

2.3 Elevația Soarelui ș i spectrul radiaț iei solare
Insolaț ia la suprafața Pământului depinde, în mod direct, și de elevația aparentă a Soarelui în
raport cu un observator terestru. Î ntru-cât atmosfera planetei afectează radiația solară prin absorbție,
reflexie si difuzie, un unghi apropiat de zenit (unghiul format de planul orizontal în punctul de
observație și verticala pe acest plan, care trece prin centrul Soarelui) înseamnă că aceasta va avea de
parcurs o traiectorie mai scurtă prin atmosferă și implicit, o cantitate mai mare de energie va ajunge
la suprafaț a Terrei. De asemenea, un unghi apropiat de orizontală presupune că rad iația va penetra
un strat mai gros din atmosferă, ceea ce determină un flux radiativ atenuat

Figura 2 .3: Distribuția radiaț iei solare directe pe glob

Indicele de masă a atmosferei indică, in esență, raportul dintre grosimea totală a stratului
atmosferic penetrat de lumina Soarelui la o anumită elevație a acestuia si grosimea stratului când
Soarele este la zenit, punct in care coeficientul se considera a fi 1. De asemenea, la extremitatea
exterioară a atmosferei, același indice are valoarea 0.
Expresia indicelui de masa este:
𝐴𝑀 =1
sinγ (2.2)
unde unghiul γ este elevaț ia Soarelui in punctul de observaț ie.
Atmosfera terestră afectează nu doar intensitatea și impli cit, energia radiației solare în
ansamblu, ci mai mult decât atât, afectează spectrul acesteia prin elementele sale constituente. Spre

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 14

exemplu, stratul de ozon filtrează cea mai mare parte a frecvențelor de mare energie (e.g. UV, X,
gamma etc.).
Cu cât par cursul prin straturile atmosferice este mai lung, cum se întâ mplă la apus sau la
răsărit, cu atât spectrul radiației pierde o parte mai mare din benzile de mică lungime de undă,
rămânâ nd in componenț a ei banda de frecvențe infraroșii, de energie scă zută.
Figura de mai jos ilustreaz ă diferențele dintre distribuțiile spectrale ale radiației solare directe
la nivelul mării si la limita exterioară a atmosferei Pământului:

Figura 2.4: Spectrul radiaț iei solare directe la nivelul mării și la limita exterioară a atmosferei terestre

2.4 Măsurarea radianței solare
Radianț a solară se mă soară fie direct, utilizând piranometre sau senzori fotovoltaici, fie
indirect, pri n analiza imaginilor din sateliț i. Piranometrele sunt senzori de m are precizie care
măsoară radiația solară pe o suprafaț ă plană. Î n esență , ele sunt compuse din două cupole
semisferice de st iclă, o placă metalică neagră hiper absorbantă, elementele termo -sensibile
poziționate sub ac easta și o carcasă metalică albă.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 15

.
Figura 2.5: Piranometru Kipp & Zonen CM21/CM22

O alternativă la pir anometre, mult mai ieftina, însă si mult mai puț in precisă , o reprezintă
senzorii fo tovoltaici. Precizia lor scă zută prin comparaț ie cu cea a piranometrelor, derivă din
sensibilitatea lor spec trală.

Figura 2.6: Senzor fotovoltaic pentru mă surar ea intensității radiaț iei solare .

Un a stfel de senzor conț ine o celulă fotovoltaică ce generează un curent electric, a că rui
inten sitate este direct proporț ională cu int ensitatea radiației incidente. Î nsă, sensibilitatea limitată a

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 16

celulei, care nu este afe ctată de lungimi de undă din gama infraroș u, face ca acurateț ea acestora să
poată atinge, cu o bună calibrare, cca. 4 -5% în decursul unui an .
2.5 Distribuția radiaț iei solare directe pe glob.
Fenomenul constă în apariț ia unei tensi uni electr ice sau a unui curent electric în anumite
materiale, în momentul î n care acestea erau expuse la razele solare.
Progresul mecanicii cuant ice a atras după sine o mai bună explicaț ie a efectului fotovoltaic.
Plecând de la noț iunea de foton, fenomenu l a fost descris drept efectul de desprindere a electronilor
din banda de valență ș i intrarea lor în banda de conducție, î n urma absorbției energiei fotonilor de
către anumite materiale.

Figura 2.7 : Benzile energet ice la metale, semiconductoare ș i dielectrice .

La materialele semiconductoare, spre deosebire de metale sau cele izolat oare electrice, există
o diferență energetică între benzile de valenț ă de cea de conducție, suficient de mică încât absorbția
unui foton să poată disl oca un electron și să îl plaseze în banda de conducț ie.
În construcț ia de celule fotovoltaice pentru ap licații terestre (celulele necesită o
compatibilitate cu spectrul radiației, care diferă între suprafața planetei si limita exterioară a
atmos ferei), mat erialul cel mai ră spândit este siliciul, în forma mono sau poli -cristalină. Siliciul pur
are, însă, puțini electroni liberi, insuficienț i pentru a genera un curent electric util. Astfel, î n mod
deliberat, acesta se dopează cu materiale din grupele III sau V din tabelul periodic, substanț e care au
cu un electron de valență mai mult sau mai puțin decâ t siliciul, precum borul sau fosforul, pentru a -i
spori i conductivitatea electrică .

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 17

În cazul fosforului, intru -cât doar 4 din cei 5 electroni disponibili creează legături stabile cu
atomii de siliciu adiacenți, legătura slabă a celui de -al cincilea poate fi uș or ru ptă, ducând acel
electron în stratul de conducție. Acest tip de dopaj se numește dopaj -n (negativ), din cauză că
adaugă un exces de electroni, de sarcin ă negativă.
Analog, î n cazul materialelor din grupa III, precum borul, care au cu un electron de valența
mai puțin, apare un gol in legă turile atomice. Acest lucru permite migrarea electronului liber de la
atomul de siliciu adiacent celui de bor si umplere a acelui gol. Efectul este apariț ia unui alt gol,
fenomen c are se propaga si duce la apariț ia unui „curent de golu ri”. Acest tip de dopaj se numește
dopaj-p (pozitiv), intru -cât creează un exces de sarcină pozitivă .

Figura 2.8: Structura atomic ă a siliciului dopat cu impurități.

O celulă fotovoltaică este, în esență , o joncțiune p -n formată prin suprapune rea a două
straturi de material semicondu ctor, unul dopat -p iar celă lalt dopat -n. Această juxtapunere generează
o zonă de cont act pe care sarcinile de tip n o traversează pentru a umple go lurile din stratul dopat -p,
creând perechi electroni -gol. Absorbția fotonilor de că tre o astfel de pereche duce la ruperea ei, ceea
ce formează purtă tori de sarcină liberi, în acest mod formâ ndu-se un curent electric.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 18

Figura 2.9: Celula f otovoltaică – principiu de funcț ionare

Prin separarea purtătorilor de sarcină ia naștere o tensiune la bornele celulei și un curent
printr -o rezistență de sarcină, astfel încât ce lula iluminată funcționează ca un generator de putere
electrică. Celulele fotovoltaice sunt fiabile, nu au piese în mișcare, și costurile cu funcționarea și
întreținerea sunt scăzute. Funcționarea celulei fotovoltaice este silențioasă și nu poluează.

Figura 2.10: Celula fotovol taică

Cantitatea de radiații care ajunge pe pământ este, bineînțeles, variabilă. Această cantitate
depinde pe de o parte de variațiile regulate determinate de zile și ani cauzate de mișcarea aparentă a
Soarelui cât și de variați i aleatoare determinate de condițiile climatice (prezența norilor) precum și
de compoziția generală a atmosferei.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 19

Din aceste motive, sistemele de conversie fotovoltaică se construiesc pe baza datelor
provenite din măsurători realizate în apropierea zonei i nstalate.
Ecuația caracteristicii curent -tensiune a unei celula fotovoltaice este:
𝐼=𝐼𝐿−𝐼𝑑=𝐼0(𝑒𝑒∙𝑈
𝑘∙𝑇−1)−𝐼𝑑 (2.3)
IL- curentul de iluminare, [A];
Id – curentul de diodă, [A];
I0 – intensitatea curentului de saturație, [A];
UT – tensiunea termică corespunzătoare temperaturii de fu ncționare a joncțiunii ;
e – sarcina electronului, [C];
k=1,380658 · 10-23 JK-1 – constanta lui Boltzmann;
T – temperatura absolută, [șC];
U – tensiunea fotoelectrică (care se stabilește la bornele celulei, polarizând -o în sens direct)
[V].
Puterea maximă, P M este produsul dintre curent ul și tensiunea dintr -un punct maxim M a
caracte risticii I -U.
𝑃𝑀=𝑈𝑀∙𝐼𝑀 (2.4)
Randamentul unei celule fotovoltaice – se determină ca raportul dintre puterea generată de
celulă la ieșire la o temperatură specificată și puterea radiației solare.
ɳ=𝑃𝑀
𝑆∙𝐸 (2.5)
S – aria supra feței celulei sau modulului, [m2 ];
E – radiația globală incidentă pe suprafa ța celulei sau modulului, [W/m2].
Caracteristicile celulei fotovoltaice pentru diferite valori ale radiației solar e sunt prezentate
în figura 2 .11 .

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 20

Figura 2.11: Caracteristicile celulei fotovoltaice a – la variația radiației solare; b – la variația temperaturii

În funcție de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat la fabricarea acestora (de
regulă siliciul), se disting trei tipuri de celule fotovoltaice:
– monocristaline – se obțin sub formă de baghetă sau vergea, prin turnarea siliciului pur.
Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subțiri care se utilizează la fabricația celulelor
fotovolt aice;
– policristaline – se obțin în urma unui proces de producție mai puțin ieftin, constând din
turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt tăiate în plăci subțiri;
– amorfe – se obține prin depunerea unui film extrem de subțire de siliciu pe o suprafață de
sticlă, sau pe un substrat realizat dintr -un alt material .

a) b) c)
Figura 2.12: Panouri fotovoltaice . a) – monocristalin . b) – policristalin . c) – amorfe.

2.6 Parametri i măsurabili ș i curba I -U
Eficiența de conversie fotoelectrică a celulelor este limitată de multipli factori, pre cum
reflexia razelor pe suprafața celulei, eficiența termodinamică, distribuția spectrală, eficiența î n

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 21

separarea perechilor de purtători de sarcină sau conducț ia mater ialului din care este construită . De
asemenea, orice defect de structură a materialului se reflectă asupra eficienț ei.
Din cauză că aceste mărimi sunt dificil de măsurat î n mod di rect, se util izează substitute
pentru a caracteriza celulele, cu m ar fi punctul de putere maximă , caracteristica curent -tensiune
(curba I -U), tensiunea la borne în circuit deschis , curentul de scurtcircuit sau factorul de umplere .
In esență, curba I -U este caracterizată de următoarele 3 mă rimi:
1. Punctul de putere maximă – desemnată drept puterea nominală a unei celule
fotovoltaice, MPP reprezintă punctul pe curba curen t-tensiune în care aceasta funcț ionează la putere
maximă. Pentru MPP se specifică atât cu rentul nominal (I MPP), cât și tensiunea nominală (U MPP).
2. Curentul de scurt -circuit (I SC) – în general, I SC se situează cu 5 – 15 pr ocente sub
valoarea curentului în punctul MPP. I SC variază, în primul râ nd, î n funcție de tehnologia folosită
pentru constru cția celulei, pentru celulele monocristaline situându -se în jurul valorii de 3A. O
caracteristică importantă a curentului de scurt -circuit pen tru sistemele CPV este faptul că este linear –
dependent de iradia ție. Astfel, dacă iradia ția se triplează, curentul de asemenea își triplează valoarea.
3. Tensiunea în circuit deschis (U CD) – reprezintă tensiunea î ntre bornele metalice ale
celulei când aceasta nu are o sarcină. Precum I SC, și U CD este dependentă de materialul din care este
fabricată celula, î n cazul ce lor din siliciu cristalin ajungând la cca. 0.5 – 0.6 V, iar î n cazul c elor din
siliciu amorf variind î ntre 0.6 – 0.9 V.

Figura 2.13: Curba I -U generică a unei celule fotovoltaice .

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 22

Factorul de umpler e este o mă rime calitativă utilizată pentru ca racterizarea celulelor solare.
În ipoteza unei curbe I -U ideale, de formă dreptunghiulară, în care punctul de maximă putere se
obține î nmulț ind valori le curentului de scurt -circuit ș i a tensiunii de circuit deschis , factorul de
umplere reprezintă abaterea caract eristicii reale de la cea ideală .
Din punct de vedere geometric , factorul de umplere reprezintă raportul dintre supra fețele
formate de cele două caracteristici î n sistemul de a xe ortogonale. Valo area pentru fac torul de
umplere este întotdeauna un număr între 0 și 1 și are următoarea formulă de calcul:
𝐹𝐹=𝑃𝑀𝑃𝑃
𝑈𝐶𝐷∙𝐼𝑆𝐶=𝑈𝑀𝑃𝑃 ∙𝐼𝑀𝑃𝑃
𝑈𝐶𝐷∙𝐼𝑆𝐶
(2.6)

Figura 2.14: Reprezentarea factorului de umplere .

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 23

3 Soluții cercetate și metode de analiză
Ideea de bază a acestei lucrări este producerea de energie electrică de la un sistem de panouri
fotovoltaice astfel încât co nsumatorul să fie independent de rețea. În lucrare sunt prezentate două
tipuri de sisteme fotovoltaice:
– Sistem fotovoltaic cu stocare de energie(off grid)
– Sistem fotovoltaic cu stocare de energie cu rezervă din generator
Un si stem fotovoltaic off grid este o centrală electrică autonomă care per mite producerea
electricității prin panouri solare fotovoltaice pentru alimentarea consumatorilor, independent de
furnizorii externi de energie electrică .Acest sistem fotovoltaic cu stocare produce energie electrică
în timpul zilei. Sistemul fotovoltaic c u stocare alimentează consumatorii în direct iar surplusul de
producție este stocat în acumulatori, astfel en ergia electrică este disponibil ă atât ziua cât și noaptea.
Surplusul de energie stocat în acumulatori asigură o autonomie de 3 zile, iar în zilele înnorate sau
fără soare , energia este asigurată de un generator auxiliar.
3.1 PV*SOL®
Simulările au fost realizate cu ajutorul programului PV*SOL®.
Acesta este un program de proiectare software pentru simularea performanțelor sistemului
fotovoltaic.
PV*SOL® prezintă un meniu principal prezentat în Figura 3.1 , și dife rite ferestre de operare
în funcție de si stemul fotovoltaic folosit.
Meniul principal care se va deschide odată cu accesarea programului PV*SOL® oferă după
cum se poate observa și în Figura 3.1 , în partea de sus a meniului, posibilitatea alegerii sistemului
fotovoltaic dorit. Odată accesat sistemul fotovoltaic dorit se va d eschide o fereastră/interfață pentru
realizarea setărilor de utilizare.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 24

Figura 3.1: Meniu PV*SOL® .

3.1.1 Date de proiectare
Când ne referim la consumatori nu ne r eferim doar la sursele de lumină ci la toate aparatele
care vor funcț iona cu ajutorul curentului electric . Definirea și modul de alegere al consumatorilor
electrocasnici s -a făcut din meniul Consumption aferent programului PV*SOL® .Am luat în
considerare în tabelul de mai jos consumatorii electrocasnici,în număr de 20 și consumul anual al
acestora. Consumul anual rezultat în urma alegerii consumatorilor este de 3595 kWh.
Tabelul 3.1. Definirea consumatorilor.
Consumatori Consum anual (kWh)
Bec (cameră luminoasă) frecvent utilizat 102,7
Bec (cameră luminoasă) în medie utilizat 93,5
Bec (cameră normală) frecvent utilizat 126,7
Bec(camera întunecată) frecvent utilizat 135,7
Bec exterior(permanent pe timp de noapte) 61,2
Tub fluorescent (cameră întunecată) 29,7
Bec (cameră luminoasă) în medie utilizat 93,5
Bec (cameră luminoasă) ocazional utilizat 21,7
Uscător de păr 182,5
Ladă frigorifică 380
Frigider 250
Ibric 189,3
Aspirator 65,3

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 25

Mașină de spălat rufe 40˚ 438
Radio 53,2
Tv 175,2
Mașină de spălat vase 50˚ 620,5
Automat de cafea 219
Toaster 36
Computer 320,8
Consum anual total 3.595 kWh

3.1.2 Planificarea sistemului cu vizualizare 3D
Sistemul fotovoltaic și casa au fost au fost pr oiectate în cadrul editorului de design
3D.Meniul 3D este împărțit in 6 secțiuni:
1 Vizualizare de teren
2 Vizualizarea obiectului
3 Acoperirea modulul ui
4 Montarea modulelor
5 Configurarea modulelor
6 Planul cablurilor
Tipul de panouri fotovoltaice ales de 300 W cu celule monocristaline, în număr de 12
module care vor produce 3,6 kWp. Modulele fotovoltaice au o înclinație de 30˚ față de suprafața
acoperișului. Înclinația acoperișului este de 51˚, fiind orientat 180˚ spre sud.
Tabelul 3.2. Rezultate obținute la diferite unghiuri de orientare a casei.
1 10 ˚ 15 ˚ 30 ˚ 35 ˚ 40 ˚ 45 ˚ 50 ˚ 60 ˚ 90 ˚ 120 ˚ 150 ˚ 180 ˚
2 1836 1861 2007 2070 2141 2209 2277 2410 2851 3296 3654 3838
3 517 523 565 588 612 638 666 724 905 1073 1207 1273
4 84,1 84,3 85,5 85,9 86,1 86,3 86,5 86,9 87,7 88 88,2 88,3
Legendă:

1- Unghiul de orientare [˚]
2- Energia generată [kWh/an]
3- Randament anual [kWh/kWp]
4- Raportul de performanță [%]
Ca soluție optimă s -a ales o înclinare pe verticală a panoului solar de 30˚, la o orientare a
casei de 180˚ sud, pentru care prognoza de producție a sistemului fotovoltaic este maximă.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 26

Figura 3.2: Planificarea sistemului cu vizualizare 3D

3.1.3 Configurarea modulelo r
Cele 12 panouri fotovoltaice monocristaline având o putere nominală de 300W vor produce
3,6kWp.Acestea sunt produse de PV*SOL Company având următoarele caracteristici:
– Tensiunea în punctul de putere maximă 32,6V
– Curentul în punctul de putere maximă 9,3 1A
– Tensiunea de scurt circuit 40,00V
– Curentul de scurt circuit 9,83A
– Factorul de umplere 77,19
– Temperatura modulului 25 ˚C

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 27

Figura 3.3: Caracteristica curent -tensiune a modulului

Figura 3.4:Montarea modulelor.
3.1.4 Planul cablurilor
La închiderea vizualizării 3D,planurile de dimensiuni sunt generate automat pentru toate
zonele de ocupare pe care sunt amplasate mod ulele fotovoltaice. Aici este su ficient ca o suprafață de

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 28

alocare să fie interconectată .Planurile de planșeu ale obiectelor d e ocupare și obiectele de blocare
sunt afișate în negru,iar modulele fotovoltaice cu albastru pe planul de dimensiuni. Pentru sistemele
înalte,su nt afișate și rândurile modululu i. În plan sunt afișate următoarele dimensiuni:
– Dimensiunile marginilor acope rișului
– Distanța dintre prima formare a modului și marginea inferioară a acoperișului
– Dimensiunile (lățimea x lungimea) unui modul
– Distanțele dintre modulele orizontale și verticale

Figura 3.5:Planul de dimensiuni.

3.1.5 Diagrama string
Atunci când vi zualizarea 3D este închisă,planurile de coarde sunt generate automat pentru
toate zonele de ocupare pe care sunt amplasate modulele fotovoltaice conectate. Planurile de etaj ale
obiectelor de ocupare și obiectele de blocare sunt afișate în negru ,iar modul ele fotovoltaice cu roșu
pe diagram a de șir. Cele 12 module fotovoltaice sunt legate în serie începând de la modulul 1.1.1.1
până la modulul 1.1.1.12.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 29

Figura 3.6:Diagrama string.

3.2 Invertorul
Invertorul ales este produs de compania Azzurro -Zucchetti Centro Sistemi, modelul 3.6
KTLM. Invertoarele Azzurro sunt foarte compacte,ușor de manevrat,ușor de instalat și sunt echipate
cu un canal dublu MPPT pentru un randament energetic optim. Datorită ga mei largi de intrări,
aceste a sunt ușor de configurat și adap tabile la orice tip de cerință, atât la noile sisteme, cât si la
sistemele existente. Prin afișarea alfanumerică, toate datele pot fi consultate rapid și conectivitatea
Wifi permite monitorizarea la distanță fără costuri.
Invertorul are următoarele date electrice:
– Putere nominală DC 3,68 [KW]
– Putere nominală AC 3,68 [KW]
– Consumul în așteptare 0,50 [W]
– Consumul de noapte 0,50[W]
– Tensiunea maximă de intrare 600,00 [V]
– Curentul maxim de intrare 22 [A]
– Tensiune nominală DC 360 [V]
– Puterea minimă alimentată în rețea 5[W]

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 30

Invertorul are două funcții :
• Tensiunea DC generată de modulele fotovolta ice se transformă în tensiune de curent
alternativ și frecvența rețelei publice de alimentare(c onversie DC/AC).
• Trackerul MPP integrat pentru funcționarea generatorului fotovoltaic la punctul de
putere maximă (MPP).

Figura 3.7:Curba caracteristică a invertorului.

Figura arată cursul tipic de eficiență relativă. Puterea de ieșire P AC a invertorului se
calculează după cum urmează:
𝑃𝐴𝐶=𝑃𝐷𝐶∙ɳ𝑁𝑒𝑛𝑛 ∙ɳ𝑟𝑒𝑙 (3.1)
– PDC –puterea modulului
– ՂNenn – eficiența la putere nominală
– Ղrel- eficiența relativă

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 31

3.3 MPP -Tracking
Problema centrală adresată de MPPT este că eficiența transferului de putere din celula solară
depinde atât de cantitatea de lumină solară care se încadrează pe panourile solare, cât și de
caracteristicile electrice ale încărcăturii. Pe măsură ce variază luminozitat ea soarelui, caracteristica
de încărcare care aduce cele mai mari modificări ale eficienței transferului de putere, astfel încât
eficiența sistemului este optimizată atunci când caracteristica de sarcină se modifică pentru a
menține transferul de putere la cea mai mare eficiență. Această caracteristică de încărcare se
numește punctul maxim de putere (MPP) și MPPT este procesul de identificare a acestui punct și
menținerea caracteristicilor de sarcină acolo.
Pentru a simula urmărirea MPP a invertorului, programul verifică în fiecare etapă de
simulare dacă tensiunea modulului MPP poate fi setată de către invertor . Dacă tensiunea MPP se
află în afara domeniului de urmărire MPP al invertorului, controlerul continuă să ruleze
caracteristicile U -I ale modulelor până când se găsește punctul de funcționare la care poate fi extras ă
puterea maximă.
3.3.1 Alte pierderi
Împreuna cu caracteristica de eficiență a invertorului se iau în considerare:
• Eficiența ajustării MPP.
• Consumul în așteptare și în timpul nop ții.
• Pragul de putere de intrare,deasupra căruia invertorul furnizează energie.
Toți factorii sunt luați în considerare în eficiența instalației.
3.3.2 Pierderi prin cabluri
Dacă se selectează pierderea totală pentru introducerea pierderilor de cablu, valoarea
pierderii cablului specificată acolo este folosită în simulare ca sumă forfetară. Dacă sunt selectate
pierderile detaliate ale cablurilor, pierderile se calculează prin specificarea lungimilor cablurilor, a
secțiunilor transversale și a materialel or. Pierderea totală a cablurilor poate fi de asemenea calculată
utilizând planul de cablu 3D. Cantitate a de pierderi calculate din mediul 3D es te afișată sub
pierderea totală.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 32

Figura 3.8:Vizualizarea pierderilor din mediul 3D.

Cablajele sunt sortate în funcție de zona modulului și arată toate conexiunile pe zona
modulului. Pentru a determina pierderile prin cablu, este necesară în esență următoarea procedură:
1. Se selectează cablarea din vizualizarea arbores centă
2. Se specifică topologia DC
3. Se definesc cabl urile(lungime, diametru, material)
4. Se definesc dispozitivele de siguranță

Figura 3.9:Prezentare generală cabluri DC.

Lungimea cablului de curent alternativ este de 15 m, pentru care este definit un întrerupător
de circuit. În treruptorul este caracterizat de tensiunea și curentul pe care le pot întrerupe. Sistemul de
protecție la întrerupător poate cuprinde până la trei părți. Un sistem de detectare care detectează o
situație de suprasarcină, un releu care transmite informația către unitatea d e comutare și o
combinație de contacte și butonul de contact.
Valoarea curentă a întrerupătorului trebuie să fie mai mică decât valoarea maximă de
siguranță de alimentare a invertorului, de asemenea valoarea curentă a întreruptorului trebuie să fie
mai mic ă decât capacitatea de încărcare a cablului de alimentare.
Deoarece în invertor este integrat un întrerupător de curent rezidual(RCCB) de 30 mA
,întrerupătorul suplimentar RCCB v -a avea o sensibilitate de cel puțin 100mA.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 33

Figura 3.10:Prezentare generală cabluri AC.

3.3.3 Calculul pierderilor prin cabluri
Pierderea de putere a cablului rezultă din rezistența de plumb si curentul care trece prin
conductor.
𝑃𝑣𝑒𝑟=𝑅𝐿∙𝐼𝐿2 (3.2)
Rezistența liniei depinde de secțiunea transversal a liniei, de lungimea liniei și rezistența
electrică specific materialului.
𝑅𝐿=𝑙
𝐴∙1
𝑘 (3.3)
– RL-rezistența liniei
– A- secțiunea transversală a liniei
– l – lungimea liniei
– 1/k-rezistența electrică specifică materialului
Pierderile relative re zultă din disiparea puterii și puterea de referință.
𝐾=𝑃𝑣𝑒𝑟
𝑃𝑟𝑒𝑓 (3.4)
Pierderea relativă poate fi utilizată pentru a calcula secțiunea transversală a liniei
dependente.

𝐴=𝑙∙𝐼𝐿2
𝑘∙𝑃𝑟𝑒𝑓∙𝐾
(3.5)

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 34

3.4 Controlerul
Combinat cu invertoarele SMA foarte eficiente, controlerul SMA Cluster este unitatea de
comunicare centrală pentru monitorizarea sistemului, înregistrarea datelor și controlul instalațiilor
fotovoltaice. Printr -o varietate mare de intrări și ieșiri analogice și digita le, precum și schimbul rapid
de date printr -o interfață de date ethernet, se poate realiza o gamă largă de aplicații, de la
managementul alimentării până la integrarea tehnologiei senzorilor.

Figura 3.11:SMA Cluster

Configurațiile individuale de sistem( clustere) sunt afișate în vizualizarea arborescentă. Un
grup constă dintr -unul sau mai multe invertoare de baterii și baterii de același tip. Pentru sistemele
monofazate este permis numai un singur grup.
Operațiunile de economisire a bateriei sunt selectat e în funcție de starea de încărcare a
acumulatorului(SOC).Operația de economisire a bateriilor este menită să asigure o descărcare
profundă a bateriei cât mai mult posibil în perioada selectată când alimentarea cu energie este
scăzută, evitând astfel o def ecțiune totală a sistemului și deteriorarea bateriei. În afara timpului de

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 35

funcționare a bateriei, invertorul funcționează normal. Un total de trei etape sunt definite pentru
funcționarea de economisire a bateriei.
Nivelul 1 : zona de tranziție, de exemplu pentru după -amiaza târziu și dimineața. Dacă starea
de încărcare specificată(SOC) este atinsă în perioada de defini tă, invertorul bateriei trece în stare de
așteptare. În următorul pas de simulare, se verifi că dacă este disponibilă energie pentru î ncărcarea
bateriilor (sistem PV sau generator suplimentar). Dacă da, invertorul bateriei iese din funcția de
conservare a bateriei . Dacă nu, nivelul 1 de protecție rămâne active.
Nivelul 2 : zona pentru perioade reduse de energie (pe t imp de noapte). Daca s tarea de
încărcare specificată (SOC) este atinsă în perioada definite, invertorul baterie trece în stare de
așteptare. Invertorul este apoi pornit la fiecare două ore și încearcă să întoarcă bateria din partea de
curent alternativ (sistem PV sau generator auxiliar) . Dacă acest lucru nu reușește, invertorul bateriei
rămâne în nivelul de operare 2 de conservare a bateriei.
Nivelul 3 : protejează împotriva descărcării profunde și a deteriorării asociate bateriei. În
acest caz, invertorul bateriei este oprit complet și simularea este întreruptă .Apare un mesaj
corespunzător.

Figura 3.12:Cluster:funcț ionarea pentru conservarea bateriilor

3.5 Bateria de invertor
Bateria de invertor aleasă este Sunny Island 4.4 M produsă de compania SMA Solar
Technology AG. Sunny Island suportă o gamă largă de aplicații pe off grid. Clasa de protecție
ridicată, gama largă de temperaturi si capacitatea excepțională de suprasarcină asigură întodeauna

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 36

tipul de siguranță în alimentarea cu energie electrică necesară pentru utiliz area în afara rețelei.
Funcționarea inteligentă și gestionarea energiei asigură funcționarea chiar și în situații critice și
permite ca orice aparat să fie pornit chiar și în cazul curenților mari de aprindere sau a condițiilor de
mediu dure. Sunny Island reglează echilibrul dintre energia alimentată și en ergia utilizată și are un
sistem de management cu baterie și are un sistem de gestionare a încărcării.
Managementul bateriei constă intr -un control extrem de delicat al încărcării, astfel se evită
supraînc ărcarea acumulatorului și descărcarea profundă,selectând automat optim strategia de
încărcare pentru tipul de baterie și situația în care este utilizată. Aceasta înseamnă că supraîncărcarea
poate fi împiedicată și că bateria poate fi încărcată în mod regul at.
Controlul sarcinii permite controlul surselor de curent alternative în rețele independente,
controlul unui generator și specific deconectarea sarcinilor. Sursele de curent alternative din rețeaua
autonomă sunt limitate în puterea lor prin frecvența autonoma a rețelei. În caz de exces de energie,
sistemul de control al sarcinii crește frecvența de alimentare. Aceasta limitează puterea de ieșire a
invertoarelor fotovoltaice, de exemplu dacă nu există suficienta energie pentru toate încărcătur ile
sau bateria trebuie păstrată, controlul sarcinii poate solicita energie de la un generator prin
intermediul gestionării generatorului. Gestionarea generatorului pornește generatorul si circuitul off
grid este alimentat cu suficientă energie.
Bateria de invertor aleasă are următoarele caracteristici:
– Tensiunea nominală 230 [V]
– Puterea continua la 25 ℃ 3300[W]
– Curentul maxim 50[A]
– Tensiunea maximă a bateriei 62[V]
– Tensiunea minima a bateriei 41[V]
– Tensiunea nominală a bateriei 48[V]
– Curentul maxim de încăr care al bateriei 75[A]

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 37

Figura 3.13:Bateria de invertor:eficiență /consumul de energie.

3.6 Sistemul de acumulatoare
Sistemele de acumulatoare pot stoca energie din sistemul fotovoltaic, eliberează energie
acumulatorilor și pentru anumite tipuri de încărcare a bateriilor absorb energie din rețea. Controlerul
de încărcare, care are la bază următoarea logică sau prioritate,controlează fluxurile de energie:
1. Consum direct -consumul este acoperit direct de energia fotovoltaică
2. Descărcarea bateriei -consumul este acoperit de baterii
– până la limita de putere a sistemului de baterii
– până la atingerea SOC minimă a bateriilor
3. Copertă de generator -consumul este acoperit de generator
4. Încărcarea bateriei -surplusul de en ergie fotovoltaică este folosit pentru a încărca
bateria
– până la limita de putere a sistemului de baterii
– până la atingerea SOC minimă a bateriilor
5. Cheltuieli de întreținere

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 38

Bateriile sunt încărcate cu energie electrică numai dacă sunt utilizate metode de încărcare
pentru a menține bateriile (încărcare, încărcare completă și egalizare), iar energia fotovoltaică nu
este disponibilă în cantități suficiente.
3.6.1 Puterea bateriilor și autonomia
În lucrare bateriile plumb -acid folosite sunt înseriate,în număr de 17, pe un string. Puterea
totală este de 4.4 KW asigurând o autonomie de 3 zile.

Figura 3.14:Puterea și autonomia bateriilor.

Bateria are următoarele caracteristici:
– Tensiunea celulei 2[V]
– Rezistența internă 3[mΩ]
– Celule înseriate 1
3.6.2 Dimensionarea bancului de baterii
Capacitatea bateriei de acumulatori se determină cu relația:

𝐶𝑛𝑏=𝐼𝑖∙ℎ=9,31∙117 ,07=1090 𝐴ℎ (3.6)
• Cnb [Ah] – capacitatea bateriei
• Ii [A] – curentul de încărcare a bateriei de la panoul de celule
• h[ore] – numărul de ore de încă rcare

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 39

Numărul de baterii necesar se stabilește cu relația:

𝑛𝑏=𝐶𝑛𝑏
𝐶𝑏𝑛=1090
63=17 (3.7)
3.6.3 Tipul cuplajului
În principiu, sistemele de baterii pot fi împărțite în topologii cuplate AC și DC.
În sistemele cuplate cu curent alternativ, modulul PV și componentele bateriei sunt cuplate
după invertorul DC/AC. Deci există un invertor (DC/AC) pentru sistemul PV și un invertor
bidirecțional pentru baterii. Aceste sisteme sunt cele mai flexibile în pro iectare, sunt ușor de
recondiționat în sistemele existente și pot fi de asemenea capabile să atragă energie din rețea.
În sistemele cuplate DC, modulul PV și bateria sunt aduse la același nivel de tensiune și
conectate pe partea DC. Două tipuri de cabluri sunt frecvente aici:
• Cuplajul generatorului de curent continuu
Aici sistemul de baterii este conectat direct la linia de curent continuu între generatorul PV și
dispozitivul de urmărire MPP al invertorului fotovoltaic. De asemenea, sistemul de baterii are
nevoie de un tracker MPP pentru a procesa tensiunea variabilă a generatorului fotovoltaic. Avantajul
este simpla posibilitate de modernizare a acestor sisteme în sistemele fotovoltaice existente.
• Cuplaj DC
Aici, sistemul de baterii este conectat la legătur a DC a invertorului PV, adică între
dispozitivul de urmărire MPP (cu convertizor de tensiune conectat) și treapta convertorului DC/AC.
Acest lucru are avantajul că sistemul bateriei nu necesită propriul tracker MPP. Cu toate acestea,
aceste sisteme nu pot fi ușor integrate în sistemele fotovoltaice existente.
În practică, trebuie să se asigure că conectarea încărcăturilor a sistemului PV și a sistemului
de baterii la diferitele faze ale rețelei electrice este astfel încât energia poate fi schimbată.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 40

Figura 3.15:Flux de energie:sistem PV cu sistem de baterii.

3.7 Bateria plumb acid
Există deja un număr mare de modele foarte bune pentru acumulatorii de plumb -acid din
literatură, care variază în funcție de aplicație. Problema cu aceste modele, care se bazeaz ă, de obicei,
pe diagrame electrice echivalente (ESB), este parametrizarea pentru orice tip de baterie.
Pentru a mapa caracteristicile unei baterii specifice, modelul necesită următorii parametrii
din fișa tehnică:
• Capacitatea în funcție de timpul de descă rcare
• Rezistența internă
• Tipul de construcție
• Adâncimea maximă de descărcare (de obicei 80%) și curentul maxim de descărcare
• Rata de auto -descărcare
• Numărul de cicluri deasupra adâncimii de descărcare

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 41

3.7.1 Descărcarea
Calculul diagramei caracteristice este esențial pentru descărcare. Bateriile cu plumb au o
caracteristică cu tensiune descrescătoare continuu atunci când sunt descărcate cu curent constant. Cu
cât este mai mare curentul de descărcare, cu atât este mai mar e căderea de tensiun e. Figura 3.16
prezintă profilul de descărcare modelat pentru o celulă de 600 Ah încărcată cu putere variabilă.
Pentru simulare, curba caracteristică a tensiunilor și a capacităților trebuie mai întâi calculată
pentru fiecare curent de descărcare. Designul bateriei, rezistența internă și caracteristicile sale de
capacitate joacă un rol decisiv.
Dacă descărcarea se efectuează la putere constantă, curentul de descărcare trebuie aproximat
iterativ pentru a obține puterea dorită în timpul trecerii de timp prin integritatea schimbării de
tensiune și a curentului.
Trebuie de asemenea respectată tensiunea de deconectare a debitului, dată de adâncimea de
descărcare maximă. Pentru a proteja bateriile, acestea nu trebuie descărcate cu mai mult de 80% ca
regulă. Deoare ce capacitatea totală a bateriei se schimbă cu curentul de descărcare, tensiunea de
descărcare finală depinde, de asemenea, de curent, așa cum se arată în figura 3.16.
Starea funcției asigură că, înainte de descărcarea unei anumite cantități de energie, se verifică
dacă, după descărcare, curentul rezultat scade sub adâncimea maximă de evacuare și respinge
descărcarea, dacă este necesar.

Figura 3.16:Profil de descărcare tipic(tensiune peste capacitate)

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 42

3.7.2 Încărcarea
O baterie poate fi încărcată în funcție de diferite profiluri de încărcare, caz în care este
utilizat un profil CV0V.
Mai întâi, un curent constant este încărcat (încărcare C sau fază în vrac), în timp ce tensiunea
din celulă crește. Odată ce se atinge o tensiune definită, are loc o f ază cu tensiune constantă,
controlată în timp, în care durata și tensiunea de încărcare pot varia.
• Boost de încărcare (V0): 2 ore de la 2,4 la 2,45 V
• Încărcare completă : 5 ore la 2,4 V
• Încărcare cu flotor: 10 ore la 2,4 V
Ulterior, adică după perioada de t imp specificată, tensiunea este redusă la 2.23 … 2.3 V în
timpul fazei de încărcare a flotorului pentru a evita supraîncărcarea. Cât de mare trebuie să fie așa –
numita tensiune de reținere a încărcării, este luată din fișa tehnică a bateriei.
În timpul fazei în vrac, curentul constant este încărcat, de obicei, până când tensiunea
celulară atinge valoarea presetată. Din păcate, nu există nici o legătură formală între curentul de
încărcar e, SOC și tensiunea în faza din literatură.
Așadar, s -au evalu at schemele de încărcare prezentate în diferite surse și s -a dezvoltat o
formulă pentru determinarea tensiunii de încărcare în funcție de curent (xC ca rata C) și SOC .
𝑈𝐵(𝑆𝑂𝐶 ,𝑥𝐶)=𝑈𝑅(𝑆𝑂𝐶 )+𝑈𝐾+𝑆𝑂𝐶2(0.35+0.15𝑥𝐶) (3.8)

• UB- Tensiune în vrac
• UR- Tensiune în gol
• UK- Căderea de tensiune datorată cristalizării

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 43

Figura 3.17:Dependența tensiunii celulare de curentul de încărcare și SOC pentru diferiți curenți de
încărcare

Cu cât este mai mare curentul de descărcare, cu atât mai devreme se atinge limita de t ensiune
pentru următoarea fază, dar cu atât mai scăzut este SOC la această tensiune. Randamentul Ah al unei
celule în timpul funcționării poate fi, de asemenea, calculat din diferite nivele de tensiune d intre
încărcare și descărcare. Cicluri, durabilitate .
Fișele de date arată numărul de cicluri de procese de descărcare și de încărcare măsurate în
conformitate cu standardul (DIN EN 60896), după care capacitatea C3 care poate fi retrasă până la o
tensiune finală de încărcare de 1,7 V este în continuare de 80% capacitate (conform standardului și
C3).
În conformitate cu standardul pentru celulele închise, se efectuează 2 ore de descărcare în
cicluri cu curenți de 2 C10, ceea ce corespunde unei adâncimi de des cărcare de DOD = 40% față de
C10. Cu celule închise este de 3 ore cu 2 C10, de aceea se obține o adâncime de descărcare de DOD
= 60% aici.
În practică, însă, o ciclizare mai profundă are, de obicei, un efect mai mare asupra pierderii
de capacitate decât ce a plată, motiv pentru care curbele date deviază de forma ideală. Acest lucru
poate fi luat în considerare cu factorii de corecție care variază în funcție de seria de baterii și de
producător.
În timpul întregii simulări (doar în cazul descărcării) se forme ază un echilibru ampermetru,
prin care se adaugă la fiecare pas de timp capacitatea retrasă curentă, ponderată cu factorii de
corecție pentru sarcina ciclului .

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 44

Acest echilibru Ah poate fi comparat cu numărul total de cicluri măsurat conform
standardului și este apoi inclus în calculul scăderii capacității, astfel încât după atingerea numărului
total de cicluri capacitatea nominală a scăzut la 80%:
𝐶𝑁(𝐶𝐴ℎ)=𝐶𝑁,0(1−0.2𝜁) (3.9)
Cu sarcina ciclului
𝜁=∑ (𝑓𝐴ℎ,𝑖(𝐷𝑂𝐷 10)𝐼𝑖∙𝑡𝑖)𝑛
𝑖=0
𝐶𝐴ℎ,𝑁 (3.10)
• CN- Capacitate nominală
• CN,0- Capacitate nominală la începutul utilizării
• CAh – Capacitate Ah echilibrată
• CAh,N – Capacitatea Ah echilibrată a ciclurilor standard
Dacă se presupune că o baterie a cărei capacitate a scăzut la 80% din valoarea inițială în
timpul utilizării nu mai poate îndeplini funcțiile pentru care a fost destinată, ea trebuie înlocuită când
se atinge o sarcină ciclică de 1.
Deoarece încărcarea ciclului este încă considerată ca variabilă de sistem după înlocuirea
bateriei, este introdusă o a doua valoare referitoare la baterie, Starea de sănătate, SOH:
𝑆𝑂𝐻 =1−𝜟𝜻𝒙 (3.11)
– 𝜟𝜻𝒙- modificarea încărcării ciclului de la ultima înlocuire
O baterie cu SOH=1 este nouă, o baterie cu SOH=0 este înlocuită. Durata de viață este
rezultatul sarcinii ciclurilor obținute după simularea unui an:
𝑡𝑙𝑖𝑓𝑒 =𝑡𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛
𝜁 (3.12)
• 𝑡𝑙𝑖𝑓𝑒-ciclul de viață
• 𝑡𝑠𝑖𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 -perioada de simulare
• 𝜁-încărcarea ciclului
3.7.3 Planuri de încărcare
În cazul în care consumatorul necesită mai multă energie decât poate fi furnizată de sistemul
fotovoltaic, bateriile sunt descărcate.
Încărcarea acumulatorului poate fi împărțită în încărcarea cu comandă curentă (încărcarea
C), care este cazul standard, și procesele de înc ărcare controlate de tensiune, care, în esență, servesc

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 45

la menținerea bateriilor și la creșterea duratei lor de viață. Se face o distincție între încărcarea
limitată în timp (încărcarea V0) și încărcarea de scurtă durată (încărcarea V).
În PV * SOL® este i mplementată o strategie de încărcare CV0V, așa cum se întâmplă de
obicei pentru majoritatea bateriilor pe bază de acid sau gel de plumb. Aici o sarcină C este urmată de
o sarcină scurtă V0 de la o anumită stare de încărcare, pentru a preveni diferite efect e de
îmbătrânire. În cazul în care bateria nu este necesară între timp pentru a acoperi încărcarea, aceasta
este urmată de o încărcare V pe o perioadă nelimitată de timp, cunoscută și sub denumirea de
întreținere sau încărcare cu flotor.
În plus, două încă rcări U0 suplimentare sunt efectuate într -un ritm fix, ceea ce poate crește
durata de viață a bateriilor:
• Încărcare completă:de aproximativ 5 ore, la fiecare 2 până la 4 săptămâni
• Rata de echivalare:de aproximativ 10 ore, la fiecare 4 până la 6 luni
Dacă b ateria este în stare de încărcare ridicată și nu este descărcată, descărcarea automată
poate fi compensată printr -o încărcare U. Această metodă de încărcare se numește și menținerea
încărcării.
3.7.4 Încărcarea C
Încărcarea C, denumită și încărcare controlată de curent sau încărcare în vrac, este cazul
normal în care bateriile sunt încărcate cu tot curentul disponibil. Tensiunea bateriei depinde de
nivelul (SOC) al bateriei și de curentul de încărcare. Cu cât bateria este mai încărcată, cu atât crește
tensiunea b ateriei. Prin urmare, nu este eficientă încărcarea completă a bateriilor cu curent maxim.
De obicei, încărcarea C se termină la aproximativ 85% până la 90% din capacitatea sa totală.
Energia pentru încărcarea C este luată exclusiv din sistemul fotovoltaic, niciodată din grilă .
3.7.5 Încărcarea V0
Încărcarea ulterioară V0, denumită și încărcare de încărcare, este ghidată de tensiune și are o
durată predefinită (0 în V0 reprezintă componenta de timp a încărcării). Cu o tensiune constantă,
acumulatorul este încărcat puțin, dar nu destul de plin, într -o anumită perioadă de timp (de obicei 2
ore). Încărcarea obișnuită aici este de 90 -95%. Acesta este un mod de încărcare important pentru
toate bateriile, deoarece catozii și anozii sunt curățate aici, ceea ce le sporește durata de viață.
Încărcarea V0 rulează cu prioritate ridicată și, prin urmare, este scoasă din rețea cu energie
dacă energia fotovoltaică insuficientă este disponibilă .

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 46

3.7.6 Încărcarea cu flotor
Încărcarea cu flotor este un mod de încărcare acționat de tensiun e, care este utilizat atunci
când bateriile sunt pline (după încărcarea V0) și nu sunt în prezent necesare. Numai la fel de mult
este reîncărcat în baterii, așa cum se pierde prin auto -descărcare.
În acest mod, energia (foarte scăzută) poate fi acoperită a tât de sistemul fotovoltaic, cât și de
grilă.
3.7.7 Încărcarea completă și egalizarea
Aceste două moduri de încărcare pentru îngrijirea b ateriilor sunt, ca și boost -ul de încărcare,
încărcări V0. Acestea sunt, prin urmare, controlate de tensiune și numai pentru o perioadă
predefinită de timp. Spre deosebire de încărca rea normală V0, ace ste două încă rcări de îngrijire au
loc doar din când în când. Încărcarea completă ar trebui să garanteze că bateriile sunt complet
încărcate din când în când pentru a preveni depunerea ireversibilă pe anod sau catod. Încărcarea de
echilibrare într -un banc pentru baterii ar trebui să garanteze că diferențele de comportament electric
ale bateriilor individuale, care apar în mod inevitabil în timp, sunt compensate.
Aceste metode de în cărcare sunt foarte prioritare . Dacă energia fotovoltaică nu este
disponibil ă, energia necesară este luată din rețea.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 47

4 Generatorul
Generatorul este utilizat în sistemul off grid pentru a încărca bateriile sau pentru a acoperii
încărcăturile.
• Pentru încărcarea bateriilor există un control al inserției bazat pe starea de în cărcare a
bateriilor, în care generatorul este de obicei pornit imediat ce bateriile ating o încărcare slabă de
aproximativ 30%.
• În mod special, bateriile cu plumb au nevoie de încărcări regulate de întreținere. Acest
lucru este asigurat și de generatoru l auxiliar dacă nu există suficientă energie fotovoltaică.
• Generatorul suplimentar poate fi folosit și pentru acoperirea sarcinilor dependente de
putere. Este posibilă acoperirea sarcinilor de vârf sau asigurarea unei sarcini de bază.

4.1 Controlul funcționării bazat pe SOC
Generatorul auxiliar este pornit când starea de încărcare a bateriilor (SOC, starea de
încărcare) este sub pragul de pornire și continuă să funcționeze până când SOC este din nou peste
pragul de oprire.
𝑆𝑂𝐶 ≤𝑆𝑂𝐶 𝑝𝑟𝑎𝑔 →𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 =𝐼𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 ∙𝑈𝐴𝐶−𝑟𝑒ț𝑒𝑎 (4.1)
𝑆𝑂𝐶 >𝑆𝑂𝐶 𝑝𝑟𝑎𝑔 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑟𝑖𝑒 →𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 =0 (4.2)
Puterea este calculată din curentul generatorului. Aceste este fie curentul generator implicit,
fie curentul maxim admisibil, dacă aceasta este mai mică.
4.1.1 Încărcarea dependentă de lansare
Dacă generatorul auxiliar nu este acționat datorită pragurilor SOC, sistemul continua sa
verifice dacă se folosește sarcina:
(𝑃𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚 −𝑃𝑃𝑉,𝐴𝐶)>𝑃𝑃𝑟𝑎𝑔 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑟𝑖𝑟𝑒 ,𝑠𝑎𝑟𝑐𝑖𝑛 ă→𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 =𝐼𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 ∙𝑈𝐴𝐶−𝑟𝑒ț𝑒𝑎 (4.3)
(𝑃𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚 −𝑃𝑃𝑉,𝐴𝐶)<𝑃𝑃𝑟𝑎𝑔 𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑟𝑖𝑟𝑒 ,𝑠𝑎𝑟𝑐𝑖𝑛 ă→𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 =0 (4.4)
În cele din urmă, este epuizată deoarece puterea PV nu este suficientă.
4.1.2 Consumul de combustibil
Consumul real de combustibil al generatorului auxiliar depinde de utilizarea și de consumul
specific.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 48

Figura 4.1:Consumul de combustibil al generatorului

Pe baza sarcinii (puterea gener atorului de curent P G la puterea nominală P G,apel), consumul
real de combustibil V combustil se calculează:
𝑉𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑖𝑙 =𝐶𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚 ,𝑢𝑡𝑖𝑙𝑖𝑧𝑎𝑟𝑒 ∙𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟
𝑃𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑡𝑜𝑟 ,𝑎𝑝𝑒𝑙 (4.5)
4.1.3 Dimensionarea
Figura 4.2 arată cum se potrivește gen eratorul auxiliar cu sistemul și cerințele de energie. În
sistemul off grid, generatorul auxiliar trebuie să poată acoperi sarcina. În plus, generatorul auxiliar
trebuie să poată furniza energia necesară pentru costurile de întreținere la depozitul de bat erii.
• Puterea generatorului -curentul generatorului standard sau curentul continuu se
calculează ca raport între puterea continua și tensiunea nominală. Curentul generatorului poate fi
reglat individual, dar ar trebui să fie de 80 și 100% din curentul continuu. Putere de ieșire a
generatorului este limitată la 100 % de curentul generatorului.
• Puterea continuă -această putere ar trebui să fie 80 și 120%, dar trebuie să fie între 40
și 400% din puterea maximă a consumatorului.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 49

Figura 4.2:Dimen sionarea generatorului auxiliar

4.1.4 Controlul în funcție de nivelul de încărcare al bateriei
Bateriile pot fi încărcate manual cu o sursă de alimentare cu tensiune și limitare a curentului
reglabile de utilizator. Încărcarea poate fi nesupravegheată de oarece ter minarea încărcării este
automatizată.
În figura 4.3 sunt definiți pașii de comutare și ferestrele de timp pentru pornirea dependente
de starea de încărcare. Pentru fiecare dintre cele două ferestre de timp ( Timp T1, T imp T2) pentru
pornirea generatorului în funcție de nivelul de încărcare ( starea de încărcare) se poate atribui un
prag de pornire și un prag de oprire pentru fiecare dintre cele două ferestre de timp generatorul este
pornit și oprit când se atinge pragul de oprire. Se pot utiliza ferestrele de timp și pentru un anumit
comportament pe timp de zi sau noapte.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 50

Figura 4.3:Controlul în funcție de nivelul de încărcare al bateriei.

Generatorul folosit în lucrare este un generator diesel, monofazat cu următoar ele
caracteristici nominale:
– Tensiunea nominală 230[V]
– Puterea nominală 3,4 [kVA]

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 51

5 Simulări realizate la sistemul off grid
În figura 5.1 este prezentată prognoza de producție cu consum a sistemului off grid. În
această figură este prezentat modul în care evoluează energia produsă de sistem în fiecare lună a
anului, cantitatea de en ergie utilizabilă, încărcarea bateriilor în cazul în care a pare surplus de
energie, consumul acoperit de si stemul de baterii și pierderile de energie din sistem.

Figura 5.1:Prognoza de producție cu consum.

În lunile în care energia din sistemul de baterii ajunge la nivelul de 30% din capacitatea
maximă intervine generatorul auxiliar care încarcă sistemul de baterii oferind astfel energie necesară
consumatorului. Prognoza de producție cu consum, cu generator auxil iar este prezentată in figura
5.2.

Figura 5.2:Prognoza de producție cu consum, cu generator auxiliar

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 52

5.1 Încărcarea sarcinii
• Fără descărcare de sarcină – consumatorii aparținând infrastructurii critice, cum ar fi
frigiderele, aparate de aer condiționat etc. Aceste dispoz itive trebuie să poată fi alimentate cu
suficientă energie, în caz contrar simularea va fi întreruptă.
• Eliminarea încărcării de sarcină 1 – consumatorii care pot fi deconectați automat de la
sistemul insulei, adică abandonați, dacă există o lipsă de energie. De exemplu calculatoarele.
• Eliminarea încărcării de sarcină 2 – consumatorii care sunt deconectați automat de la
sistemul autonom atunci când există o lipsă de energie, de exemplu televizoarele private.
Încărcarea sarcinii este definit ă individual pentru fiecare grup și depinde de starea de
încărcare (SOC) a bateriilor.
Rezultatele arată diferența dintre consumul menționat anterior și consumul efectiv acoperit.

Figura 5.3:Diferența dintre sarcina definite și sarcina reală acoperită după simularea unui proiect
independent de rețe a.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 53

5.2 Reglarea sistemului fotovoltaic
Dacă s istemul fotovoltaic furnizează mai multă energie decât poate fi absorbită de
consumatori și acumulator, sistemul fotovoltaic trebuie să fie reglat. Acest lucru se face automat.
Rezultatele arată diferența dintre energia maximă disponibilă și energia consum ată:

Figura 5.4:Diferența dintre energia fotovoltaică disponibilă și energia fotovoltaică utilizabilă.

5.3 Temperatura pe modul
Temperatura modulului are o influență puternică asupra curbei caracteristice a modulelor
fotovoltaice.
Modulele se încălzesc în f uncție de situația instalării, capacitatea modulului, tipul de
instalare a modului și de iradiere.
La un interval de simulare de o oră, temperatura modulului T modul se calculează static din
iradierea E, legată de iradierea la STC (E STC =100W/m2) și o deplasare a temperaturii în funcție de
tipul instalației.
𝑇𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 =𝑇𝑎𝑚𝑏 +𝐷𝑇∙𝐸
𝐸𝑆𝑇𝐶 (5.1)
– E- iradierea
– ESTC- iradierea la temperatură statică

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 54

– Tmodul – temperatura modulului
– Tamb- temperatura mediului ambiant

Figura 5.5:Temperatura pe modul și temperatura mediului

5.4 Energia provenită de la generator
Pentru încărcarea bateriilor există un control al inserției bazat pe starea de încărcare a
bateriilor, în care generatorul este de obicei pornit imediat ce bateriile ating o î ncărcare slabă de
aproximativ 30%.

Figura 5.6:Energia provenită de la generator

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 55

6 Concluzii
Posibilitatea utilizării energiei puse la dispoziție gratuit de soare satisfac necesitățile rezultate
din cerințele existenței omului pe Pământ. Tehnologiile solare folosesc energia soarelui pentru a
produce electricitate, panourile fotovoltaice fiind una dintre cele mai populare surse de energie
alternative folosită pentru sistemele electrice private sau industrial.
Capitolul în curs urmează să pr ezinte o sinteză a cee a ce s-a prezentat în această lucrare cu
privire la si stemul de control al energiei la casa alimentată de la si stemul de panouri fotovoltaice.
Așa cum am spus scopul acestui proiect îł reprezintă obținerea de energie proprie utilizând energia
solară, și va fi aplicat pentru o casă. Prima parte a lucrării evidențiază configurarea și vizualizare
modelului în 3D, configurarea modulelor și modul de amplasare al acestora, și planul cablurilor.
Astfel, soluțiile cercetate și sistemele au fos t împărțite în două sisteme importante:sistem off
grid cu stocarea surplusului de energie in acumulatori și sistem off grid cu generator auxiliar.
Simulările s -au bazat în cea mai mare parte a studiului pe sistemul off grid cu stocarea a surplusului
de ene rgie în acumulatori.
Așadar, fiind o soluție atât a problemelor de mediu, cât și a dependenței de rețeau a publică,
lucrarea are drept scop generarea de energie proprie la o casă ce are la bază panourile fotovoltaice.
Alimentarea casei se face de la un sist em de 12 panouri fotovoltaice cu celule monocristaline
de 300W care vor produce 3,6 kW necesari satisfacerii nevoilor individuale la costuri reduse, dar
poate produce și efecte la nivel global, prin protejarea surselor convenționale și implicit, a mediului .
Cele 12 modul e de panouri sunt dispuse paral el cu acoperi șul casei, în partea de sud datorită
eficientei maxime,cu orientarea casei la 180˚ .Acestea sunt legata în serie începând de la modulul
1.1.1.1 până la modulul 1.1.1.12.
Pe tot parcursul lucră rii s-a urmărit obținerea energiei cât mai eficient și optim raportată la
un consum anual al unei case ai căror consumato ri au fost definiți în tabelul 3.1 .
Astfel, in condiții meteo favorabile pe timp de zi casa este alimentată cu energie provenită de
la siste mul de panouri urmând ca în cursul nopții energia să fie preluată din sistemul de acumulatori.
Sistemul de acumulatori este format din 17 baterii legate în serie cu o putere nominală de 4,4 kW,
asigurând o autonomie de 3 zile.
În condiții meteo nefavorabi le (ploaie,zile noroase, iarnă) alimentarea cu energie a
consumatorilor se face cu ajutorul unui generator auxiliar conectat la sistem. Generatorul este diesel
având u n consum de 1,4 l/ h la un randa ment de 0,98%.Când nivelul de descărcare al bateriilor sc ade

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 56

la 30% generator este pornit î ncărcând sistemul de baterii, și asigură implicit si alimentarea cu
energie electrică.
Toate simulările au fost realizate cu ajutorul programului PV*SOL premium care oferă o
multitudine de variante pentru diferite sisteme de obținere a energiei e lectrice din surse de energie
regenerabile.
Avantajele principale ale sistemelor studiate în lucrare în vederea obținerii de energie pentru
alimentarea casei sunt următoarele:
– Obținerea de energie proprie, prin costuri reduse
– Sistemul poate fi folosit chiar și în condiții meteo nefavorabile, deoarece are o
autonomie de 3 zile, iar după epuizarea rezervei intervine generatorul auxiliar.
– Protejarea mediului – acest sistem furnizează energie ecologică.
– Simulările pot fi interpret ate foarte ușor
– Sistemul propus este unul simplu de realizat
– Sursa de energie pe care se bazează tehnologia este gratuită
Panourile solare fotovoltaice au ca rezultat energia electrică. Avantajele utilizării panourilor
fotovoltaice este reprezentat în primul rând de posibil itatea asigurării energiei electrice în locații
izolate, dar și la obținerea conceptului de casă pasivă, independent de rețeaua publică. Întreținerea
panourilor este facilă, acestea nu necesită decât curățarea de im puritățile care se așează pe sup rafața
acestora. Durata medie de utilizare a acestor panouri este de 20 -25 de ani, singura component ă ce
necesită o atenție mai s porită și a cărei durată de viaț ă este mai scurtă în cazul si stemelor insulare
sunt bateriile. Un a lt avantaj considerabil al acestui sistem este că se poate extinde în cazul apariției
unor consumatori electrici suplimentari.
Ca și propunere de dezvoltare a acestui sistem de obținerea a energiei din resurse energetice
regenerabile, ar fi captarea tuturo r tipurilor de resurse regenerabile existente în zona apropiată
sistemului, să fie convertită în energie electrică, aceasta să fie acumulată, stocată în sisteme și
instalații de siguranță proprii și folosită acolo și atunci când este nevoie de ea, sub ce f ormă este mai
convenabil.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 57

7 Bibliografie
[1] Victor Emil Lucian –Ghid de captare și conversie a energiei solare pentru utilizare, Editura Universitară, București,
apărut în 2014.
[2] Victor Emil Lucian – Resurse Energetice Regenerabile –Ghid practic de proiectare , montaj, exploatare și
întreținere a sistemelor de conversie care folosesc resurse regenerabile, Editura Universitară, București, apărut în
20011.
[3] Surse nepoluante de producere a energiei electrice, autor ing. Victor Lucian, Editura AGIR, anul apariției l ucrării,
2005.
[4] Manual de instalare, utilizare și funcționare, a componentelor instalației, furnizate de distribuitori autorizați,
manuale editate de producătorii de componente.
[5] Revista Tehnica Instalațiilor
[6] Raportul Consiliului European de Energii Regenera bile, 2010, Energy Council.
[7] https://help.valentin -software.com/pvsol/calculation/offgrid -systems/.
[8] https://help.valentin -software.com/pvsol/calculation/battery -systems /.
[9] https://help.valentin -software.com/pvsol/calculation/battery -systems/lead -acid-batteries/.
[10] https://help.valentin -software.com/pvsol/calculation/cables/.
[11] https://www.sma.de/en/products/battery -inverters.html.
[12] https://www.engineering.com/ElectronicsDesign/El ectronicsDesignArticles/ArticleID/16489/Batteries -and-
Inverters -in-Solar -Energy.aspx
[13] https://en.wikipedia.org/wiki/Maximum_power_point_tracking .
[14] https://www.europe -solarstore.com/download/sma/monitoring/CLUSTER_CONTROLLER -DEN132213w.pdf
[15] Ghergheleș Viorel – Energia viitorului, Editura Mediamira, Cluj -Napoca, 2006.

Sistem de control al energiei electrice la o casă alimentată de la panouri fotovoltaice

Pagina 58