Utilizarea Energiei Solare Pentru Producerea de Energie Electrica

PROIECT

DE DIPLOMĂ

Tema: "Utilizarea energiei solare pentru producerea de energie electrica "

Cap1.REZUMAT

În această lucrare, este abordată problema captării radiației solare pentru producerea energiei electrice.

Obiectivele lucrării sunt următoarele:

• prezentarea captatoarelor utilizate la conversia electrica a energiei solare;

• analiza electrodinamică a captatoarelor fără concentrarea radiației solare în vederea stabilirii condițiilor optime de funcționare din punctul de vedere al extragerii exergiei maxime;

• conceperea, realizarea și testarea unei instalații experimentale de studiu comparativ al captatoarelor fără concentrarea radiației solare.

Studiul efectuat s-a soldat cu maximizarea puterii mecanice a unei instalații solare pe unitatea de arie a colectorului și cu realizarea unui instalații de studiu comparativ al captatoarelor fără concentrarea radiației solare.

Cap2. Prezentare elemente component ale instalatiilor fotovoltaice

Panourile fotovoltaice realizeaza conversia directa a luminii in energie electrica la nivel atomic. Unele materiale au proprietatea de a absorbi fotoni de lumina si a elibera electroni. Acest efect poarta numele de efect fotoelectric. Atunci cand acesti electroni sunt captati rezulta un curent electric care poate fi utilizat ca electricitate.

Efectul fotoelectric a fost observat pentru prima data in anul 1839 de catre fizicianul francez Edmund Bequerel. Bequerel a descoperit ca anumite materiale pot produce cantitati mici de curent electric cand sunt expuse la lumina. In 1905, Albert Einstein a descris natura luminii si efectul fotoelectric pe care se bazeaza tehnologia fotovoltaica, lucru pentru care a primit mai tarziu premiul Nobel pentru fizica. Primul modul fotovoltaic a fost realizat în Laboratoarele Bell in 1954.A fost inregistrat ca baterie solara si a fost considerat doar o curiozitate, prea scump pentru a fi utilizat pe scara larga. In anii 1960, industria spatiala a fost prima care a inceput sa utilizeze in mod serios tehnologia pentru a furniza energie electrica la bordul navelor spatiale. Prin intermediul programelor spatiale, tehnologia a avansat, fiabilitatea ei s-a îmbunatatit, iar costul a inceput sa scada. In timpul crizei energetice din anii 1970, tehnologia fotovoltaica a fost recunoscuta ca o sursa de energie electrica si in alte aplicatii decat cele spatiale.

Celulele solare sunt realizate din materiale semiconductoare, cum ar fi siliciul, utilizate in industria microelectronicii. Pentru celulele solare, un strat subire semiconductor este tratat special pentru a forma un camp electric, pozitiv pe o parte si negativ pe cealalta. Atunci cand energia

luminoasa ajunge la celula solara, electronii se elibereaza din atomi în materialul semiconductor.

Daca se ataseaza conductori electrici pe partile pozitive si negative, formand un circuit electric, electronii pot fi captati sub forma de curent electric – adica, energie electrica. Aceasta electricitate poate fi utilizata in diferite scopuri (iluminat, alimentare echipamente).

Un numar de celule solare conectate electric unele cu altele si montate pe un suport sau un cadru formeaza un modul fotovoltaic.

Celulele solare pot fi clasificate dupa numeroase criterii. Cel mai cunoscut criteriu este grosimea materialului. Se face distinctie între celule cu strat gros și celule cu strat subtire ca o pelicula.

• Un alt criteriu este materialul: materialele semiconductoare care se pot utiliza pot fi CdTe,

GaAs, sau compusi ai cuprului-indiului-seleniului, dar cel mai bine cunoscut în lumea intreaga este siliciul

• Structura cristalelor, cristalina (mono-/policristalina), sau amorfa.

• In plus fata de materialele semiconductoare, exista si abordari de noi materiale, cum ar fi substante organice si pigmenti organici.

In functie de tipul cristalului, putem distinge trei tipuri de panori fotovoltaice

Figura 1.1

Panouri fotovoltaice monocristaline

Pentru a produce acest tip este necesar un material semiconductor absolut pur. Fibrele monocristaline sunt extrase din topitura de siliciu si apoi tesute astfel încat sa formeze placi fine. Acest proces de productie garanteaza un nivel de eficienta  relativ mare.

Figura 1.2

Panouri fotovoltaice policristaline

Mai eficiente din punctul de vedere al costului. La producerea lor , siliciul lichid se toarna in blocuri care apoi formeaza placi. In timpul solidificarii materialului, se formeaza structuri de marimi diferite la maginile carora apar defecte.

Ca urmare a acestui defect al cristalelor, celula solara este  mai putin eficienta.

Figura 1.3

Panouri fotovoltaice amorfe (thin-film)

Cu strat subtire se obtin prin depunerea unei pelicule de siliciu pe sticla sau pe alt material folosit ca substrat. Grosimea stratului este mai mica de 1µm (grosimea firului de par uman este de 50-100 µm). Costurile de productie sunt mai mici din cauza ca materialul costa mai putin. Totusi, eficienta celulelor amorfe este mai mica decat cea a celorlalte doua tipuri de celule. Din acest motiv s-au utilizat in primul rand la echipamentele de joasa putere (ceasuri, calculatoare de buzunar), sau ca elemente de fatada. In prezent ele sunt utilizate si in fermele solare de mare putere (MW)

Specificatii tehnice:

Tensiune nominala system autodetectabil 12 sau 24 V

Tensiune maxima panouri (sistem 12V) 17.2 V

Tensiune maxima panouri (sistem 24V) 43 V

Curent Maxim 10 A

Clasa de Protectie IP 32

Temperatura de lucru -25 °C … +50 °C

Dimensiuni 145 x 100 x 30 mm

Greutate   approx. 150 g

Functiile principale:

Reglare tensiune

Incarcarea acumulatorilor in tehnologie multistrat

Detectare automata tensiune

Protectie descarcare baterie

Protectie la conectare inversa a consumatorilor, panourilor si bateriei 

Protectie electronica automata la scurt circuit pentru consumatori si panourile fotovoltaice 

Protectie supratensiune la intrarea pentru panourile fotovoltaice

Protectie suprasarcina

Protectie supraincarcare baterie

Cap.3Energia solară fotovoltaică

Energia solară fotovoltaică provine din conversia direct a razelor solare în electricitate. Această conversie se face prin intermediul celulelor fotovoltaice constituite în semiconductori care transformă fotonii din fluxul luminos în electroni. Există trei categorii de celule fotovoltaice fabricate pe bază de siliciu. Ele pot fi clasificate în ordinea descrescătoare a performanței astfel: monocristaline, policristaline și amorfe. Există două căi de valorificare: pe de o parte, producția electrică este injectată în rețea și preluată de distribuitorul de electricitate; pe de altă parte, electricitatea fotovoltaică alimentează locații izolate a căror racordare la rețea ar fi prea scumpă. Autonomia acestor locații necesită un dispozitiv de stocare (baterii) remarcabil.

2.1. Efectul fotovoltaic

Fizicianul de origine franceză Alexandre-Edmond Becquerel a descoperit, în 1839, așa numitul efect fotovoltaic. Denumirea efectului are la bază un cuvânt din limba greacă “Phos”,semnificația lui fiind lumină, și numele fizicianului italian Allesandro Volta, realizator al primei baterii electrice din lume. Efecul fotovoltaic se poate explica ca fiind eliberările de sarcini electrice pozitive (goluri) și negative (electroni), într-un material de natură solidă, atunci când suprafața lui acționează cu lumina. Polarizarea electrică a materialului de natură solidă sub acțiunea luminii duce la apariția unei tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Pe baza acestui fenomen funcționează și dispozitivele numite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare [2].

Efectul fotovoltaic poate fi explicat ușor pentru o joncțiune p-n dintr-un material cristalin numit semiconductor. După cum este cunoscut, într-un semiconductor neomogen format din două părți – una de tip “p” și una de tip “n” – cu o joncțiune în planul x=0 (figura 2.1), densitatea sarcinilor libere – goluri și electroni – nu mai este identică cu cea pe care ar avea-o separat fiecare tip de semiconductor. În apropierea joncțiunii are loc o difuzie a purtătorilor de sarcină majoritari dintr-o regiune în cealaltă regiune, unde sunt minoritari. Se stabilește astfel o regiune cu sarcină spațială – pozitivă în regiunea “n” și negativă în regiunea “p” – în imediata apropiere a jonțiunii, restul semiconductorului rămânând neutru. Ca urmare, apare un câmp electric imprimat (intern), Ei , orientat de la semiconductorul „n” către semiconductorul „p”, și deci o barieră de potențial U0 între semiconductorii „n” și „p”.

Bariera de potențial se calculează cu formula:

(2.1)

în care Vp și Vn sunt potențiale de difuzie pentru goluri și, respectiv, electroni, se opune trecerii purtătorilor majoritari dintr-o regiune în alta, favorizând însă trecerea purtătorilor minoritari.

Figura 2.1. Joncțiunea p-n

Presupunem acum că joncțiunea p-n este expusă unei radiații incidente (figura 2.2) , această radiație putând fi echivalată cu un flux de fotoni care au energia:

(2.2)

în care :

h – constanta lui Planck,

ν – frecvența radiației, Hz.

Dacă energia unui foton este superioară amplitudinii energetice a benzii interzise a semiconductorului (Wf > WB), coliziunea fotonului cu un electron din banda de valență face ca electronul să treacă în banda de conducție devenind liber în rețea și punând totodată în libertate un gol în rețea, corespunzător locului rămas liber în banda de valență. Acesta este efectul fotovoltaic (interior) [8].

Figura 2.2. Producerea efectului fotovoltaic interior

2.2. Celula fotovoltaică

Dispozitivele în care se realizează conversia energiei luminoase în energie electrică prin efect fotovoltaic sunt denumite generatoare fotovoltaice, generatoarele fotovoltaice elemenate se numesc celule fotovoltaice sau fotocelulele [8].

O celulă fotovoltaică de silicon (figura 2.3) se compune în principal dintr-o foiță subțire de silicon de tip N amplasată pe o foită grosă de silicon de tip P. Suprafața de sus a celulei unde cele două materiale intră în contact și se formează un câmp electric care poartă denumirea de joncțiune P-N. Astfel în momentul când razele de la Soare ajung pe suprafața unei celule fotovoltaice, câmpul electric va produce momentul și direcția la electronii stimulați de lumină, rezultând fluxul de curent când celulele solare sunt conectate la un încărcător electric [9].

Figura 2.3. Celula fotovoltaică [10]

1 – lumina(fotoni), 2 – suprafața frontală, 3 – strat negative (N), 4 – strat izolator, 5 – strat pozitiv (P), 6-suprafață posterioară.

Într-un circuit deschis fără condiții de încărcare, o bucată de celulă fotovoltaică de silicon produce aproape 0.6 volți indiferent care este mărimea bucății. Valoarea curentul de ieșire a unei celule fotovoltaice depinde de eficiența suprafeței, mărimea suprafeței și intensitatea soarelui care ajunge la suprafața celulei. [9].

Avem prezentat în continuare procesul de fabricare a unei celule de silicon fotovoltaic. În polisilicon (un material produs din quarț și folosit mult în industria electronică) se aplică semiconductorul, apoi polisiliconul este încălzit până la o temperature ce îl topește. În stadiul acela topit în polisilicon sunt adăugate bucați mici de bor realizându-se astfel un material semiconductor de tip P. După toate aceste operații de mai sus, are loc formarea blocurile de silicon prin una din metodele:

— formând un bloc pur de silicon cristalizat din semințe de cristal realizate din polisiliconul topit,

— turnând polisiliconul topit într-un cazan ceea ce duce la formarea unui material de silicon policristalin.

Blocurile de silicon sunt tăiate în bucăți individuale de wafere datorită unui fierăstrău de sârmă iar waferele sunt supuse ulterior gravurării suprafeței. În momentul când waferele sunt așezate într-un cuptor de difuzie de fosfor se formează un strat subțire de semiconductor de tip N în jurul întregii suprafețe exterioare a celulei însă numai după ce waferele au fost curățate în urma gravurării. Urmatoarea etapă este aceea a aplicării unui înveliș antireflexiv și imprimarea contactele electrice deasupra suprafeței celulei (negativ). Sub suprafața fiecărei celule se plasează un material conductor de aluminiu, redândui proprietățile de tip P a părții de jos și deplasând stratul difuz de fosfor. La final are loc verificarea fiecărei celule în funcție de curentul electric de ieșire și sunt electric conectate împreună cu celelalte celule pentru a creea circuite de celule în vederea asamblării în module fotovoltaice [9].

Materiale semiconductoare folosite pentru a realiza celulele fotovoltaice sunt de mai multe tipuri iar ponderea cea mai mare de folosire, 95% din toate materiale, o are siliciul (Si). Siliciul este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră fapt ce face ca pretul lui să fie ieftin iar procesele de prelucrare neagresive asigură un impact mic asupra mediului ambiant [2].

2.2.1. Tipuri de celule fotovoltaice

Există mai multe familii de celule fotovoltaice. Cele mai răspândite pe piață sunt celulele fabricate din cristale de siliciu și celule subțiti. Altele sunt în stadiu de cercetare și dezvoltare (celule organice, cu concentrație mare, etc) [7].

Celulele solare pot fi de mai multe tipuri: monocristaline, policristaline, amorfe, film subțire, CIS (copper indium diselenide) și CdTe (cadmium telluride), CIGS, etc. Ceea ce face diferența între tipurile de celule este structura lor și modul cum sunt aranjați atomii. Aranjarea și structura atomilor determină de asemenea și aspectul specific al fiecarei celule solare. Însă eficiența este principalul factor de diferențiere între tipurile de celele existente pe piață. Eficiența celulei (tabelul 2.1) este dată de procentul de energie luminoasă pe care o celulă o transformă în energie electrică. Din tabelul 2.1 se poate vedea că celulele solare monocristaline și policristaline au un procentaj destul de mare al eficienței.

Celulele solare de tip CIS și CdTe au început sa fie disponibile pe piață în cantități representative [10].

Tabelul 2.1

Eficiența celulor solare

a) Celule monocristaline de silicon

Ele sunt realizate din celulele ce au fost tăiate dintr-un cristal cilindric de silicon și aceste celule monocristaline reprezină cee mai eficientă tehnologie fotovoltaică. Procesul de fabricare al acestor celule (figura 2.4.a)este unul complicat și asta implică un cost mai mare decat celalalte tehnologii dar ele au eficiența cea mai mare dintre toate tipurile celelule [9].

b) Celulele multicristaline de silicon

Proocesul de fabricare al acestor tipuri de celule (figura 2.4.b) începe cu siliconul topit care este turnat înblocuri de silicon policristalizat. Din aceste blocuri sunt realizate prin tăiere foițe foarte subițiri de wafere ce sunt asamblate în celule complete. Din cauză că procesului de fabricare al celulele multicristaline este mai puțin complex, ele sunt mai ieftine decât cele monocristaline dar sunt mai puțin eficiente cu aproximativ 12% decât celulele monocristaline.

c) Celulele de film (thin-film)

Acest tip de celule (figura 2.4.c) se realizează printr-o tehnologie multicristalinăce presupune ca siliconul să fie depozitat într-un proces continuu pe un material de bază, rezultând o aparență spumantă, bine impregnată. Precum celelalte celule fotovoltaicele cristaline și acestea sunt încapsulate într-un strat de izolație din polimer transparent cu un acoperiș din fire de sticlă ce de regulă sunt legate de un strat de aluminiu puternic.

a. b. c.

Figura 2.4. Tipuri de celule fotovoltaice [11]

a – monocristaline, b – policristaline, c – thin-film.

d) Silicon amorfat

Celulele de silicon amorfat au în componența lor atomi de silicon ce sunt într-un strat subțire, omogen decat într-o structură cristalizată. Aceste celule permit o mai bună captare a luminii decât siliconul cristalizat ceea ce permite realizarea de celule ce pot fi mai subțiri. Tocmai din acest motiv siliconul amorfat mai este cunoscut și ca fiind tehnologia fotovoltaica “thin film”. Siliconul amorfat permite depozitarea pe o gamă largă de substraturi, ambele rigide și flexibile, acest lucru facând din el un material ideal pentru suprafețele curbate și modulele impachetabile. Un dezavantaj al celulele amorfate este ca sunt mai puțin eficiente decât celulele cristaline și anume aproximativ 6% dar copensează prin faptul că sunt mai ieftin de produs. Aceste costuri mici le fac de asemenea ideale pentru multe locații ce nu necesită o eficiență mare dar costuri scăzute ale celulelor. [9].

2.3. Panouri fotoltaice

Pentru a permite furnizarea unei puteri electrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcționează individual ci legate în serie într-un număr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice (figura 2.5), sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare pentru producerea energiei termice, denumite și colectori solari sau panouri solare termice) [2].

Figura 2.5. Panouri fotovoltaice montate pe acoperișul unei clădiri [9]

Panourile solare pot fi folosite în asigurarea curentului electric necesar locuințelor, în realizarea unor centrale solare de mare capacitate, la alimentarea mașinilor precum și a altor dispozitive ce funcționează pe bază de curent electric. Însă curentul electric pe care îl produc panourile fotovoltaice nu poate fi folosit direct ci trebuie înmagazinat în baterii și ulterior cu ajutorul unui invertor se va amplifica pentru a putea fi folosit de aparatele electrocasnice sau becuri (220 V).

2.3.1. Montarea panourilor

Puterea maximă pe care o pot furniya panourile cele mai comune, în condiții de funcționare ideala, este de 40 la 200 W.

Pentru a avea o putere instalata ridicată, este necesară asamblarea panourilor fotovoltaice între ele. Se deosebesc:

—branșament în serie;

—branșament în paralel.

Celulele aceluiași panou solar sunt in general legate în serie (borna pozitivă a unei celeul este legata de borna negativă a celulei următoare), asta pentru a se obține tensiunea dorită. Astfel se obțin module cu tensiuni de 6, 12 și 24 V.

Astfel pentru obținerea unei instalații cu tensiune ridicată, panourile fotovoltaice vor trebui să fie ele însele legate în serie [7].

a) Montarea panourilor în serie.

Montarea în serie (figura 2.6) permite obținerea unei tensiuni mai ridicate căci tensiunea panourilor se adună. Intensitatea – curentul – care traversează fiecare panou rămâne aceeași; ea este egală cu intensitatea panoului cel mai slab. Deci trebuie avut grijă ca să nu se monteze în serie decât panouri care au aceeași intensitate.

Figura 2.6. Principiul montajului în serie

Modulele fotovoltaice sunt foarte sensibile la umbriri. Când celulele unei modul fotovoltaic sunt conectate în serie, celula cea mai slabă va determina limitarea puterii celorlaltor celule. Umbrirea a jumatate dintr-o celulă sau a jumătate dintr+un șir de celule va diminua puterea proporțional cu procentajul suprafeței umbrite a unei celule. Umbrirea totală a unui șir de celule poate să reducă la zero puterea modulului.

În figura 2.7, primele două panouri sunt condamnate din cauza umbrelor. Intensitatea totală a câmpului este egală cu cea livrată de al treilea panou, care este diminuată proporțtional cu suprafața umbrită.

Figura 2.7.Efectul umbrei asupra unei instalații în serie.

b) Montarea panourilor în paralel

Această metodă se mai numește și “montaj cu abatere”. Nu este posibilă decât dacă panourile cu aceeași tensiune la ieșire deoarece tensiunea între bornele ansamblului este egală cu tensiunea comună a diferiților captatori.

Dimpotrivă, intensitatea furnizată de ansamblul de panouri este egală cu suma intensităților furnizate de fiecare panou. Este tipul de montaj (figura 2.8) care convine când este nevoie de o intensitate mare.

Figura 2.8.Principiul montajului în paralel.

c) Montarea mixtă serie/parelel

Pentru a obține cele mai bune valori pentru instalația noastră, este bine să combinăm cele două tipuri de montaj (figura 2.9).

În cazul unui montaj mixt, intensitatea fiecărei ramuri paralele se adaugă.Ramurile fără umbră produc 100%. În figura 2.10 ramura umbrită are deci o influență limitată cam cu o treime asupra scăderii temporare a producției [7].

Figura 2.9.Un montaj mixt de panouri fotovoltaice

Figura 2.10.Efectul umbrei asupra unui montaj mixt.

2.4. Echipamente auxiliare ale sistemelor fotovoltaice

Sistemele fotovoltaice transforma energia solară in energie elctrica pentru diferiti utilizatori. Ele pot fi independente(neconectate la retea) pentru consumatori izolati, sau conectate la SEN (Sistemul Energetic National). Aceste sisteme mai pot fi numite centrale fotoelectrice, parcuri fotovoltaice și ferme fotovoltaice.Puterile instalate ale acestora pot fi de la câteva sute de wati până ordinul zecilor și sutelor de MW [12].

Principalele elemente ale unui sistem fotovoltaic sunt prezentate în figura 2.11.

Figura 2.11. Schema de principiu a instalației ale unui sistem fotovoltaic [4].

S – soare, sursa de lumină, RS – raze de soare, PF – panou cu celule fotovoltaice, -,+ – polii panoului, minus plus, RE – regulator automat de încărcare, BA – baterie deacumulatori,I – invertor de curent continuu/alternativ.

2.4.1. Regulator automat de încărcare

Regulator automat de încărcare este un dispozitiv numit încărcător solar (solar charger) sau controler de încărcare (charge controller). Acesta are rolul de a stabiliza tensiunea de curent continuu de la ieșirea din panoul fotovoltaic, de a asigura un control al tensiunii și al curentului de încărcare a acumulatorilor dar și tensiunea de alimentare a consumatorilor de curent continuu. Îl mai putem întâlnii și sub alte denumiri cum ar fi regulator de încărcare (figura 2.12) dar și charger solar.

El mai poate îndeplini: alimentarea consumatorilor de curent continuu, detectarea automată a tensiunii bateriei, protectia la conectarea polarității inverse, protecție la descărcare excesivă și la supraîncărcare a bateriei, deconectare sarcina în funcție de starea de încărcare (SOC) a bateriei, reconectare automată a sarcinii, compensare automată în funcție de temperatură, comutare automată pentru iluminat pe timp de noapte, etc [12].

Figura 2.12. Regulator de încărcare [13]

2.4.2. Bateria de acumulatori

Sistemele fotovoltaice necesită dispozitive de stocare a energiei electrice, deoarece sunt perioade în care generatorul, panourile fotovoltaice, nu produce sau produce energie sub nivelul consumului. Cele mai utilizate dispozitive de stocare sunt bateriile de acumulatorii (figura 2.13), care au rolul de a înmagazina energia electrică atunci când sursa de energie a panourilor fotovoltaice este disponibilă. Această energie este utilizată în decursul nopții sau când panourile produc sau nu, o cantitate redusă de energie.

Bateriile de acumulatori pentru astfel de sisteme au o construcție specială, fără întreținere, suportând un număr mare de cicluri de încărcare-descărcare.

Figura 2.13. Bateria de acumulatori [14]

2.4.3. Invertorul

Invertorul (figura 2.14)este un dispozitiv folosit pentru a transforma curentul continuu de la bornele acumulatorilor în curent alternativ necesar la alimentarea consumatorilor.

Figura 2.14. Invertor [15]

CAP. 4, Cazuri practice de utilizare a energiei solare

Energia solară este cel mai des folosită pentru a produce curent electric prin intermediul panourilor fotovoltaice însă curentul electric ce este dat de un panou nu poate fi folosit direct și necesită dupa cum s-a menționat și în capitolele anterioare de un regulator, un invertor, o baterie de acumulatori.

Astfel în continuare vor fi prezentate câteva cazuri practice de sisteme tehnice care au în componența lor panouri fotovoltaice.

3.1. Sistem pentru producerea și utilizarea curentului continuu

Avem prezentat în figura 3.1 un sistem de producere și utilizare a curentului continuu cuajutorul panourilor fotovoltaice [2].

Figura 3.1. Sistem cu panou fotovoltaic pentru producerea curentului continuu

Sistemul prezentat mai sus poate fi utilizat pentru iluminatul electric, în diferite zone izolate, în care conectarea la rețea este imposibilă sau nu este rentabil economic. Ele utilizează becuri de current continuu.

Se observă că în sistem pe lângă panoul fotovoltaic mai avem un regulator de încărcare și un acumulator. Fiecare componentă a sistemului joacă un rol foarte important, începând cu panoul fotovoltaic care, în funcție de intensitatea radiației solare poate produce un curent electric la ieșire variabil. Regulatorul de încărcare conectat în sistem între panou și acumulator are rolul de a prelua curentul variabil de la panou și al converti în curent constant necesar încărcării acumulatorului. La fel ca și acumulatorul, consumatorii vor fi conectați tot la bornele de ieșire ale regulatorului, fiind alimentați cu curent continuu [2].

3.2. Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu și altenativ

În figura 3.2.este prezentat un sistem de producere și utilizare simultană a curentuluicontinuu și alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Figura 3.2. Sistem cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a curentului continuu și alternativ

Pentru a asigura o putere electrică mai mare, pe o perioadă cât mai lungă, sistemul va avea nevoie de un număr mai mare de panouri și de acumulatori. Ca săputem alimenta consumatori de curent alternativ, în sistem va fi inclus un dispozitiv numit invetor care transformă curentul continuu în curent alternativ [2].

3.3. Sistem fotovoltaic hibrid

Avem prezentat în fig 3.3un sistem hibrid, ce conine panouri fotovoltaice. Acest sistem va permite producerea și utilizarea simultană a curentului alternativ și continuu .

Figura 3.3. Sistem fotovoltaic pentru producerea curentului electric alternativ, racordat la rețea

Acest sistem, nu numai că are un rol de a alimenta direct cu energie electrică, el mai este și furnizor de energie electrică, furnizând energie în rețeaua locală de alimentare cu energie electrică. Utilizatorii ce vor deține asemenea sisteme vor fi prevăzuți și cu dispozitive de măsură care vor contoriza energia furnizată și absorbită de la rețea.

Pentru a încuraja utilizatorii de energii regenerabile, în unele țări, prețul obținut este mult mai mare decât prețul de vâzare al energiei electrice [2].

Un caz practic foarte interesant de folosire a panourilor fotovoltaice este acela al iluminatului stradal. Iluminatul stradal a început cu lămpile cu gaz pe cre un lampangiu le aprindea în fiecare seara una după alta în tot orașul. Astăzi datorită evoluției tehnologiei iluminatul stradal se face cu stâlpii (figura 3.4) ce au montați pe ei un corp de iluminat ce luminează în jur datorită curentului primit de la sistem format din panou fotovoltaic, un inverter și niște baterii pentrustocarea energiei electrice.

Figura 3.4.Sistem de iluminat stradal cu panouri folovoltaice.

Avantajele iluminatului stradal solar sunt [16]:

— elininați costurile necesare cablarii la rețeaua generală de current electric;

— impactul asupra mediului este mult mai mic fiindcă nu se mai fac sapături pentru gablurile de la rețeaua generală de current electric;

— se poate ilumina și acele zone ce nu au acces la rețeaua generală de current electric;

— investiția se amortizează realtiv de ușor datorită faptului ca nu mai trebuie platită energia de la rețeaua generală de current electric;

— folosirea acestui sistem de iluminare este sigură, simplă și ușor de întreținut;

— are o durată mare de funționare și o eficientă ridicată față de sistemele vechi.

CAP. IV LUCRARE PRACTICĂ

UTILIZAREA PANOURILOR FOTOVOLTAICE PENTRU PRODUCEREA DE ENERGIE

4.1 CONSIDERAȚII TEORETICE

Panourile fotovoltaice sunt dispozitive capabile să transforme energia solară în alte forme de energie.

Inițial panourile fotovoltaice au fost folosite pentru a asigura energia electrică acolo unde nu există nici un alt mod de a o produce: stații experimentale, outpost-uri îndepărtate sau sateliți. În prezent, panoul fotovoltaic, deși încă destul de costisitor, a început să pătrundă în cam toate domeniile și mediile sociale.

Sistemul propus în această lucrare are în componență un generator fotovoltaic compus din panouri, regulator de încărcare, acumulatori și invertor. Sistemul este folosit pentru locații mobile, insule, zone făra electricitate sau cu electricitate redusă, stații meteo.

Pentru a produce curent electric panourile fotovoltaice tebuie să fie orientate corect către soare, sănu fie umbrite și trebuie să fie curatate în mod constantde impurități și de praf. Producția de energie electrică este direct proporțională cu intensitatea radiației solare ce cade pe suprafața panourilor.

Fiecare sistem fotovoltaic a fost proiectat să raspundă unei necesități limitate de energie electrică. Astfel, trebuie păstrat un echilibru între energia electrică furnizată de invertor și energia produsă de catre celulele fotovoltaice. Toți consumatorii ce vor fi alimentați de către acest sistem vor avea un consum redus de energie. Se vor evita consumatorii de putere cum ar fi: rezistențe electrice, boilere electrice, calorifere, motoare de mare putere.

Radiația medie zilnică poate fi și de 5 ori mai intensă vara decât toamna, dar și pe timp de iarnă, în decursul unei zile senine, se pot capta 3.5÷5 kWh zilnic pe un metru pătrat, radiația solara captată fiind independentă de temperatura mediului ambiant, aceasta depinzând doar de intensitatea luminoasă.

4.2. PREZENTAREA INSTALAȚIEI

Panourile fotovoltaice

Panoul fotovoltaic (fgura 4.1) reprezinta elementul cel mai important din cadrul unui sistem fotovoltaic. Întrucât aceste dispozitive produc curentul electric exclusiv din radiațiile solare, este necesar să fie expuse la radiațiile directe ale soarelui o perioadă cât mai îndelungată de timp pe parcursul unui ciclu de încarcare. Astfel, orientarea corectă către soare și montarea acestora într-un loc neumbrit este esențială pentru un randament ridicat.

Panourile fotovoltaice sunt configurate să furnizeze 12V;24V; și în cazul sistemelor mai mari chiar 48V.

În perioada de iarnă sau de vreme noroasă producția va fi redusă la aproximativ o treime din puterea nominală instalată aferentă sistemului fotovoltaic.

Figura 4.1. Panoul fotovoltaic

Cablurile electrice ce intră în componența sistemelor fotovoltaice se proiectează special pentru a furniza energie electrică cu pierderi minime. La proiectarea și execuția unui sistem de furnizare a energiei electrice este necesară dimensionarea foarte strictă a cablurilor și a elementelor de conexiune. Cablurile vor fi inserate în tuburi tip Copex asta pentru protecția acestora cât și pentru respectarea normelorîn vigoare de prevenire a incendiilor.

Bateria de acumulatori

Are rolul de a stoca energia ce este generată de panouri. Acest tip de acumulatori (figura 4.2.) este conceput special pentru cicluri repetate de descarcări. O baterie nu poate fi descărcată mai mult decât la un anumit nivel, astefel ea riscă sa se deterioreze. În practică, în absența problemelor legate de temperaturile scăzute și pentru o utilizare normală, se poate considera acceptabil un nivel de descărcare de ordinul 35%-45%. Descărcarile frecvente în profunzime ale acumulatorilor duc la reducerea duratei de viață a acestuia.

Figura 4.2. Bateria de acumulatori

Regulatorul de încărcare

Controlerul solar (figura 4.3) monitorizează starea de încărcare a acumulatorilor și controlează procesul de încărcare și conectare/dconectare a sarcinii de curent continuu direct conectată la el. Algoritmul de încărcare a bateriei protejează acumulatorii de supraîncărcări distructive.

Figura 4.3. Regulatorul de încărcare (controlerul solar)

Activarea funcțiilor de încarcare în 3 trepte este dependentă de starea încărcăriibateriei, astfel:

Info LED: -verde continuu:eroare normală;

-clipește rosu: o defecțiune a fost detectată;

LED Rosu:-clipește rar:baterie goală, stare de descărcăre <30%;

-clipește rapid: baterie slabă, stare de descărcăre <40%;

LED Galben:- galben continuu:baterie slabă, stare de descărcăre < 50%;

-clipește rar: baterie cu o stare de descărcăre între 40 și 50%;

LED Verde 2:-verde continuu:baterie cu o stare de descărcăre >80%

-clipește rapid: baterie plină 100% încărcărea este oprită;

Invertorul

Are rolul de a trasforma curentul continuu, ce este produs de către panourile solare și înmagazineazatîn bateria de acumulatori,în curentul alternativ la o tensiune și frecvență ce permite aparatelor casnice să funcționeze în mod corespunzător (figura 4.4).

Figura 4.4. Invertorul

Întrucât pe piață exista dispozitive electrice ce au specificații foarte clare în ceea ce privește alimentarea cu energie electrică cum ar fi: motoare, cuptoare cu microunde sau diverse electrocasnice, este ideal ca invertorul montat să aibă parametri de ieșiretensiune 220-230V și frecvența 50 Hz sinus pur.

Nu se alimentează concomitent consumatorii ce depășesc puterea nominală a invertorului.

Nu se vor conecta consumatorii la invertor dacă nu se va folosi un sistem de siguranțe pentru scurtcircuit sau suprasarcină.

Standul practic (figura 4.5.) este constituit din:

panou fotovoltaic 12V 50 W;

regulator de încărcăre stecca solsum 10.10

acumulator 12V 38AH;

invertor 150W 220V SIN MOD;

priză;

siguranțe;

becuri 1W-3bucati

luxometru

intrerupatoare

Figura 4.5. Standul practic

Schema electrică a standului practic folosit în această lucrare este prezentată în figura 4.6.

Figura 4.6. Schema electrica a standului

Caracteristici tehnice:

Panou fotovoltaic

Model: panou policristalin;

Eficiența celulară: 12%;

Eficiența panou: 10%;

Putere: P = 10 W;

Curentul maxim: Imax = 0.57 A;

Curentul la funcționarea în scurtcircuit: Isc = 0.66 A;

Tensiunea în circuit deschis: U = 21 V;

-nu sunt cele corecte, ia valorile corecte de la Eldor!!!!

Toleranța ± 5 %;

Specificații electrice valabile la 25˚

Acumulator : U = 12 V ; I = 38 Ah ;

Bec 😛 = 3 W ;

Tip termometru :

Domeniu de măsură: intre – 50 ˚C și + 150 ˚C;

Precizie : ± 1 ˚C;

Aparat de măsură : 2 Multimetre digital Vorel

U (A.C.) 0-750 V ;

U (D.C.) 0-1000 V ;

I (D.C.) 0-10 A ;

R 0-2 MΩ ;

4.3. MOD DE LUCRU

– se pornește instalația (figura 4.7)

– se măsoară U, I cu ajutorul multimetrelor la 15 minute (figura 4.8)

– se măsoară temperatura aerului atmosferic

– se pornește cronometrul

– se citesc valorile intensității radiației solare directe medii zilnice pentru unghiul de înclinare de 35o , unghiul față de azimut 0o din programul PVGIS, pentru luna iulie.

Figura 4.7. Pornirea instalației

Figura 4.8. Măsurarea valorilor corespunătoare pentru U și I

Fig .4.9 [17]

Fig.5.0 [18]

Valorile măsurate Tabelul 4.1.

4.4. CALCULE EFECTUATE

4.4. CALCULE EFECTUATE

Formule de calcul utilizate:

Suprafața panoului fotovoltaic, S se determină cu formula:

[m2] (4.1)

în care :

L –lungimea panoului, [m]

l – lățimea panoului, [m].

Astfel după ce se înlocuisc în formula 4.1. valoare lui L cu 0,81 m si valoare lui l cu 0,55 se obtine:

m2

Puterea produsă la o anumită oră, Pcse determină cu formula:

[W] (4.2)

în care :

U –tensiuneaelectrică măsurată cu ajutorul voltmetrului montat pe standul

experimental, [V]

I – intensitateacurentuluielectric măsurată, [A].

Puterea electrică care poate fi obținută teoretic, Ptse determină cu formula:

[W] (4.3)

în care :

G – intensitatea globală (totală) a radiațieisolareincidentăpe un plan fix, [W/m2].

Valorilesuntluate de pe site-ulPVGIS, conform anexei. Aceste valori sunt determinate pentruBacău, pentrupanoulpoziționat exact caînstandul experimentalșisuntvalorizilnice, caracteristiceluniiiulie, lunăîn care s-au realizatmăsurătorile.Radiația, selective atenuată deatmosferă, care nu se reflectă sauîmprăștieșiatinge suprafațaesteradiația directă. Radiațiaîmprăștiatăcareajunge la solesteradiațiadifuză. O mică parte aradiațieicareeste reflectatăde lasolpereceptorulînclinateste radiația reflectată. Aceste trei componentealeradiațiilor creazăîmpreunăradiația globală.

Randamentulpanouluifotovoltaic,η se determină cu formula:

[%] (4.4)

în care :

Pt – puterea electrică care poate fi obținută teoretic, W;

Pc– puterea produsă la o anumită oră, W.

Valorile obținute au fost trecute în tabelul 4.2.

Valorile obținute în urma calculelor

CONCLUZII

1. În condițiile Romăniei există condiții favorabile de utilizare a energiei solare prin conversia termică și electrică a acesteia.Durata posibilă a insolației este de 4445…4452 ore pe an. Durata reală constituie 50…55% din cea posibilă.

2. Deși cantitatea maximă de energie revine lunilor de vară, radiația solară se poate folosi cu o eficiență satisfăcătoare și în timpul toamnei și chiar al iernii. În nordul țarii numărul zilelor de lucru efectiv al instalațiilor solare ajunge la 260, iar în sud – 320 pe an.

3. Principalele etape de conversie a radiației solare sunt: captarea radiației solare; concentrarea ei; conversia în alte forme de energie; stocarea energiei; transportul la distanță; consumarea acesteia. În practică se utilizează atât captatoare mobile, care urmăresc mișcarea soarelui, cât și fixe. Ultimele trebuie amplasate pe direcția meridianului local, orientate spre sud, și sub un unghi optim de înclinație față de orizont, care variază în timpul anului.

4. Optimizarea unui captator ideal cu concentrarea radiației solare având temperatura T în ideea maximizării puterii mecanice pe unitatea de arie a captatorului conduce la relațiile

unde ; – temperatura mediului ambiant, ; – temperatura captatorului în cazul dacă acesta atinge echilibrul termic cu radiația solară canalizată în interiorul său; – randamentul instalației energetice solare la care puterea mecanică a acesteia pe unitatea de arie A a captatorului este maximă.

De exemplu, dacă To = 300K și Ts = 5762 K, adică, dacă = 19,21 soluția numerică a ecuației de optimizare este = 8,216; în consecință =0,849. În același caz, expresiile aproximative de mai sus conduc la =8,06 și = 0,845.

5. Optimizarea ansamblului captatotor – instalație energetică solară constă în alegerea nu doar a temperaturii captatorului, ci de asemenea a frecvenței de tăiere. Menținând constant, raportul atinge maximul pentru valorile

Efectul suplimentar constă în următoarea: deși crește monoton cu , există o frecvență de tăiere optimă pentru care este el însuși maxim.

În cazul unei serii de colectoare monofrecvență:

6. Temperatura optimă a captatorului fără concentrarea radiației solare corespunzătoare puterii maxime pe unitatea de arie poate fi determinată pe trei căi: maximizând puterea mecanică ; minimizând viteza de generare a entropiei ; sau maximizând exergia care se scurge din coloana de secțiuni eficace A și nivel al temperaturii Ts – To . În toate cazurile, optimul termodinamic se atinge când

La limita temperaturilor scăzute , raportul tinde la , cu alte cuvinte, . Acest rezultat limită arată că producția de putere pe unitatea de arie crește odată cu fluxul absorbit și descrește atunci când coeficientul pierderilor prin convecîie U crește.

7. Pentru studiul comparativ al conversiei energiei solare în căldură în captatoare cu și fără concentrarea radiației solare, a fost proiectată și realizată o înstalație experimentală

BIBLIOGRAFIE

1.http://www.igloo.ro/articole/sub-clar-de-felinar/

2. www.termo.utcluj.ro

3. ro.wikipedia.org

4. Victor Emil Lucian, Surse alternative de energie, Editura Matrix Rom, București, 2011.

5. energie-verde.biz

6. www.kyotoinhome.info

7. Mohamed Amjahdi, Jean Lemale, Energia solară termică și fotovoltaică, Editura Matrix Rom, București, 2012.

8. Alexandru Dănescu, Sorin Bucurenciu, Stoian Petrescu, utiliyarea energiei solare, Editura tehnică, București, 1980.

9. http://www.promacht.ro/solar/panouri.html

10. http://energie-verde.ro/panouri-fotovoltaice

11. www.sunflower-solar.com

12. www.tehnosat.ro

13. www.esolar.ro

14. www.e-acumulatori.ro 

15. www.inverterdckeac.com

16. www.elcoplus.ro

17.http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

18. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

19. http://www.e-solare.com/produs/steca-solsum-1010f1224v10a

20. http://decsolar.ro/produse/panouri-fotovoltaice.php?gclid=COWUu_uSoMYCFc7HtAodcaoNZg