UNIVERSI TATEA “DUNAREA DE JOS” GALAŢI UNIVERSIT FACUL ACULT TATEA de INGINERIE ELECTRICĂ ELECTRIC Ă şi ELECTRO ELECTRONICĂ NICĂ
PROIECT
ECHIPAMENTE ELECTROCASNICE INSTALAŢII CU CELULE FOTOVOLTAICE
Indrumatr S!"!Dr!In#!OANCA S!"!Dr !In#!OANCA $! %&'()%
Cuprins
I.
Gene Genera rali lită tăi! i!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!....!. !.....!. !.." ." 1.1.Fabricanţi de celule solare…………………………………………………....…...2 1.2.Perspective………………………………………………………………………...3 1.3.Certificate verzi………………………………………………………………..….4 1.4.Protecţia mediului…………………………………………………………………4 1.5.Radiaţia solar……………………………………………………………...……..4 1.!.Cum ale"em panourile fotovoltaice………………………………………...….….5
II.
Siste# Siste#ee $u $elule $elule %&t&'& %&t&'<a ltai$e i$e !!!!!! !!!!!!!!! !!!!!! !!!!!. !!..!! .!!!.! !.!.!. .!...( ..( 2.1.#escriere celul…………………………………………………………….….…$ 2.2.%ateriale &i calitatea lor …………………………………….…………….……..' 2.3.Caracteristicile celulei………………………………………………..………….1( 2.4.Parametrii celulei…………………………………………………...…….……..11 2.5.)rientarea razei de lumin………………………………………….…………...12 2.!.*n"+iul de ,nclinare………………………………………………………….….13 2.$.%i&carea soarelui………………………………………………………………..13
III.
M&)ul M&)ul )e )e $&ne$ $&ne$tar taree al $elule $elulel&r l&r %&t&'& %&t&'<a ltai$e i$e!!! !!!!!! !!!!!! !!!!!. !!.!!! !!!.*+ .*+ 3.1.Cone-iunea serie……………………………………………………….……….1! 3.2.Cone-iunea paralel…………………………………………………….…….….1
IV. IV.
E$,ipa#e E$,ipa#ente nte ele$tri$e ele$tri$e $e $&#pun $&#pun ansa#-lul ansa#-lul $u $elule $elule %&t&'<ai$ %&t&'<ai$e!.. e!..!!!.." !!!.." 4.1./tructur sistem fotovoltaic…………………………………………….………..2( 4.2.Confi"uraţii ale sistemelor fotovoltaice…………………… fotovoltaice…………………………………… …………………….22 …….22 4.3./isteme de stocare a ener"iei…………………………………………………….24
V.
Apli$a Apli$aii ii $u pan pan&ur &urii %&t&'& %&t&'<i$ lti$e!! e!!!!! !!!!!! !!!!!! !!!!!! !!!!!! !!!!!! !!!."+ ."+
VI. VI.
/i-li /i-li&0 &0ra ra%ie %ie!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!!! !!.! .!!. !."1 "1
2
I.
GENERALIT2ŢI Ce reprezint ener"ia0 ner"ia este o mrimea fizic care indic capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic cnd trece printro transformare din starea sa ,ntro alt stare de referinţ. Conform le"ii conservrii ener"iei aceasta reprezint o funcţie de stare a sistemului fizic ce o cara caract cter eriz izea eaz z.. stfe stfell lucr lucrul ul me meca cani nicc nu repr reprez ezin int t o form form de ener ener"i "iee pent pentru ru c nu caracterizeaz sistemele fizice ci transformrile lor respectiv interacţiunea dintre sisteme ,n cursul transformrii lor.
*.*.Fa-r *.*.Fa-ri$an i$anți )e $elule s&lare s&lare Germania
ntec /olar ner"6789C /):R 8R;< ; rnstadt =9+>rin"en? #eutsc+e Cell ;mb@ = /olarAorld ; 9oc+ter? Freiber" =/ac+sen? r/ol7r/ol /olar ner"6 ; rfurt =9+>rin"en? verB ;mb@ 9+al+eim =/ac+senn+alt? =/ac+senn+alt? First /olar ;mb@ Franfurt =)der? =Drandenbur"? C/; /olar 9+al+eim =/ac+senn+alt? BCells7BCells ; 9+al+eim =/ac+senn+alt? =/ac+senn+alt? /c+ott /olar ;mb@ lzenau =Da6ern? /+ell #eutsc+land ;mb@ ;elsenirc+en =8ordr+einAestfalen? =8ordr+einAestfalen? /*:F*RC:: /olartec+ni ;mb@ Derlin /unEa6s ; onstanz =DadenA>rttember"?
În afara Germaniei Germaniei
dvent /olar lbuGuerGue lbuGuerGue =*/? First /olar Hnc. Perr6sbur" =*/? ; ner"6 /olar PoEer =*/? =fr>+er stropoEer? Hsofoton =/panien? 6ocera 6oto 6oto =Iapan? %icrosol PoEer Pvt. :td. =Hndien? %itsubis+i7%itsubis+i lectric 9oio 9oio =Iapan? P+otoEatt =Franreic+? /an6o )saa =Iapan? /+arp )saa =Iapan? nteil am Aeltmart Aeltmart f>r /olarzellen ca. 3(J /olibro D *ppsala =/c+Eeden? /unPoEer */
Alte firme în industria tehnologiei tehnologiei solare
pplied %aterials /anta Clara =*/? @ersteller von Produtionsanla"en f>r /olarzellen :PF :aser K lectronics ; ; ;arbsen =;erman6? @ersteller von :aseranla"en f>r die /truturierun" von #>nnsc+ic+t/olarzellen #>nnsc+ic+t/olarzellen
3
I.".Perspe$ti'e . Ln toate ţrile europene sistemele fotovoltaice primesc suficient radiaţie solar pentru a produce maMoritatea dac nu toat electricitatea necesar ,n locuinte. #e fapt ,n ţrile din nordul uropei electricitatea fotovoltaic este mai dezvoltat dect ,n cele sud europene. Ln )landa ;ermania &i alte ţri nord europene utilizarea ener"iei fotovoltaice este lar" rspndit &i se obţin pro"rese rapide datorit spriMinului politic. Ln aceste ţri mi&carea antinuclear problemele cauzate de industrializarea intensiv &i de marea densitate a populaţiei au condus la cre&terea con&tientizrii problemelor le"ate de mediu. #e mult timp oamenii din aceste ţri doresc s utilizeze ener"ii re"enerabile. ceast presiune din partea populaţiei a avut un puternic impact politic &i ,n unele comunitţi cerinţele politice formulate ,n acest sens sunt mai mari dect cele ale populaţiei. Ln Franţa radiaţia solar este bun fiind suficient pentru producerea de ener"ie solar utilizabil att la scar redus =,n locuinţe? ct &i la scar e-tins =centrale electrice?. Pn acum costul instalrii sistemelor fotovoltaice a fost foarte ridicat &i de aceea ener"ia fotovoltaic nu a fost foarte dezvoltat. #ar ,n 2((! sau stabilit noi tarife pentru a fi primite de persoanele care produc electricitate fotovoltaic &i o e-port ,n reţea &i anume (3( eurocenţiNA pentru sistemele fotovoltaice clasice &i (55 eurocenţiNA cnd panourile solare sunt inte"rate ,n cldiri. 9impul de recuperare al investiţiei se reduce ceea ce va da avnt utilizrii instalaţiilor fotovoltaice ,n Franta. Ln Romnia potenţialul ener"etic solar rezult din cantitatea de ener"ie provenit din radiaţia solar care ,n Romnia are o valoare medie evaluat la 11(( A+Nm 2Nan. #istribuţia "eo"rafic a potenţialului ener"etic solar prezint cinci zone din care zona ( cu potenţial de peste 125( A+Nm2Nan iar zona HO cu potenţial sub 5( A+Nm 2Nan. Radiaţia solar cu valori mai mari de 12((A+Nm2Nan se ,nre"istreaz pe o suprafaţ mai mare de 5(J din suprafaţa total a ţrii. *tilizarea potenţialului ener"etic solar prin sisteme fotovoltaice se face ,n principal pentru alimentarea cu ener"ie electric a unor consumatori izolaţi cu consumuri mici de ener"ie. Potenţialul e-ploatabil prin sisteme fotovoltaice ,n Romnia este apreciat la 12(( ;A+Nan. Capacitţile ener"etice noi pe sisteme fotovoltaice pentru perioadele 2((32(1( &i 2(112(15 este /urse re"enerabile de ener"ie Fotovoltaic
Perioada 2((32(1( CapacitQi noi fort investiQional mil euro 15( %A $5
Perioada 2(112(15 CapacitQi noi fort investiQional mil euro 5%A 4'(
Producţia pro"nozat de ener"ie electric din surse re"enerabile de ener"ie pe termen mediu si lun" pentru ener"ia solara este /urse re"enerabile ener"ie ner"ie solar
de 2(1( %AS
2(15%AS
1'!(
11!(( 4
Ln Romnia la nivelul anului 2((! puterea instalat ,n dispozitive fotovoltaice era de apro-imativ 15( Ae din care 5( Ae au fost instalaţi ,n acest an. Tinta de 15(( Ae din 2(1( pare "reu de ,ndeplinit ,n condinţiile le"islaţiei actuale. r ,nsemna s fie instalaţi 45( ENan ,ncepnd din 2((' ceea ce ar ,nsemna o investiţie medie de 2$ milioane de uroNan.
*.3.Certi%i$ate 'er4i Certificatul Oerde reprezint o forma de susţinere a ener"iei electrice produs din surse re"enerabile. Certificatele verzi sunt documente care atest ca o cantitate de ener"ie electric este produs din surse re"enerabile de ener"ie. %odificrile aduse :e"ii 22( in privinţa scaderii numarului de certificate verzi va reduce factura platit de consumatorul final cu 5(J pentru ener"ia re"enerabil. 8oile prevederi ale :e"ii 22( presupun suspendarea pentru trei ani si Mumatate a sistemului alocarii de certificate verzi pentru producatorii de ener"ie din resurse re"enerabil. U:e"ea se refer la suspendarea ei pentru 3 ani si Mumatate pana la 1 ianuarie 2(1$. stfel sistemul de certificate va presupune alocarea unui certificat verde pentru ener"ia eoliana un certificat pentru +idro doua certificate verzi pentru ener"ia solara. Restul vor fi pastrate intrun cos de 8R prin le"islatie secundara. /e va calcula pentru fiecare investitor cate certificate va avea in 2(1$. 8umarul de certificate probabil in le"islatia secundara se va prevedea si pot fi scontate la banca sau pot fi preluate ca valoare dupa 1 ianuarie 2(1$U a adau"at ministrul dele"at pentru ner"ie. Reamintim conform le"islaţiei *niunii uropene pn ,n anul 2(2( 24J din consumul brut de electricitate din Romnia trebuie asi"urat din surse re"enerabile. Pentru a atin"e aceast ţint autoritţile au instituit o sc+em de aMutor de stat prin certificate verzi =CO? pentru producerea ener"iei din surse alternative. 8umrul acestora variaz de la (5 CON%A pentru micro+idrocentrale nerete+nolo"izate pn la ! CON%A pentru sistemele fotovoltaice. *n certificat verde poate fi tranzacţionat la un preţ minim de 2$ euro &i un preţ ma-im de 55 euro.
*.3.Pr&te$ția #e)iului . Ln fabricarea de celule solare se utilizeaz parQial Qi materiale duntoare sntQii Qi mediului. -emplu ,n acest sens prezint celulele cu strat subQire Cd9e Qi arseniura de "aliu Qi mult discutatele celule solare de tip CH/ Qi CH/;. ProducQia ,n mas Qi utilizarea pe suprafeQe e-tinse a acestora trebuie bine cntrit. #ar Qi producQia de celule cu siliciu tradiQionale ascunde pericole pentru mediu. Pentru persoane neavizate aceste riscuri ce sunt le"ate de procesul de fabricaQie nu sunt vizibile. ici intervine cerinQa de a promova selectiv te+nolo"iile de fabricare a celulelor solare ce nu distru" mediul Qi care pe baza pro"reselor te+nolo"ice promit avantaMe concurenQiale
5
*.5.Ra)iația s&lară. /oarele emite in mod continuu cantitaţi uriase de ener"ie. ) parte din aceasta radiaţie aMun"e pe Pamnt. Cantitatea de ener"ie ce aMun"e pe Pamant intro zi este mai mare decat intre"ul consum al Pamantului pe durata unui an intre". 9otu&i nu toata ener"ie /oarelui aMun"e pe solul Pamantului. ) parte este absorbit de atmosfera sau reflectat inapoi in spaţiu. Hntensitatea luminii ce aMun"e pe Pamnt variaz in funcţie de perioada zilei locaţia si condiţiile meteorolo"ice. Radiaţia solar ce aMun"e pe Pamnt se masoar in A+Nm 2 pe zi sau A+Nm2 pe an. Pentru a simplifica calculele si a avea o baza comuna de calcul sa decis ca standard o putere de 1(((A+Nm2 timp de o ora pentru o zi insorit. ceast putere se re"ase&te intro zi de vara pe o suprafaţ de un metru patrat unde /oarele este perpendicular pe aceasta.
Radiaţia solar ce cade pe sol variaz att cu perioada zilei dar poate varia considerabil in funcţie de locaţie mai ales in zone de munte. Har radiaţia solar variaz intre 1(((A+Nm2 pe an in tarile din uropa de 8ord si 2((( 25(( A+Nm2 pe an in zonele cu de&ert. ceste variaţii intre locaţii sunt date de diferenţele de latitudine si condiţiile meteorolo"ice.
*.+.Cu# sa ale0e# pan&urile %&t&'<ai$e6 -ist diferite modele de panouri fotovoltaice comerciale. Panourile fotovoltaice difer dup tipul celulelor fotovoltaice din componenţa modulelor care transform ener"ia luminii solare in ener"ie electric dimensiuni aspect destinaţie.
!
#incolo de factorii estetici si te+nolo"ici e-ist cateva informaţii importante pentru a ale"e un panou solar 1? Caracteristicile importante sunt
P#a789p: puterea ma-im a panoului la temperatura de 25VC si radiatie de 1(((ANmW V#pp 8V: tensiunea in punctul de putere ma-im I#pp 8A: intensitatea curentului in punctul de putere ma-im 2? -ist panouri adecvate pentru utilizare in toate tipurile de instalaţii sisteme cu banc de baterii =off"rid standalone..? sau sisteme cu furnizarea ener"ie in retea =on"rid "rid connected..?. Panourile proiectate pentru furnizarea ener"iei in retea nu sunt adecvate pentru sistemele cu banc de baterii. Panourile pentru incarcarea bateriilor trebuie sa aib tensiunea V#pp $u 3;+< mai mare decat tensiunea nominala a bateriilor si aceasta datorita caderilor de tensiune cauzate de re"ulator cabluri si temperatura panourilor= (.4J pentru fiecare 1VC mai mult de 25VC? si sa asi"ure tensiunea de incarcare total a bateriei care este in Mur de 14.4O pentru baterie de 12O pentru banc de baterii de 24O tensiunea de incarcare totala este in Mur de 2'.'O si pentru bancul de baterii de 4'O tensiunea de incarcare totala este de 5$.!O. stfel pentru incarcarea bateriilor de 12O avem nevoie de panouri cu Ompp 1!O X 2(O pentru incarcarea bancului de baterii la 24O avem nevoie de panouri cu Ompp 34O X 4(O pentru incarcarea bancului de baterii la 4'O avem nevoie de panouri cu Ompp !2O $!O 3? Hn cazul in care panourile fotovoltaice vor fi umbrite se recomand folosirea panourilor =t+in film? CH/ Cd9e /iamorf mai puţin influenţate de acest fenomen decat panourile cu celule monocristaline sau policristaline care nu functioneaz = sau functioneaz la capacitate redus cele cu mai multe diode de b6pass? dac o celula este umbrit. CIS(CuInSe₂ ):
Celule fotovoltaice sunt fabricate nu cu siliciu dar cu indiuYdiseleniuYcupru &i au un cost mai scazut de producţie. Performantele obţinute in laborator demonstreaz ca pot aMun"e si pan la 1'J fiind una din te+nolo"iile de viitor pentru obţinerea unor panouri eficiente la costuri mici. Panouri fotovoltaice monocristaline:
Celulele fotovoltaice monocristaline sunt fabricate din cristale de siliciu orientate si sunt cele mai scumpe. Culoarea lor este albastruinc+is uniform. Performanţele lor adic capacitatea de a transforma ener"ia luminii solare in ener"ie electric este mai mare si variaz intre 15 si 23J. Panouri fotovoltaice policristaline:
Celulele fotovoltaice policristaline sunt fabricate din cristale de siliciu non $
orientate cu cost mediu. Culoarea lor este albastr cu accente de ar"intiu. Performanţele lor adic capacitatea de a transforma ener"ia luminii solare in ener"ie electric este medie intre 1( si 1'J. Panouri fotovoltaice din siliciu amorf:
Celulele fotovoltaice sunt fabricate din siliciu noncristalin cele mai ieftine. Culoarea lor poate fi de asemenea transparent. Performanţele lor sunt cele mai mici intre 5 si 1(J. Particularitatea acestui material este fle-ibilitatea sa. Panourile fotovoltaice din siliciu amorf pot fi fabricate in foi fle-ibile. ner"ia electric este produs atat timp ct panoul este e-pus la lumin. %aterialele din care sunt fabricate celulele solare sunt semiconductoare si au o durat de viata de cel putin 2( de ani. Randamentul panourilor solare va scadea in timp. Ritmul de scadere in timp al randamentului este "arantat de fiecare producator de panouri solare. *zura panourilor este data de mediul inconMurator si modalitatea de montaM a acestora. Hn ultimul timp celulele solare CH/ si Cd9e au inceput sa fie disponibile pe piaţa in cantitaţi reprezentative.
E%i$ienta $elul&r s&lare %onocristaline Policristaline morfe Cadmium teluride
151' J 1315 J 5' J ! J
'
II.SISTEME CU CELULE FOTOVOLTAICE ".*.=es$rierea $elulei Pentru a avea ener"ie electrica de la soare aveţi nevoie de un panoul solar ce are o celula solara sau mai multe celule. Celula solar absoarbe o parte din particulele de lumin ce cad pe aceasta numite si fotoni. Fiecare foton contine o cantitate mica de ener"ie. tunci cand un foton este absorbit acesta elibereaz un electron din materialul celului solare. #eoarece fiecare parte a celulei solare este conectat la un cablu un curent va trece prin acesta. Celula va produce electricitate ce poate fi folosit instantaneu sau inma"azinata in acumulatori.
1. :umina =fotoni? 2. /uprafaţa frontal 3. /trat ne"ativ 4. /trat izolator 5. /trat pozitiv !. /uprafaţa posterioar
".".Maleriale >i $alitatea l&r ? a STICLA 8GLASS: Z asi"ur o e-celent transmisie luminoas ceea ce inseamn mai multa ener"ie electric. Z opţional se monteaz sticla antirefleZ performanQele la incarcare mecanic sunt foarte bune 54(( Pascal Z este certificat /PF*1
Sti$la antireflectorizant este realizat in te+nolo"ie nanometric. Hn condiţiile de iradiere solar normal transmisia este cu 2J mai mare dect la sticla normal. ficienţa panoului a
crescut astfel ,nct producţia de ener"ie este cu 4J mai mare. *niformitatea acoperirii este perfect. #urat de viaQ depa&e&te 25 de ani si este usor de curaţat.
b N d FOLIA EVA 8EVA: Z asi"ur o e-celent transmisie luminoas ceea ce inseamn mai mult ener"ie electric. Z "elul folosit este de foarte bun calitate asi"urnd o bun rezistenţ la descuamare si o incapsulare "arantat. Z rezistenQ bun la uzur provovcat de radiaţiile ultraviolete Z certificat 9*O N *:
F&lia EVA are o rezistenţ e-celent la imbatranire calitaţile ei X incapsulare performant rezistenţa la in"albenire X fiind "arantate pentru 25 ani c CELULELE 8CELL: Z ficienQ e-celent Qi fiabilitate pe termen lun" Z PerformanQ bun ,n condiQii de temperatur ,nalt Qi radiatie solara scazut. Z verificate 1((J in linia de montaM cu ec+ipamente de electroluminiscenQ =:? testat Z 9oleranQ pozitiv pentru fiecare panou Z certificat 9*O
CELULE sunt de ,nalt calitate performanta lor fiind "arantat inclusiv in lumin slab. /unt "arantate impotriva fenomenului PH#. e FOLIA SPATE 8/AC@SHEET: Z folie de ,ncapsulare Qi protecQie bazata pe 9edlar Z aderenQ e-celent Qi stabilitate la radiaţiile ultraviolete 1(
Z certificat 9*O N *: Z lb N 8e"ru N 9ransparent opQional
F&lia /AC@SHEET este un produs "arantat de 3% sau F*IHFH:% cu o bun durabilitate si rezistenţ la imbatrnire si in"albenire. f RAMELE 8FRAME: Z aluminiu anodizat N electrostatic ,nseamn protecQia durabil in mediu salin Z profil unic proiectat sa asi"urare o bun rezistenţ la incarcari mecanice e-treme Z r"intiu N 8e"ru culoari disponibile
RAMELE sunt rezistente la ceaQ salina Qi amoniac. #esi"nul este unic asi"urnd o ,ncrcare de '(((pa. si"ur o instalare usoar. " CUTIA =E CONEIUNI 8BUNCTION /O: Z diodele de b6pass care asi"ur protecţia panoului sunt de fiabilitate ridicat. Z conectorii sunt compatibili cu standardele mondiale Z performanQa e-celent la eliminarea a cldurii din interior Z "rad de protecQie HP!5 sau HP!$ Z testate la foc Z certificat 9*O N *:
CUTIA =E CONEIUNI este realizat din PP de foarte bun calitate din Iaponia si prezint un desi"n industrial e-celent.
".3. Cara$teristi$ile $elulei %&t&'<ai$e Caracteristicile principale ale celulei fotovoltaice sunt caracteristica ampervolt I(U) sau voltamper U(I) Qi caracteristica de putere P(U). Curentul ,n circuitul e-terior I se determin ca diferenQa dintre curentul fotovoltaic Is Qi curentul diodei Id:
S −¿ I O
[ ( ) ] exp
eU kT
−1
=23?
I = I S − I D = I ¿
cuaQiei 2.3 ,i corespunde sc+ema ec+ivalent simplificat a celulei fotovoltaice reprezentat ,n fi"ura 2.2 a. #ac se Qine seama de rezistenQa Ri de scur"eri prin izolaQia celulei fotovoltaice Qi de Rs a elementelor conectate ,n serie se poate ,ntocmi o sc+em ec+ivalent complet a celulei fotovoltaice =fi"ura 2.2 b?. Cu te+nolo"iile moderne se obQin celule cu Ri Qi Rs [ ( ,nct sc+ema ec+ivalent simplificat este satisfctoare. 11
a?
b?
Fi". 2.2 X /c+eme ec+ivalente ale celulei fotovoltaice a X simplificat\ b X complet\
c?
d?
Fi". 2.2 X /c+eme ec+ivalente ale celulei fotovoltaice cd X caracteristicile celulei
Puterea electric cedat sarcinii R a unei celule fotovoltaice este
{ [ ( )] } eU
exp
P =UI =U I S − I O
kT
−
1
=2.4?
Oaloarea ma-im a acestei puteri se obQine ,ntrun punct % al caracteristicii curenttensiune ale crui coordonate sunt rezultate din condiQia dPNd*](: U M =U O − U T −ln
I M = I S
( ) 1+
I O
(
1+
U M U T
)
=2.5?
U M
I S U M + U T
=2.!?
*9 ] 9Ne.
12
Pentru o sarcin pasiv valoarea optim a rezistenQei sarcinii va fi R M =
U M
I M
=2.$?
"..Para#etrii $elulel&r %&t&'<ai$e Productorii de celule fotovoltaice indic ,n cartea te+nic a produsului parametrii ridicaQi ,n condiQii standard RadiaQia solar "lobal pe suprafaQa celulei ; ] 1((( ANm2\ 9emperatura celulei 9C ] 25(C\ %asa convenQional de aer % ] 15
Ln mod obli"atoriu ,n cartea te+nic se prezint curentul de scurt circuit Isc\ tensiunea de mers ,n "ol U0\ puterea ma-imal sau critic Pc\ tensiunea Qi curentul ,n punctul critic UM Qi IM . Pe ln" aceQti parametri pot fi indicaQi suplimentar factorul de umplere FF randamentul modulului PO temperatura normal de funcQionare a celulei 8)C9 coeficienQii de variaQie a tensiunii de mers ,n "ol Qi a curentului de scurtcircuit cu temperatura.
Curentul )e s$urt $ir$uit . /e obQine la scurtcircuitarea bornelor sarcinii R din fi"ura 2.2. Pe caracteristica I-U acestai punctul cu coordonatele U0! IIsc. #in e-presia 2.3 pentru U ]( obQinem Isc Is. Puterea furnizat este e"al cu zero. Tensiunea )e #ers Dn 0&l. Corespunde punctului de pe caracteristica I-U cu coordonatele I0! UU0. Puterea debitat ,n acest punct este e"al cu zero. 9ensiunea de mers ,n "ol poate fi determinat din relaQia 2.3 pentru H]( U O −
kT e
ln
I S + I 0 I 0
≈
kT e
ln
I S I 0
=2.'?
Puterea $riti$ă sau #a7i#ală . ste produsul curentului la tensiunea ,n punctul M a caracteristicii I-U . Ln en"lez acest parametru se nume ște pea" po#er și se noteaz P C Pc = U M ∙ I M
=2.?
Fa$t&rul )e u#plere . /e determin ca raportul dintre suprafeQele dreptun"+iurilor )*%%H% Qi )*(Hsc sau FF =
U M I M U 0 I SC
=2.1(?
de unde P C = FF ∙ U 0 ∙ I SC
=2.11?
Factorul de umplere este msura calitQii celulei PO. Cu ct este mai mic rezistenQa intern a celulei PO cu att FF este mai mare. #e obicei FF ^ ($. 13
Ran)a#entul $elulei sau #&)ulului PV . /e determin cu raportul puterii "enerate de celula sau modulul PO ,n punctul optimal de funcQionare % la o temperatur specificat ctre puterea radiaQiei solare P C
ɳ =
A ∙G
=2.12?
unde PC este puterea livrat ,n A\ $ este suprafaQa celulei sau modulului ,n m\ % X radiaQia "lobal incident pe suprafaQa celulei sau modulului ,n ANm 2 . Te#peratura N&r#ală )e Fun$ ți&nare a Celulei . Corespunde temperaturii celulei PO la funcQionare ,n "ol la temperatura mediului de 2( (C radiaQia "lobal de '(( ANm2 Qi viteza vntului mai mic de 1 mNs. Pentru celule uzuale 8)C9 se situeaz ,ntre 42 Qi 4! (C. #ac cunoaQtem 8)C9 putem determina temperatura celulei &C ,n alte condiQii de funcQionare caracterizate de temperatura mediului &$ Qi radiaQia "lobal %:
(
T C =T A +
NOCT − 20
0.8
)
∙G
=2.13?
".5.Orientarea ra4ei )e lu#ină Raza luminoasa parcur"e o linie dreapt de la /oare spre Pamnt. :a intrarea in atmosfera Pamntului o parte din lumina se impra&tie iar o parte aMu"e la sol intro linie dreapt. ) alt parte a luminii este absorbit de atmosfer. :umina ce sa impra&tiat in atmosfer este ceea ce noi numim lumina difuz sau radiaţie difuz. Raza de lumina ce aMun"e pe suprafaţa solului fara sa fie imprastiat este denumit radiaţie direct. Radiaţia solar direct este cea mai cunoscut si simţit ,n mod direct de catre oameni. 1. direct 2. absorbţie 3. refle-ie 4. indirect
".+.Un0,iul )e in$linare. 14
/oarele traverseaz cerul de la est la vest. Panourile solare au un randament mai mare dac sunt orientare perpendicular cu /oarele la miMlocul zilei cand intensitatea luminoas este cea mai mare. %aMoritatea sistemelor solare sunt montate pe acoperis pe un cadru metalic avnd o poziţie fi- neputnd sa urmareasc /oarele pe durata zilei. *n"+iul dintre planul orizontal si panoul solar este numit un"+i de inclinare. #eoarece Pamntul se rote&te in Murul /oarelui e-ist variaţii &i ,n funcţie de anotimpuri. /oarele nu va aMun"e in acela&i un"+i solul ca iarn si var. Poziţia panourilor pe timp de vara este mai orizontalU dect pe timp de iarn. cest poziţie ar dezavantaMa producţia de ener"ie pe timpul iernii asa ca se va face un compromis intre cele doua situaţii. Pentru fiecare latitudine e-ist un un"+i de inclinaţie optim. 8umai in zonele foarte apropiate de cuator panourile pot avea un un"+i de inclinaţie aproape de zero.
1. radiaţie solar pe timp de iarna 2. radiaţie solar pe timp de var
Un'iul optim pe timp de iarn si var
#eviaţii de 5 "rade de la un"+iul optim au un efect minor asupra producţiei de ener"ie electric. #iferenţele datorate condiţiilor meteorolo"ie au un efect mai important asupra sistemului fotovoltaic. Pentru sistemele independente un"+iul de inclinare se poate ale"e in funcţie de necesarul de ener"ie electric dintro anumit lun.
".(.Mi>$area S&arelui . Cantitatea de ener"ie radiant transmis de soare variaz ,n spaţiu &i timp =odat cu sc+imbarea anotimpurilor?. Cantitatea de ener"ie captat la orice locaţie dat depinde de un"+iul de elevaţie =_? &i de un"+iul de azimut =`? din acel loc &i din acel moment.
15
Un'iul de eleva*ie este cel mai ridicat ,n timpul solstiţiului de var &i cel mai sczut ,n
timpul solstiţiului de iarn.
Un'iul de a+imut indic direcţia soarelui ,n plan orizontal faţ do direcţie de referinţ
=de obicei faţ de sud?.
/c+imbarea poziţiei soarelui pe cer de la or la or &i de la zi la zi poate fi determinat pe o dia"ram a traiectoriei soarelui =Fi"ura 1(.3?. Poziţia soarelui ,n raport cu orizontul este e-primat prin un"+iul de azimut =a-a orizontal? &i un"+iul de elevaţie =a-a vertical?.
Poziţia zilnic a soarelui pe cer apro-imativ ,n ziua 21 a fiecrei luni este indicat cu aMutorul a &apte curbe orizontale. Cea mai de sus corespunde lunii iunie =solstiţiu de var? iar cea de Mos lunii decembrie =solstiţiu de iarn?. Celelalte cinci corespund fiecare la dou luni\ de e-emplu linia pentru 2( martie este aceea&i cu cea pentru 23 septembrie. :iniile verticale ,mpart curbele desenate ,n ore corespunztoare ,ntre"ii zile.
1!
III.MO=UL =E CONECTARE AL CELULELOR FOTOVOLTAICE 1$
9ensiunea "enerat de o celul PO cca (.5 O nu este suficient pentru aplicaţiile uzuale. Pentru a obţine tensiuni mai mari se lea" in serie mai multe celule fotovoltaice identice. #aca sunt necesari curenti mai mari celulele PO se conecteaz ,n paralel. Hn anumite aplicatii se folosesc cone-iuni mi-te =serie paralel? de celule PO. Hn mod uzual "eneratoarele PO sunt formate prin interconectarea mi-t a mai multor module PO. *n modul PO este format prin conectarea serie a unui numar corespunzator de celule PO identice. /pre e-emplu modulul DP 5'5 al firmei Dritis+ Petroleum consist dintro cone-iune serie de 3! de celule PO in timp ce modulul %22( al firmei /olarEat din !( de celule inseriate. ;eneratoarele PO de mic putere se realizeaz prin interconectarea serie a mai multor module PO confi"uraţie numit &ir sau strn" de module PO. ;eneratoarele PO de putere mai mare sunt constituite din mai multe siruri conectate in paralel. Pentru o "rupare mi-t de celule sau module PO se mai folosesc si denumirile de arie tablou sau matrice fotovoltaic =prin traducerea termenului en"lezesc arra6? sau "enerator PO. -emple
3.*.C&ne7iunea serie . Hn cazul cone-iunii serie conform primeiteoreme a lui irc++off curentul debitat de fiecare celula PO este acela&i e"al totodat cu cel de la bornele "ruparii. 9ensiunea la bornele "ruparii conform teoremei a doua a lui irc++off este e"al cu suma al"ebric a tensiunilor la bornele fiecarei celule individuale. Hn consecinţun punct al caracteristicii H* rezultante se obţine ale"nd arbitrar o valoare a curentului si insumnd tensiunile pe celule =fi"ura 3.1?.
1'
Fi" 3.1 Cone-iunea serie
Celule PO cu caracteristici H* identice C+iar dac celulele sunt constructiv identice curentul debitat de ele depinde esential de iradianta ; poate crea incazul cone-iunii serie unele probleme. Oom e-amina pentru inceput cazul mai multor celule constructiv identice iluminate identic. Pentru simplitatea e-punerii celulele sepresupun ideale=fi"3.2?.Hn acest caz curentul debitat in circuitul e-terior este e"al cu cel al oricreia din celuleiar tensiunea la bornele "ruparii este de 8s ori mai mare dect a uneia din celule =8s fiind numarul celulelor inseriate?. 8imic deosebit nu este de semnalat.
Fi"3.2.Celule PO cu caracteristici H* identice
Celule PO cu caracteristici H* diferite ) situaţie special poate apare dac celule POconstructiv identice sunt iluminate diferit. ceast situaţie apare dac una din celule este umbrit sau este murdarit. 1
Hn acest caz curenţii de scurtcircuit ai celulelor sunt diferiţi ceea ce inseamn curenţi la bornele fiecarei celule diferiţi. Cone-iunea serie impune ins acela&i curent la bornele fiecarei celule. #rept urmare o parte din curentul de scurtcircuit mai mare =cel al celulei mai iluminate? se va inc+ide prin dioda paralel asi"urand e"alitatea dintre curentul la bornele acesteia si cel de la bornele celulei umbrite. Curentul "ruparii serie va fi deci impus de celula care are curentul de scurtcircuitcel mai mic =celula umbrita?. Hn acest fel o sin"ur celula umbrit limiteaz curentul intre"ii "rupari si implicit a puterii "enerate de aceasta.
Fi"3.3.Celule PO cu caracteristici H* diferite.
/e observ un lucru e-trem de important pentru tensiuni la borne mici =sub (.54 O in e-emplul considerat? puterea debitat de celula umbrit este ne"ativ adic cu sensurile de referinţ adoptate pentru * si H este de fapt absorbit. Pe de alt parte puterea total este pozitiv. Prin urmare in acest interval de tensiuni celula umbrit consum putere de la celula mai iluminata. 8u numai ca nu produce ener"ie celula umbrita consum &i o parte din ener"ia produs de celelalte celule.
Punctul fierbinte =+ot spot? al unei "rupari serie #in cele prezentate rezult ca pentru valori mici ale tensiunii la bornele "ruparii serie in particular in re"im de scurtcircuit celula umbrit consum ener"ie de la celelalte celule. ceast ener"ie se disip sub forma de caldur conducnd la 2(
supra,ncalzirea celulei umbrite adic la apariţia unui punct fierbinte =+ot spot? al "ruparii. #ac "ruparea conţine multe celule ener"ia care trebuie disipat este mare iar supra,ncalzirea celulei umbrite poate conduce la distru"erea acesteia si scoaterea din funcţiune a modulului. Fi"ura de mai Mos prezinta cateva celule distruse in acest mod.
#ioda b6pass Pentru a evita supra,ncalzirii celulei umbritein paralel cu fiecare celula se conecteaz o diodanumit dioda b6pass care in re"im normal este polarizat invers &i deci nu intervine in funcţionarea celulei. #ac ne referim la e-emplul precedentconsidernd cazul cel mai defavorabil adic bornele "ruparii scurtcircuitate observm c tensiunea care polarizeaz invers celula umbrit polarizeaz direct dioda b6pass conectat pe aceasta. Hn acest modcurentul "ruparii care altfel ar fi fost stran"ulat de celula umbrit o ocole&te prin dioda b6pass.Hn plus dioda b6pass limiteaz si tensiunea pe dioda umbrit &i implicit puterea disipat de aceasta.
Fi" 3.4.#ioda b6pass
8u este ins economic sa se conecteze cate o dioda b6pass in paralel cu fiecare celula a modulului. ) soluţie de compromis o reprezint conectare unei diode b6pass in paralel cu un "rup de celule de re"ula format din Mumatate din celulele modulului. 21
#ac una din celule unui "rup devine nefunctional dioda b6pass conectat in paralel cu "rupul respectiv devine polarizat direct suntnd astfel celula defect.
3.".C&ne7iunea paralel a $elulel&r %&t&'<ai$e Hn cazul cone-iunii paralel toate celulele au aceia&i tensiune la borne iar curentul "ruparii este suma curenţilor la bornele fiecarei celule individuale.*mbrirea sau defectarea uneia din celulele "ruparii nu scoate din funcţiune "ruparea a&a cum se intmpl in cazul cone-iunii serie. 8u sunt a&a dar necesare masuri de protecţie suplimentare. *n punct al caracteristicii H* a "ruparii se obţine ale"nd arbitrar o valoare pentru tensiunea la borne si apoi insumnd curenţii corespunzatori ai celulelor individuale.
fectul umbririi asupra distributiei puterii "enerate de celulele cone-iunii paralel #esi efectul umbririi unora din celulele cone-iunii paralel nu are efectul dramatic ca in cazul "ruparii serie pierderile de putere in rezistenţele serie si paralel influenţeaz modul in care este distribuiţia puterea "enerat pe celulele "ruparii. Fie spre e-emplu dou celule identice le"ate in paralel care intrun caz =? sunt iluminate identic cu ; ] 5(( ANm2 fiecare iar intrun alt caz =D? una din celule este in intuneric complet =; ] (? iar cealalt prime&te o iradiant ; ] 1((( ANm2. Puterea electric "enerat in cele doua cazuri difer fiind mai mare in cazul distribuţiei uniforme a iluminarii celulelor .
22
IV.ECHIPAMENTELE CE COMPUN ANSAM/LUL CU CELULE FOTOVOLTAICE .*.Stru$tura unui siste# *n sistem fotovoltaic converte ș te ,n mod direct ener"ia solar ,n ener"ie electric pe baza efectului fotovoltaic ș i o aduce la parametrii electrici ceru ț i de consumator. ste evident c panourile fotovoltaice nu produc ener"ie dect ,n prezen ț a soarelui. 8oaptea ș i ,n zilele ,nnorate ener"ia produs este zero sau ne"liMabil. Pentru a asi"ura continuitatea alimentrii cu ener"ie electric a consumatorilor atunci cnd situa ț ia o cere este necesar o unitate de stocare a ener"iei. Cel mai adesea acest lucru este realizat folosind baterii de acumulatoare. Pentru a prelun"i durata de via ț a bateriilor de acumulatoare acestea nu trebuie supra,ncrcate sau descrcate sub o anumit limit. Ln acest scop sistemul trebuie s con țin un re"ulator =sau controller? de ,ncrcare montat ,ntre "eneratorul fotovoltaic ș i bateriile de acumulatoare. Re'ulatorul de ,ncrcare con ț ine
de obicei ș i o diod de protec ț ie la descrcare care previne descrcarea bateriei pe timp de noapte prin "eneratorul fotovoltaic. *n re"ulator de ,ncrcare bun consum foarte pu ț in ș i are o tensiune de mers ,n "ol sczut ceea ce proteMeaz acumulatorul s nu se descarce. 23
Un controller MPP& =%a-imum
PoEer Point 9racer? sau ,n traducere controller cu urmrirea punctului de putere ma-im este un convertor c.c.c.c. care optimizeaz perfect transferul de ener"ie ,ntre aria de panouri solare fotovoltaice ș i bateria de acumulatoare. cest controler face o analiz a tensiunii de ie&ire a panourilor solare ș i o compar cu cea a bateriei. Ln urma acestei analize dispozitivul decide care este puterea optim care trebuie transferat spre acumulatoare ,n a ș a fel ,nct s fie transferat curentul ma-im ,n amperi dinspre panourile solare spre bateria de acumulatoare. Cu aMutorul acestui dispozitiv se ob ț ine o cre ș tere tipic ,ntre 2(J ș i 45J a cantit ț ii de ener"ie transferat ,n perioada de iarn ș i ,ntre 1(J 15J ,n perioada de var. C ș ti"ul ener"etic depinde de condi ț iile meteo temperatur starea de ,ncrcare a bateriei ș i al ț i factori. Panourile fotovoltaice "enereaz tensiune ș i curent continuu. %ul ț i consumatori necesit ,ns curent alternativ. /istemul fotovoltaic trebuie astfel s con ț in un invertor =convertor c.c.c.a.?. transform ener"ia de c.c. "enerat de modulele PO sau stocat ,n acumulatoare ,n ener"ie de c.a. de o frecven ț prestabilit. Invertorul
#eMa e-ist convertoare care asi"ur parametrii de calitate ai ener"iei electrice la acela ș i nivel ca ș i re ț elele publice frecven ț ș i tensiune stabil =22(O 5(@z? forma sinusoidal a undei de tensiune ș i curent. /istemele fotovoltaice se divizeaz ,n dou cate"orii principale conectate la re ț ea ="ridconnected? sau care func ț ioneaz ,n paralel cu re ț eaua electric public ș i sisteme PO autonome =standalone PO s6stem?.Ln fi"ura 4.1 este prezentat structura unui sistem fotovoltaic.
Panou fotovoltaic
Re"ulator de ,ncrcare
Hnvertor c.c.c.a.
24
Consumator de ener"ie electric
cumulatori
Fi". 4.1. /tructura unui sistem fotovoltaic
.".C&n%i0urații ale siste#el&r Panourile solare pot fi conectate ,n serie sau paralel la un invertor monofazat sau trifazat. Prin intermediul invertorului se realizeaz conversia din ener"ie continu produs de panourile solare pe baza efectului fotovoltaic ,n ener"ie alternativ pentru conectarea la re ț ea sau la consumatori reziden ț iali. Ln fi"urile de mai Mos sunt prezentate principalele confi"ura ț ii ale sistemelor fotovoltaice. Panourile solare pot fi conectate ,n paralel la un invertor trifazat central caracteristic sistemelor solare de puteri mari =1(X25( A? =vezi fi"ura 4.2?. ceasta a fost cea mai frecvent confi"ura ț ie de instalare a sistemelor fotovoltaice ,n trecut. vantaMul principal al acestei sc+eme ,l constituie costul redus datorit prezen ț ei unui sin"ur invertor. #ezavantaMul maMor al acestei confi"ura ț ii este faptul c pierderile de putere pot fi mari din cauza nepotrivirii dintre modulele fotovoltaice ș i prin prezen ț a diodelor anti retur. *n alt dezavantaM este faptul c aceast confi"ura ț ie are un sin"ur punct de e șec =invertorul? \ prin urmare sistemul are o fiabilitate sczut.
25
Fi". 4.2 /istem fotovoltaic cu invertor central
) alt solu ț ie dedicat aplica ț iilor reziden ț iale de puteri medii =15X5 A? con ț ine cte un invertor pentru fiecare ș ir de panouri solare. Principalul avantaM al acestei topolo"ii este c nu e-ist pierderi asociate cu diode antiretur ș i %PP9 poate fi aplicat pentru fiecare ș ir. cest lucru este util mai ales cnd mai multe ș iruri de panouri solare au orientri diferite. #ezavantaMul la aceast confi"ura ț ie este costul crescut din cauza invertoarelor suplimentare.
Fi". 4.3 /istem fotovoltaic cu invertoare individuale pe fiecare ș ir
2!
9ensiunea de intrare ce provine de la ș irurile de panouri solare poate fi suficient de mare pentru a evita necesitatea amplificrii de tensiune. Cum pre ț ul modulelor PO este ,nc destul de mare o amplificare de tensiune poate fi realizat pentru a necesita mai pu ț ine module conectate ,n sistem. ) astfel de confi"ura ț ie este ilustrat ,n fi"ura 4.4. Fiecare ș ir de panouri solare are conectat cate un convertor c.c.c.c. pentru cre ș terea tensiunii. *n invertor c.c.c.a. este apoi utilizat pentru alimentarea consumatorilor .
Fi". 4.4 /istem fotovoltaic cu convertor c.c.c.c. ș i invertor central
treia solu ț ie con ț ine invertoare de tip modul de mic putere =5(X1'( A? fiecare panou avnd propriul invertor. vantaMele acestui tip de sistem este faptul c este u șor de adu"at module PO deoarece fiecare modul are propriul su invertor c.c.c.a. -ist de asemenea o ,mbunt ț ire "eneral ,n fiabilitatea sistemului deoarece sistemul nu prezint un sin"ur punct de e ș ec ca ș i sistemul din fi"ura 4.2. ste o topolo"ie e-trem de fle-ibil ș i confi"urabil cu toate acestea aceste confi"ura ț ii sunt ,n continuare mai costisitoare dect sistemele conven ț ionale PO din cauza numrului crescut de invertoare. ceast confi"ura ț ie pare a fi o op ț iune promi ț toare pentru viitor deoarece panourile PO pot fi folosite ca dispozitive plu"in ș i instalarea este facil nefiind nevoie de persoane cu cuno ș tin ț e de specialitate.
2$
Fi". 4.5 /istem fotovoltaic cu invertoare de tip modul
.3 Siste#e )e st&$are a ener0iei 9oate te+nolo"iile de baterii discutate ,n capitolul anterior produc curent continuu care trebuie s fie convertit ,n curent alternativ pentru a putea fi conectate la consumatori. Dateriile sunt ,n "eneral conectate ,n diferite confi"ura ț ii ,n serie ș iNsau paralel pentru a atin"e tensiunea ș i curentul de ie ș ire necesar. Hnvertoarele si convertoarele c.c.c.c. sunt deseori necesare pentru sistemele de stocare ,n vederea furnizrii ener"iei necesare ctre consumatorii reziden ț iali. spectul esen ț ial al electronicii de putere pentru sistemele de stocare a ener"iei ,l constituie faptul c trebuie s fie bidirec ț ionale astfel ,nct s fie posibil acumularea de ener"ie =,n timpul ,ncrcrii? ș i furnizarea de ener"ie =,n timpul de descrcrii?. /pre deosebire de invertoarele folosite la panourile fotovoltaice invertoarele pentru sistemele de stocare a ener"iei nu iau ,n considerare puterile de vrf. le ofer doar nivelul de putere cerut de sistem care poate fi sus ț inut de ctre baterie. Cea mai simpl confi"ura ț ie a unui sistem de stocare a ener"iei const dintro baterie de acumulatoare ș i un invertor c.c.c.a.=fi"ura 4.!?. Curentul la puterea ma-im determin capacitatea invertorului care poate fi monofazat sau trifazat ,n func ț ie de cerin ț ele consumatorilor.
2'
bateri bateri
baterie baterie
bateri
baterie
Fi". 4.! /istem de stocare a ener"iei cu un sin"ur invertor
*n convertor c.c.c.c. este adesea folosit ,ntre bateria de acumulatoare ș i invertor dup cum se arat ,n fi"ura 4.$. Convertorul trebuie s fie bidirec ț ional ș i este ,n principal utilizat pentru a produce suficient tensiune pentru invertor astfel ,nct amplitudinea necesar a tensiunii alternative s poat fi "enerat.
Fi". 4.$ /istem de stocare a ener"iei cu invertor și convertor c.c.c.c.
2
V.APLICAŢII CU PANOURI FOTOVOLTAICE
3(
31
VI. /I/LIOGRAFIE www.et.upt.ro www.electricalc.ro www.diaspora-stiintifica.ro www.solar-technology.ro www.energyonline.ro www.energie-eco.eu www.altius fotovoltaic.ro www.dossolarstrom.ro www.expert-electrice.ro www.austroinstal.ro
EEE.business24.ro EEE.Eallstreet.ro EEE.focusener"etic.ro
32
