1. INTRODUCERE Panourile fotovoltaice Conversia energiei fotonilor în energie electric ă
se realizează cu ajutorul celulelor fotovoltaice. Mai multe celule montate şi laminate între folii de acetat de vinil cu transparenţă înaltă (EVA) şi sticlă cu conţinut redus de fier formează un panou fotovoltaic, care este elementul principal din compunerea unui sistem solar de producere a energiei
electrice. Panoul fotovoltaic mai este cunoscut şi sub denumirea de modul fotovoltaic sau panou solar fotovoltaic. fotovoltaic.
Panourile fotovoltaice pot fi montate în funcţie de condiţiile specifice fiecărui proiect, pe acoperişul şi faţadele clădirilor, pe terase, la sol, cu sistem de urmărire a poziţiei soarelui sau fără, integrate în alte produse, etc. Sunt realizate cu rama de aluminiu, fără rama sau laminate pe un substrat flexibil şi sunt disponibile într -o gamă variata de mărimi şi valori ale puterii nominale de ieşire, de la câţiva waţi până la sute de waţi.
1.1. Tipuri de module fotovoltaice
În funcţie de tehnologia de fabricaţie, panourile fotovoltaice pot fi realizate din celule de siliciu monocristalin, celule de siliciu policristalin şi celule amorfe. În ultima perioadă, faţadele din sticlă ale clădirilor au fost înlocuite cu panouri solare fotovoltaice cu celule amorfe, care deşi au un randament de aproximativ 2,5 ori mai mic decât al celor cu siliciu cristalin, au un coeficient de temperatură a puterii de ieşire mai bun şi se comportă mai bine decât acestea la temperaturi ridicate şi la iluminare indirectă. Panouri fotovoltaice monocristaline:
Panourile fotovoltaice monocristaline au cel mai bun
Fig.1. Panou monocristalin
randament (eficienţă) de conversie a luminii în energie electrică şi cel mai ridicat preţ de comercializare ca urmare a procesului tehnologic de fabricaţie. Trebuie bine precizat că eficienţa sau randamentul se referă la cantitatea de energie electrică obţinută pe metru pătrat şi nu la eficienţa economică sau de exploatare. 1
cu atât costurile de producţie sunt mai mari şi implicit preţul de comercializare pe unitatea de putere creşte. Garanţia pentru puterea de ieşire mai mare de 80% este de cel puţin 25 de ani. Cele mai performante panouri fotovoltaice monocristaline au lipiturile realizate pe spatele celulelor "back contacts" şi o eficienţă de aproximativ 18%. Panourile fotovoltaice monocristaline reprezintă cea mai bună opţiune dacă spaţiul disponibil pentru montaj este limitat, capacitatea instalată fiind mai mare cu 3 -4 procente decât în cazul utilizării panourilor fotovoltaice policristaline şi cu 7 -10 procente mai mare decât în cazul utilizării panourilor fotovoltaice amorfe. Cu cât randamentul unui panou este mai mare,
Panouri fotovoltaice policristaline:
Panourile fotovoltaice policristaline sunt cele mai
răspândite şi cele mai utilizate ca urmare a preţului mai scăzut şi a performanţelor similare panourilor fotovoltaice monocristaline. Ele sunt realizate într-o diversitate mare de puteri de ieşire şi au eficienţa (randamentul) pe unitatea de suprafaţă mai scăzută cu Fig.2. Panou fotovoltaic
câteva procente decât panourile fotovoltaice monocristaline.
policristalin
Tehnologia de fabricaţie a panourile fotovoltaice policristaline a fost îmbunătăţită continuu astfel încât eficienţa acestora este astăzi aproximativ egală cu cea a panourilor fotovoltaice monocristaline standard. Garanţia pentru o putere de ieşire mai mare de 80% din valoarea puterii iniţiale este minimum 25 de ani. Dacă nu există limitări de spaţiu, panouril e fotovoltaice policristaline sunt cea mai bună soluţie pentru toate tipurile de aplicaţii: putere mică, medie şi mare, oferă performanţe aproximativ egale cu ale panourilor monocristaline, au un cost mai scăzut şi cea mai mare arie de răspândire. Panouri fotovoltaice amorfe :
Panourile fotovoltaice amorfe sunt de generaţie mai noua şi mai puţin răspândite decât cele cu celule din siliciu cristalin. Procesul de producţie al celulelor presupune depunerea unor straturi succesive de material semiconductor având grosimea de Fig.3. Panou amorf 2
ordinul nanomicronilor ce reduce astfel cantitatea de material necesar la fabricare şi costul . Panourile fotovoltaice amorfe sunt realizate prin încapsularea celulelor între două straturi de sticlă şi sunt de două ori mai grele decât panourile cu celule din siliciu cristalin, unde încapsularea se face între un strat de sticlă şi unul de tedlar. Panourile fotovoltaice amorfe au un răspuns mai bun la spectrul luminii, acoperind o bandă de lungimi de undă de 2 până la 5 ori mai mare decât spectrul acoperit de celulele cu siliciu cristalin şi se comportă mai bine decât panourile cu siliciu cristalin în condiţii de cer înnorat sau iluminare indirectă. Randamentul panourilor fotovoltaice amorfe este deocamdată mai scăzut decât al celor cu celule din siliciu cristalin, variind între circa 7% pentru panourile cu siliciu amorf şi 13% pentru panourile celelalte.
1.2. Sisteme de orientare pentru modulele fotovoltaice Sistemele de orientare, denumite şi sisteme de
tracking sau trackere pentru module fotovoltaice utilizează mecanisme controlate, care permit maximizarea radiaţiei directe receptată normal pe un modul. Sistemele mecanice de orientare pot fi cu o singură axă sau două axe de orientare şi pot ajunge la un câştig energetic de 20% -50%. Scopul sistemelor de orientare este de a minimiza unghiul de incidenţă dintre raza solară şi normala la modulul fotovoltaic. Se întâlnesc trei tipuri de sisteme de orientare solară : sistem ecuatorial, sistem pseudoecuatorial şi sistem azimutal. 1. Sistemul ecuatorial (Fig.4.4): sistemele de orientare ecuatoriale poziţionează panourile solare după unghiul orar (ω - mişcarea diurnă) şi după declinaţie (δ - mişcarea de elevaţie,
sezonieră). Sistemele de orientare ecuatoriale au axa de rotaţie diurnă paralelă cu axa de rotaţie a Pământului, iar cea de-a doua axă – cea de elevaţie - poate fi ajustată, atât manual, cât şi automat, zilnic sau sezonier. 2. Sistemul pseudo-ecuatorial (Fig.5.): realizează orientarea după aceleaşi axe ca şi sistemele de tip ecuatorial, deosebirea constând în ordinea înserierii mişcărilor. Prima cuplă de la bază este destinată mişcării de elevaţie, iar cea de a doua cuplă, mişcării diurne. Acest tip de orientare se pretează cel mai bine la platforme de dimensiuni mici sau medii.
3
3. Sistemul azimutal (Fig.6.): în
raport cu sistemul azimutal, poziţia razei solare este descrisă prin unghiurile: azimut şi altitudine. Sistemul de orientare de tip azimutal rezultă prin înserierea celor două mişcări unghiulare în ordinea: mişcarea diurnă (azimutală) ca mişcare primară şi cea de elevaţie (altitudinală) ca mişcare secundară.
Fig.4. Sistem ecuatorial
Fig.5. Sistem pseudo-ecuatorial
Fig.6. Sistem azimutal
2. Descrierea modelului 2.1. Modelarea panourilor fotovoltaice
Număr panouri: N = 6 Dimensiuni panou: L x l x h: 900 x 600 x 60
4
Fig.7. Panou fotovoltaic
Fig.8. Rama panoului
5
Fig.9. Cadru
2.2. Determinarea parametrilor geometrici ai actuatorului 1. Forţa actuatorului:
Factuator = * Ft [N]
Ft = G + Fv [N], unde: G - greutatea (ramă, panou, cadru) Fv – for ţa vântului G = (mcadru + 6*mramă + 6*m panou)*g; [kg] G = (40 + 6*8,02 + 6*19)* 9,8; [kg] G = (40 + 48,12 + 114)* 9,8
G
= 1980,776 [kg]
6
Fv = P*A; [N], unde P – presiunea A – aria cadrului
2
P = *δ*v
; [bar], unde δ = 1,22 kg/m3 şi v = 18 m/s 2
P = *1,22*18 = 197,64 [bar]
2
2
Acadru = L*l = 920*620 = 570,4 mm = 0,57 m
Fv = P*A = 197,64*0,57 Fv = 112,65 [N] Ft = G + Fv = 1980,776 + 112,65 = 2093,426 [N]
Factuator = * Ft = * 2093,426 Factuator = 697,8 [N]
2. Cursa actuatorului:
Formulă de calcul: l1 – l2 = 1164,711 – 618 = 546,711 mm
Fig.10. Determinarea cursei actuatorului 7
2.3. Alegerea actuatorului liniar Alegerea actuatorului liniar s-a f ăcut în funcție de forță și de cursa acestuia.
Fig.11. Actuator
Fig.12. Schemă actuator 8
Fig.13. Tabel specificații actuator
2.4. Proiectarea preliminară (ramă, cadru, stâlp)
Fig.14. Ansamblu panou + ramă
9
Fig.15. Ansamblu panou + ramă + cadru
Fig.16. Stâlpul de susţinere
10
Fig.17. Ansamblul sistemului de orientare cu panouri fotovoltaice
3. Definirea modelului (analiza MEF)
Fig.18. Raport Von Misses 11
Fig.19. Raport Displacement
3.1. Concluzii S-a dorit realizarea unui sitem mecanic de orientare a panourilor fotovoltaice, format din: 6 panouri, cadru, rame, stâlp de sustinere, actuator. Cele 6 panouri au dimensiunea de 900 x 600 x 60, cu o greutate de 19 kg/panou. 0 Unghiul de orientare al sistemului fotovoltaic este de β = 60 , iar pentru realizarea orientării s-a ales un actuator liniar, având cursa minimă de 546,711mm. Materialele alese pentru fiecare componentă sunt urmatoarele: pentru stâlp şi actuator s-a ales oţel, pentru ramă şi cadru aluminiu, pentru panou sticlă. La îmbinarea dintre ramă şi cadru am folosit prindere cu şuruburi. La asamblarea sistemului s-au folosit constrângeri de suprafaţă între panouri şi rame şi între rame şi cadru, constrângeri de cilindricitate la îmbinarea stâlpului de cadru, a actuatorului de stâlp şi cadru şi constrângeri de suprafaţă între actuator şi stâlp, actuator ş i cadru.
12
Asamblarea a fost apoi transpusă în analiză Mef, unde pentru constrângerile de suprafaţă am aplicat Rigid Connection, pentru cele de cilindricitate Pressure fitting, pentru constrângerea actuatorului Rigid Connection. Pentru ca stâlpul sa fie bine ancorat s-a folosit Clamp la baza stâlpului. S-a aplicat forţa gravitaţională de 9.81N asupra stâlpului şi a panoului. Dupa aplicarea forţelor şi a constrangerilor s-a verificat panoul cu ajutorul comenzii Model Checker. Rezolvarea modelului se realizează automat de către soft prin comanda Compute. Câmpul de deplasări se vizualizează prin activarea comenzii Displacement, iar tensiunile echivalente Von Mises prin Stres Von Mises. Din analiza cu elemente finite a regasesc in zona cadrului şi a panoului.
4.
structurii reiese că , tensiunile echivalent maxime se
Memoriu justificativ privind respectarea regulilor de bază ale proiectării constructive
Proiectarea constructivă este acea parte a procesului de proiectare, în care, pornind de la o soluţie de principiu a unui produs, pe baza unor criterii tehnice şi economice şi a unor informaţii specifice, se desfăşoară activităţi până când se obţin reprezentări grafice de detaliu care să conducă, în continuare, la posibilitatea fabricării produsului. Regulile de bază sunt: claritatea, simplitatea, siguranţa. Ele derivă din obiectivele generale, care sunt:
· îndeplinirea funcţiei tehnice; · atingerea fezabilităţii economice; · siguranţa individului şi a mediului. CLARITATEA se manifestă prin lipsa ambiguităţilor de proiectare , uşurând previziunile asupra performanţelor produsului final. SIGURANŢA impune abordarea consistentă a problemelor de rezistenţă, fiabilitate, prevenirea accidentelor şi protecţia mediului. fezabilitatea economică. Un număr redus de SIMPLITATEA garante ază componente şi forme mai simple pot fi realizate mai repede şi mai uşor. 13
BIBLIOGRAFIE
http://www.tehnosat.ro/Produse/Panouri-Fotovoltaice
http://webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2011/rom/HermeneanIoanaSinzian a.pdf
http://www.mecvel.com
14
