UNIVERSITATEA DUNAREA DE JOS GALAIFACULTATEA de INGINERIE ELECTRIC i ELECTRONIC

PROIECT ECHIPAMENTE ELECTROCASNICE

INSTALAII CU CELULE FOTOVOLTAICE

Indrumator

S.l.Dr.Ing.OANCA M.

-2013-

2

Cuprins

I. Generaliti.......21.1.Fabricani de celule solare.......21.2.Perspective...31.3.Certificate verzi...41.4.Protecia mediului41.5.Radiaia solar.....41.6.Cum alegem panourile fotovoltaice.....5

II. Sisteme cu celule fotovoltaice .......72.1.Descriere celul..72.2.Materiale i calitatea lor ....82.3.Caracteristicile celulei...102.4.Parametrii celulei......112.5.Orientarea razei de lumin....122.6.Unghiul de nclinare..132.7.Micarea soarelui..13

III. Modul de conectare al celulelor fotovoltaice..163.1.Conexiunea serie..163.2.Conexiunea paralel...19

IV. Echipamente electrice ce compun ansamblul cu celule fotovoltaice....204.1.Structur sistem fotovoltaic...204.2.Configuraii ale sistemelor fotovoltaice.224.3.Sisteme de stocare a energiei.24

V. Aplicaii cu panouri fotovoltice.26

VI. Bibliografie..28

I. GENERALITI

Ce reprezint energia? Energia este o mrimea fizic care indic capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic cnd trece printr-o transformare din starea sa ntr-o alt stare de referin. Conform legii conservrii energiei, aceasta reprezint o funcie de stare a sistemului fizic ce o caracterizeaz. Astfel lucrul mecanic nu reprezint o form de energie pentru c nu caracterizeaz sistemele fizice, ci transformrile lor, respectiv interaciunea dintre sisteme n cursul transformrii lor.

1.1.Fabricani de celule solare

Germania

Antec Solar Energy|ANTEC SOLAR ENERGY AG , Arnstadt (Thringen) Deutsche Cell GmbH ( SolarWorld AG -Tochter), Freiberg (Sachsen) ErSol|ErSol Solar Energy AG , Erfurt (Thringen) EverQ GmbH , Thalheim (Sachsen-Anhalt) First Solar GmbH, Frankfurt (Oder), (Brandenburg) CSG Solar , Thalheim (Sachsen-Anhalt) Q-Cells|Q-Cells AG , Thalheim (Sachsen-Anhalt) Schott Solar GmbH, Alzenau (Bayern) Shell Deutschland GmbH, Gelsenkirchen (Nordrhein-Westfalen) SULFURCELL Solartechnik GmbH, Berlin Sunways AG, Konstanz (Baden-Wrttemberg)

n afara Germaniei

Advent Solar , Albuquerque (USA) First Solar Inc., Perrysburg (USA) GE Energy - Solar Power (USA) (frher Astropower) Isofoton (Spanien) Kyocera , Kyoto (Japan) Microsol Power Pvt. Ltd. (Indien) Mitsubishi|Mitsubishi Electric , Tokio (Japan) Photowatt (Frankreich) Sanyo , Osaka (Japan) Sharp , Osaka (Japan) - Anteil am Weltmarkt fr Solarzellen ca. 30% Solibro AB, Uppsala (Schweden) SunPower , USA

Alte firme n industria tehnologiei solare

Applied Materials , Santa Clara (USA) Hersteller von Produktionsanlagen fr Solarzellen LPKF Laser & Electronics AG , Garbsen (Germany) Hersteller von Laseranlagen fr die Strukturierung von Dnnschicht-Solarzellen

1.2. Perspective .

n toate rile europene, sistemele fotovoltaice primesc suficient radiaie solar pentru a produce majoritatea, dac nu toat, electricitatea necesar n locuinte. De fapt, n rile din nordul Europei, electricitatea fotovoltaic este mai dezvoltat dect n cele sud europene. n Olanda, Germania i alte ri nord europene, utilizarea energiei fotovoltaice este larg rspndit i se obin progrese rapide datorit sprijinului politic. n aceste ri, micarea antinuclear, problemele cauzate de industrializarea intensiv i de marea densitate a populaiei au condus la creterea contientizrii problemelor legate de mediu. De mult timp, oamenii din aceste ri doresc s utilizeze energii regenerabile. Aceast presiune din partea populaiei a avut un puternic impact politic i, n unele comuniti, cerinele politice formulate n acest sens sunt mai mari dect cele ale populaiei. n Frana, radiaia solar este bun, fiind suficient pentru producerea de energie solar utilizabil att la scar redus (n locuine), ct i la scar extins (centrale electrice). Pn acum, costul instalrii sistemelor fotovoltaice a fost foarte ridicat i, de aceea, energia fotovoltaic nu a fost foarte dezvoltat. Dar, n 2006, s-au stabilit noi tarife pentru a fi primite de persoanele care produc electricitate fotovoltaic i o export n reea i anume 0,30 euroceni/kW pentru sistemele fotovoltaice clasice i 0,55 euroceni/kW cnd panourile solare sunt integrate n cldiri. Timpul de recuperare al investiiei se reduce, ceea ce va da avnt utilizrii instalaiilor fotovoltaice n Franta. n Romnia, potenialul energetic solar rezult din cantitatea de energie provenit din radiaia solar, care n Romnia are o valoare medie evaluat la 1100 KWh/m2/an. Distribuia geografic a potenialului energetic solar prezint cinci zone, din care zona 0 cu potenial de peste 1250 KWh/m2/an, iar zona IV cu potenial sub 950 KWh/m2/an. Radiaia solar cu valori mai mari de 1200kWh/m2/an se nregistreaz pe o suprafa mai mare de 50% din suprafaa total a rii. Utilizarea potenialului energetic solar prin sisteme fotovoltaice se face n principal pentru alimentarea cu energie electric a unor consumatori izolai cu consumuri mici de energie. Potenialul exploatabil prin sisteme fotovoltaice n Romnia este apreciat la 1200 GWh/an. Capacitile energetice noi pe sisteme fotovoltaice pentru perioadele 2003-2010 i 2011-2015 este:

Surse regenerabile de energiePerioada 2003-2010Perioada 2011-2015

Capaciti noiEfort investiional mil euroCapaciti noiEfort investiional mil euro

Fotovoltaic1,50 MW7,59,5MW48,0

Producia prognozat de energie electric din surse regenerabile de energie pe termen mediu si lung pentru energia solara este:

Surse regenerabile de energie2010 [MW]2015[MW]

Energie solar186011600

n Romnia, la nivelul anului 2006, puterea instalat n dispozitive fotovoltaice era de aproximativ 150 kWe din care 50 kWe au fost instalai n acest an. inta de 1500 kWe din 2010 pare greu de ndeplinit n condiniile legislaiei actuale. Ar nsemna s fie instalai 450 kw/an ncepnd din 2008, ceea ce ar nsemna o investiie medie de 2,7 milioane de Euro/an.

1.3.Certificate verzi

Certificatul Verde reprezint o forma de susinere a energiei electrice produs din surse regenerabile. Certificatele verzi sunt documente care atest ca o cantitate de energie electric este produs din surse regenerabile de energie.Modificrile aduse Legii 220 in privina scaderii numarului de certificate verzi va reduce factura platit de consumatorul final cu 50% pentru energia regenerabil.Noile prevederi ale Legii 220 presupun suspendarea pentru trei ani si jumatate a sistemului alocarii de certificate verzi pentru producatorii de energie din resurse regenerabil."Legea se refer la suspendarea ei pentru 3 ani si jumatate, pana la 1 ianuarie 2017. Astfel, sistemul de certificate va presupune alocarea unui certificat verde pentru energia eoliana, un certificat pentru hidro, doua certificate verzi pentru energia solara. Restul vor fi pastrate intr-un cos de ANRE, prin legislatie secundara. Se va calcula pentru fiecare investitor cate certificate va avea in 2017. Numarul de certificate probabil, in legislatia secundara, se va prevedea si pot fi scontate la banca sau pot fi preluate ca valoare dupa 1 ianuarie 2017", a adaugat ministrul delegat pentru Energie.Reamintim, conform legislaiei Uniunii Europene, pn n anul 2020, 24% din consumul brut de electricitate din Romnia trebuie asigurat din surse regenerabile. Pentru a atinge aceast int, autoritile au instituit o schem de ajutor de stat, prin certificate verzi (CV), pentru producerea energiei din surse alternative. Numrul acestora variaz de la 0,5 CV/MW pentru microhidrocentrale neretehnologizate, pn la 6 CV/MW, pentru sistemele fotovoltaice. Un certificat verde poate fi tranzacionat la un pre minim de 27 euro i un pre maxim de 55 euro.

1.3.Protecia mediului .

n fabricarea de celule solare se utilizeaz parial i materiale duntoare sntii i mediului. Exemplu n acest sens prezint celulele cu strat subire CdTe i arseniura de galiu i mult discutatele celule solare de tip CIS i CISG. Producia n mas i utilizarea pe suprafee extinse a acestora trebuie bine cntrit. Dar i producia de celule cu siliciu tradiionale ascunde pericole pentru mediu. Pentru persoane neavizate aceste riscuri ce sunt legate de procesul de fabricaie nu sunt vizibile. Aici intervine cerina de a promova selectiv tehnologiile de fabricare a celulelor solare ce nu distrug mediul i care pe baza progreselor tehnologice promit avantaje concureniale

1.5.Radiaia solar.

Soarele emite in mod continuu cantitai uriase de energie. O parte din aceasta radiaie ajunge pe Pamnt. Cantitatea de energie ce ajunge pe Pamant intr-o zi este mai mare decat intregul consum al Pamantului pe durata unui an intreg. Totui, nu toata energie Soarelui ajunge pe solul Pamantului. O parte este absorbit de atmosfera sau reflectat inapoi in spaiu.Intensitatea luminii ce ajunge pe Pamnt variaz in funcie de perioada zilei, locaia si condiiile meteorologice. Radiaia solar ce ajunge pe Pamnt se masoar in Wh/m2 pe zi sau KWh/m2 pe an. Pentru a simplifica calculele si a avea o baza comuna de calcul, s-a decis ca standard o putere de 1000Wh/m2 timp de o ora pentru o zi insorit. Aceast putere se regasete intr-o zi de vara pe o suprafa de un metru patrat unde Soarele este perpendicular pe aceasta.

Radiaia solar ce cade pe sol variaz att cu perioada zilei, dar poate varia considerabil in funcie de locaie, mai ales in zone de munte. Iar radiaia solar variaz intre 1000KWh/m2 pe an in tarile din Europa de Nord si 2000 - 2500 KWh/m2 pe an in zonele cu deert. Aceste variaii intre locaii sunt date de diferenele de latitudine si condiiile meteorologice.1.6.Cum sa alegem panourile fotovoltaice?Exist diferite modele de panouri fotovoltaice comerciale. Panourile fotovoltaice difer dup tipul celulelor fotovoltaice din componena modulelor, care transform energia luminii solare in energie electric, dimensiuni, aspect, destinaie.

Dincolo de factorii estetici si tehnologici, exist cateva informaii importante pentru a alege un panou solar:

1) Caracteristicile importante sunt:

Pmax(Wp)- puterea maxim a panoului la temperatura de 25C si radiatie de 1000W/mVmpp (V)- tensiunea in punctul de putere maximImpp (A)- intensitatea curentului in punctul de putere maxim

2) Exist panouri adecvate pentru utilizare in toate tipurile de instalaii, sisteme cu banc de baterii (off-grid, stand-alone,..) sau sisteme cu furnizarea energie in retea (on-grid, grid-connected,..). Panourile proiectate pentru furnizarea energiei in retea nu sunt adecvate pentru sistemele cu banc de baterii.

Panourile pentru incarcarea bateriilor trebuie sa aib tensiuneaVmpp cu 30-60%mai mare decat tensiunea nominala a bateriilor si aceasta datorita caderilor de tensiune cauzate de regulator, cabluri si temperatura panourilor( 0.4% pentru fiecare 1C mai mult de 25C) si sa asigure tensiunea de incarcare total a bateriei care este in jur de 14.4V pentru baterie de 12V, pentru banc de baterii de 24V tensiunea de incarcare totala este in jur de 28.8V si pentru bancul de baterii de 48V tensiunea de incarcare totala este de 57.6V.

Astfel:- pentru incarcarea bateriilor de 12V avem nevoie de panouri cu Vmpp 16V 20V- pentru incarcarea bancului de baterii la 24V avem nevoie de panouri cu Vmpp 34V 40V- pentru incarcarea bancului de baterii la 48V avem nevoie de panouri cu Vmpp 62V -76V

3) In cazul in care panourile fotovoltaice vor fi umbrite se recomand folosirea panourilor (thin film) CIS, CdTe, Si-amorf mai puin influenate de acest fenomen decat panourile cu celule monocristaline sau policristaline, care nu functioneaz ( sau functioneaz la capacitate redus cele cu mai multe diode de by-pass) dac o celula este umbrit.CIS(CuInSe):Celule fotovoltaice sunt fabricate nu cu siliciu, dar cu indiu+diseleniu+cupru i au un cost mai scazut de producie. Performantele obinute in laborator demonstreaz ca pot ajunge si pan la 18% fiind una din tehnologiile de viitor pentru obinerea 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 albastru-inchis uniform. Performanele lor, adic capacitatea de a transforma energia luminii solare in energie electric, este mai mare si variaz intre 15 si 23%.Panouri fotovoltaice policristaline:Celulele fotovoltaice policristaline sunt fabricate din cristale de siliciu non-orientate, cu cost mediu. Culoarea lor este albastr cu accente de argintiu. Performanele lor, adic capacitatea de a transforma energia luminii solare in energie electric , este medie intre 10 si 18%.Panouri fotovoltaice din siliciu amorf:Celulele fotovoltaice sunt fabricate din siliciu non-cristalin, cele mai ieftine. Culoarea lor poate fi, de asemenea, transparent. Performanele lor sunt cele mai mici, intre 5 si 10%. Particularitatea acestui material este flexibilitatea sa. Panourile fotovoltaice din siliciu amorf pot fi fabricate in foi flexibile.Energia electric este produs atat timp ct panoul este expus la lumin. Materialele din care sunt fabricate celulele solare sunt semiconductoare si au o durat de viata de cel putin 20 de ani. Randamentul panourilor solare va scadea in timp. Ritmul de scadere in timp al randamentului este garantat de fiecare producator de panouri solare. Uzura panourilor este data de mediul inconjurator si modalitatea de montaj a acestora.In ultimul timp, celulele solare CIS si CdTe au inceput sa fie disponibile pe piaa in cantitai reprezentative.

Eficienta celulor solare

Monocristaline:15-18 %

Policristaline:13-15 %

Amorfe:5-8 %

Cadmium teluride:6-9 %

II.SISTEME CU CELULE FOTOVOLTAICE

2.1.Descrierea celulei

Pentru a avea energie electrica de la soare, avei 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 energie. Atunci cand un foton este absorbit, acesta elibereaz un electron din materialul celului solare. Deoarece 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 inmagazinata in acumulatori.

1. Lumina (fotoni)2. Suprafaa frontal3. Strat negativ4. Strat izolator5. Strat pozitiv6. Suprafaa posterioar

2.2.Maleriale i calitatea lor :a:STICLA (GLASS) asigur o excelent transmisie luminoas ceea ce inseamn mai multa energie electric. opional se monteaz sticla antireflex performanele la incarcare mecanic sunt foarte bune: 5400 Pascal este certificat : SPF-U1Sticlaantireflectorizant este realizat in tehnologie nanometric. In condiiile de iradiere solar normal transmisia este cu 2% mai mare dect la sticla normal. Eficiena panoului a crescut astfel nct producia de energie este cu 4% mai mare. Uniformitatea acoperirii este perfect. Durat de via depaete 25 de ani si este usor de curaat.

b / d:FOLIA EVA (EVA) asigur o excelent transmisie luminoas ceea ce inseamn mai mult energie electric. gelul folosit este de foarte bun calitate asigurnd o bun rezisten la descuamare si o incapsulare garantat. rezisten bun la uzur provovcat de radiaiile ultraviolete certificat TUV / ULFoliaEVAare o rezisten excelent la imbatranire, calitaile ei incapsulare performant, rezistena la ingalbenire fiind garantate pentru 25 ani

c:CELULELE (CELL) Eficien excelent i fiabilitate pe termen lung Performan bun n condiii de temperatur nalt i radiatie solara scazut. verificate 100% in linia de montaj cu echipamente de electroluminiscen : (EL) testat Toleran pozitiv pentru fiecare panou certificat TUVCELULEsunt de nalt calitate performanta lor fiind garantat inclusiv in lumin slab. Sunt garantate impotriva fenomenului PID.

e:FOLIA SPATE (BACKSHEET) folie de ncapsulare i protecie bazata pe Tedlar aderen excelent i stabilitate la radiaiile ultraviolete certificat TUV / UL Alb / Negru / Transparent opionalFolia BACKSHEETeste un produs garantat de 3M sau FUJIFILM cu o bun durabilitate si rezisten la imbatrnire si ingalbenire.

f:RAMELE (FRAME) aluminiu anodizat / electrostatic nseamn protecia durabil in mediu salin profil unic proiectat sa asigurare o bun rezisten la incarcari mecanice extreme Argintiu / Negru culoari disponibileRAMELEsunt rezistente la cea salina i amoniac. Design-ul este unic asigurnd o ncrcare de 8000pa. Asigur o instalare usoar.g:CUTIA DE CONEXIUNI (JUNCTION BOX) diodele de by-pass care asigur protecia panoului sunt de fiabilitate ridicat. conectorii sunt compatibili cu standardele mondiale performana excelent la eliminarea a cldurii din interior grad de protecie: IP65 sau IP67 testate la foc certificat TUV / ULCUTIA DE CONEXIUNIeste realizat din PPE de foarte bun calitate, din Japonia, si prezint un design industrial excelent.

2.3. Caracteristicile celulei fotovoltaice

Caracteristicile principale ale celulei fotovoltaice sunt: caracteristica amper-volt I(U) sau volt-amper U(I) i caracteristica de putere P(U). Curentul n circuitul exterior I se determin ca diferena dintre curentul fotovoltaic Is i curentul diodei Id:

(2,3)

Ecuaiei 2.3 i corespunde schema echivalent simplificat a celulei fotovoltaice, reprezentat n figura 2.2 a. Dac se ine seama de rezistena Ri de scurgeri prin izolaia celulei fotovoltaice i de Rs a elementelor conectate n serie, se poate ntocmi o schem echivalent complet a celulei fotovoltaice (figura 2.2 b). Cu tehnologiile moderne se obin celule cu Ri i Rs ~ 0, nct schema echivalent simplificat este satisfctoare.

a) b)

Fig. 2.2 Scheme echivalente ale celulei fotovoltaice: a simplificat; b complet;

c) d)

Fig. 2.2 Scheme echivalente ale celulei fotovoltaice: c,d caracteristicile celulei

Puterea electric cedat sarcinii R a unei celule fotovoltaice este:

(2.4)

Valoarea maxim a acestei puteri se obine ntr-un punct M al caracteristicii curent-tensiune, ale crui coordonate sunt rezultate din condiia dP/dU=0:

(2.5)

(2.6)

UT = kT/e.

Pentru o sarcin pasiv valoarea optim a rezistenei sarcinii va fi:

(2.7)

2.4.Parametrii celulelor fotovoltaice

Productorii de celule fotovoltaice indic n cartea tehnic a produsului parametrii ridicai n condiii standard: Radiaia solar global pe suprafaa celulei, G = 1000 W/m2; Temperatura celulei, TC = 250C; Masa convenional de aer, AM = 1,5

n mod obligatoriu n cartea tehnic se prezint: curentul de scurt circuit, Isc;tensiunea de mers n gol, U0; puterea maximal sau critic, Pc; tensiunea i curentul n punctul critic, UM i IM. Pe lng aceti parametri pot fi indicai suplimentar: factorul de umplere , FF, randamentul modulului PV, temperatura normal de funcionare a celulei NOCT, coeficienii de variaie a tensiunii de mers n gol i a curentului de scurtcircuit cu temperatura.

Curentul de scurt circuit. Se obine la scurtcircuitarea bornelor sarcinii R din figura 2.2. Pe caracteristica I-U acesta-i punctul cu coordonatele U=0, I=Isc. Din expresia 2.3, pentru U=0, obinem Isc = Is. Puterea furnizat este egal cu zero.

Tensiunea de mers n gol. Corespunde punctului de pe caracteristica I-U cu coordonatele I=0, U=U0. Puterea debitat n acest punct este egal cu zero. Tensiunea de mers n gol poate fi determinat din relaia 2.3 pentru I=0: (2.8)Puterea critic sau maximal. Este produsul curentului la tensiunea n punctul M a caracteristicii I-U. n englez acest parametru se numete peak power i se noteaz PC

(2.9)

Factorul de umplere. Se determin ca raportul dintre suprafeele dreptunghiurilor OUMMIM i OU0KIsc sau: (2.10)de unde (2.11) Factorul de umplere este msura calitii celulei PV. Cu ct este mai mic rezistena intern a celulei PV cu att FF este mai mare. De obicei FF > 0,7.

Randamentul celulei sau modulului PV. Se determin cu raportul puterii generate de celula sau modulul PV n punctul optimal de funcionare M la o temperatur specificat ctre puterea radiaiei solare: (2.12)unde PC este puterea livrat n W; A este suprafaa celulei sau modulului n m; G radiaia global incident pe suprafaa celulei sau modulului n W/m2 .Temperatura Normal de Funcionare a Celulei. Corespunde temperaturii celulei PV la funcionare n gol, la temperatura mediului de 20 0C, radiaia global de 800 W/m2 i viteza vntului mai mic de 1 m/s. Pentru celule uzuale NOCT se situeaz ntre 42 i 46 0C. Dac cunoatem NOCT putem determina temperatura celulei TC n alte condiii de funcionare caracterizate de temperatura mediului TA i radiaia global G:

(2.13)

2.5.Orientarea razei de lumin

Raza luminoasa parcurge o linie dreapt de la Soare spre Pamnt. La intrarea in atmosfera Pamntului, o parte din lumina se impratie iar o parte ajuge la sol intr-o linie dreapt. O alt parte a luminii este absorbit de atmosfer. Lumina ce s-a impratiat in atmosfer este ceea ce noi numim lumina difuz sau radiaie difuz. Raza de lumina ce ajunge pe suprafaa solului fara sa fie imprastiat este denumit radiaie direct. Radiaia solar direct este cea mai cunoscut si simit n mod direct de catre oameni.

1. direct2. absorbie3. reflexie4. indirect

2.6.Unghiul de inclinare.

Soarele traverseaz cerul de la est la vest. Panourile solare au un randament mai mare dac sunt orientare perpendicular cu Soarele la mijlocul zilei, cand intensitatea luminoas este cea mai mare. Majoritatea sistemelor solare sunt montate pe acoperis pe un cadru metalic avnd o poziie fix neputnd sa urmareasc Soarele pe durata zilei. Unghiul dintre planul orizontal si panoul solar este numit unghi de inclinare.

Deoarece Pamntul se rotete in jurul Soarelui exist variaii i n funcie de anotimpuri. Soarele nu va ajunge in acelai unghi solul ca iarn si var. Poziia panourilor pe timp de vara este mai ,,orizontal" dect pe timp de iarn. Acest poziie ar dezavantaja producia de energie pe timpul iernii, asa ca se va face un compromis intre cele doua situaii. Pentru fiecare latitudine exist un unghi de inclinaie optim. Numai in zonele foarte apropiate de Ecuator, panourile pot avea un unghi de inclinaie aproape de zero.

1. radiaie solar pe timp de iarna2. radiaie solar pe timp de var

Unghiul optim pe timp de iarn si varDeviaii de 5 grade de la unghiul optim au un efect minor asupra produciei de energie electric. Diferenele datorate condiiilor meteorologie au un efect mai important asupra sistemului fotovoltaic. Pentru sistemele independente, unghiul de inclinare se poate alege in funcie de necesarul de energie electric dintr-o anumit lun.

2.7.Micarea Soarelui .

Cantitatea de energie radiant transmis de soare variaz n spaiu i timp (odat cu schimbarea anotimpurilor). Cantitatea de energie captat la orice locaie dat depinde de unghiul de elevaie () i de unghiul de azimut () din acel loc i din acel moment,.

Unghiul de elevaie este cel mai ridicat n timpul solstiiului de var i cel mai sczut n timpul solstiiului de iarn.

Unghiul de azimut indic direcia soarelui n plan orizontal fa do direcie de referin (de obicei fa de sud).

Schimbarea poziiei soarelui pe cer de la or la or i de la zi la zi poate fi determinat pe o diagram a traiectoriei soarelui (Figura 10.3). Poziia soarelui n raport cu orizontul este exprimat prin unghiul de azimut (axa orizontal) i unghiul de elevaie (axa vertical).

Poziia zilnic a soarelui pe cer aproximativ n ziua 21 a fiecrei luni este indicat cu ajutorul a apte curbe orizontale. Cea mai de sus corespunde lunii iunie (solstiiu de var), iar cea de jos lunii decembrie (solstiiu de iarn). Celelalte cinci corespund fiecare la dou luni; de exemplu, linia pentru 20 martie este aceeai cu cea pentru 23 septembrie. Liniile verticale mpart curbele desenate n ore corespunztoare ntregii zile.

III.MODUL DE CONECTARE AL CELULELOR FOTOVOLTAICE

Tensiunea generat de o celul PV - cca 0.5 V - nu este suficient pentru aplicaiile uzuale. Pentru a obine tensiuni mai mari se leag in serie mai multe celule fotovoltaiceidentice. Daca sunt necesari curenti mai mari celulele PV se conecteaz n paralel. Inanumite aplicatii se folosesc conexiuni mixte (serie - paralel) de celule PV.In mod uzual generatoarele PV sunt formate prin interconectarea mixt a maimultor module PV. Un modul PV este format prin conectarea serie a unui numarcorespunzator de celule PV identice. Spre exemplu, modulul BP 585 al firmei BritishPetroleum consist dintr-o conexiune serie de 36 de celule PV, in timp ce modululM220 al firmei Solarwat, din 60 de celule inseriate.Generatoarele PV de mic putere se realizeaz prin interconectarea serie a maimultor module PV, configuraie numit ir sau strng de module PV.Generatoarele PV de putere mai mare sunt constituite din mai multe siruri conectatein paralel.Pentru o grupare mixt de celule sau module PV se mai folosesc si denumirile dearie, tablou sau matrice fotovoltaic (prin traducerea termenului englezesc array), saugenerator PV.Exemple

3.1.Conexiunea serie .

In cazul conexiunii serie, conform primeiteoreme a lui Kirchhoff, curentul debitat de fiecare celula PV este acelai, egal totodat cu cel de la bornele gruparii.Tensiunea la bornele gruparii, conform teoremei a doua a lui Kirchhoff, este egal cu suma algebric a tensiunilor la bornele fiecarei celule individuale. In consecin,un punct al caracteristicii I-U rezultante se obine alegnd arbitrar o valoare a curentului si insumnd tensiunile pe celule (figura 3.1).

Fig 3.1 Conexiunea serieCelule PV cu caracteristici I-U identice

Chiar dac celulele sunt constructiv identice, curentul debitat de eledepinde esential de iradianta G poate crea, incazul conexiunii serie, unele probleme.Vom examina, pentru inceput, cazul mai multor celule constructiv identice, iluminateidentic. Pentru simplitatea expunerii celulele sepresupun ideale(fig3.2).In acest caz curentul debitat in circuitul exterior este egal cu cel al oricreia din celule,iar tensiunea la bornele gruparii este de Ns ori mai mare dect a uneia din celule (Ns fiind numarul celulelor inseriate). Nimic deosebit nu este de semnalat.

Fig3.2.Celule PV cu caracteristici I-U identice

Celule PV cu caracteristici I-U diferite

O situaie special poate apare dac celule PV,constructiv identice, sunt iluminate diferit. Aceast situaie apare dac una din celule este umbrit, sau este murdarit.In acest caz curenii de scurtcircuit ai celulelor sunt diferii, ceea ce inseamn cureni la bornele fiecarei celule diferii. Conexiunea serie impune ins acelai curent la bornele fiecarei celule. Drept urmare, o parte din curentul de scurtcircuit mai mare (cel al celulei mai iluminate) se va inchide prin dioda paralel, asigurand egalitatea dintre curentul la bornele acesteia si cel de la bornele celulei umbrite. Curentul gruparii serie va fi deci impus de celula care are curentul de scurtcircuitcel mai mic (celula umbrita).In acest fel o singur celula umbrit limiteaz curentul intregii grupari si implicit a puterii generate de aceasta.

Fig3.3.Celule PV cu caracteristici I-U diferite.

Se observ un lucru extrem de important: pentru tensiuni la borne mici (sub 0.54V in exemplul considerat) puterea debitat de celula umbrit este negativ, adic, cusensurile de referin adoptate pentru U si I, este de fapt absorbit.Pe de alt parte puterea total este pozitiv. Prin urmare, in acest interval detensiuni celula umbrit consum putere de la celula mai iluminata. Nu numai canu produce energie, celula umbrita consum i o parte din energia produs decelelalte celule.

Punctul fierbinte (hot spot) al unei grupari serie

Din cele prezentate rezult ca pentru valori mici ale tensiunii la bornele grupariiserie - in particular in regim de scurtcircuit - celula umbrit consum energie de lacelelalte celule. Aceast energie se disip sub forma de caldur conducnd lasuprancalzirea celulei umbrite, adic la apariia unui punct fierbinte (hot spot) algruparii. Dac gruparea conine multe celule, energia care trebuie disipat este mare, iarsuprancalzirea celulei umbrite poate conduce la distrugerea acesteia si scoaterea dinfunciune a modulului. Figura de mai jos prezinta cateva celule distruse in acest mod.

Dioda bypassPentru a evita suprancalzirii celulei umbrite,in paralel cu fiecare celula se conecteaz o dioda,numit dioda bypass, care in regim normal este polarizat invers i deci nu intervine in funcionarea celulei.Dac ne referim la exemplul precedent,considernd cazul cel mai defavorabil, adic bornele gruparii scurtcircuitate, observm c tensiunea care polarizeaz invers celula umbrit polarizeaz direct dioda bypass conectat pe aceasta. In acest mod,curentul gruparii, care altfel ar fi fost strangulat de celula umbrit, o ocolete prin dioda bypass.In plus, dioda bypass limiteaz si tensiunea pe dioda umbrit i implicit puterea disipat de aceasta.

Fig 3.4.Dioda bypass

Nu este ins economic sa se conecteze cate o dioda bypass in paralel cu fiecarecelula a modulului. O soluie de compromis o reprezint conectare unei diode bypassin paralel cu un grup de celule, de regula format din jumatate din celulele modulului.Dac una din celule unui grup devine nefunctional, dioda bypass conectat inparalel cu grupul respectiv devine polarizat direct suntnd astfel celula defect.

3.2.Conexiunea paralel a celulelor fotovoltaice

In cazul conexiunii paralel toate celulele au aceiai tensiune la borne, iar curentul gruparii este suma curenilor la bornele fiecarei celule individuale.Umbrirea sau defectarea uneia din celulele gruparii nu scoate din funciune gruparea, aa cum se intmpl in cazul conexiunii serie. Nu sunt aa dar necesare masuri de protecie suplimentare.Un punct al caracteristicii I-U a gruparii se obine alegnd arbitrar o valoare pentru tensiunea la borne si apoi insumnd curenii corespunzatori ai celulelor individuale.

Efectul umbririi asupra distributiei puterii generate de celulele conexiunii paralel

Desi efectul umbririi unora din celulele conexiunii paralel nu are efectul dramatic ca in cazul gruparii serie, pierderile de putere in rezistenele serie si paralel influeneaz modul in care este distribuiia puterea generat pe celulele gruparii.Fie, spre exemplu, dou celule identice legate in paralel, care intr-un caz (A) sunt iluminate identic cu G = 500 W/m2 fiecare, iar intr-un alt caz (B) una din celule este in intuneric complet (G = 0) iar cealalt primete o iradiant G = 1000 W/m2.Puterea electric generat in cele doua cazuri difer, fiind mai mare in cazuldistribuiei uniforme a iluminarii celulelor .

IV.ECHIPAMENTELE CE COMPUN ANSAMBLUL CU CELULE FOTOVOLTAICE4.1.Structura unui sistem Un sistem fotovoltaic convertete n mod direct energia solar n energie electric pe baza efectului fotovoltaic i o aduce la parametrii electrici cerui de consumator.

Este evident c panourile fotovoltaice nu produc energie dect n prezena soarelui. Noaptea i n zilele nnorate energia produs este zero sau neglijabil. Pentru a asigura continuitatea alimentrii cu energie electric a consumatorilor, atunci cnd situaia o cere, este necesar o unitate de stocare a energiei. Cel mai adesea acest lucru este realizat folosind baterii de acumulatoare.Pentru a prelungi durata de via a bateriilor de acumulatoare, acestea nu trebuie suprancrcate sau descrcate sub o anumit limit. n acest scop sistemul trebuie s conin un regulator (sau controller) de ncrcare, montat ntre generatorul fotovoltaic i bateriile de acumulatoare.Regulatorul de ncrcare conine de obicei i o diod de protecie la descrcare, care previne descrcarea bateriei pe timp de noapte prin generatorul fotovoltaic. Un regulator de ncrcare bun consum foarte puin i are o tensiune de mers n gol sczut, ceea ce protejeaz acumulatorul s nu se descarce.Un controller MPPT (Maximum Power Point Tracker) sau n traducere, controller cu urmrirea punctului de putere maxim este un convertor c.c.-c.c. care optimizeaz perfect transferul de energie ntre aria de panouri solare fotovoltaice i bateria de acumulatoare.Acest controler face o analiz a tensiunii de ieire a panourilor solare i o compar cu cea a bateriei. n urma acestei analize dispozitivul decide care este puterea optim care trebuie transferat spre acumulatoare n aa fel nct s fie transferat curentul maxim n amperi, dinspre panourile solare spre bateria de acumulatoare.Cu ajutorul acestui dispozitiv se obine o cretere tipic ntre 20% i 45% a cantitii de energie transferat n perioada de iarn i ntre 10% - 15% n perioada de var. Ctigul energetic depinde de condiiile meteo, temperatur, starea de ncrcare a bateriei i ali factori. Panourile fotovoltaice genereaz tensiune i curent continuu. Muli consumatori necesit ns curent alternativ. Sistemul fotovoltaic trebuie astfel s conin un invertor (convertor c.c.-c.a.). Invertorul transform energia de c.c., generat de modulele PV sau stocat n acumulatoare, n energie de c.a. de o frecven prestabilit.Deja exist convertoare care asigur parametrii de calitate ai energiei electrice la acelai nivel ca i reelele publice: frecven i tensiune stabil (220V, 50Hz), forma sinusoidal a undei de tensiune i curent. Sistemele fotovoltaice se divizeaz n dou categorii principale: conectate la reea (grid-connected) sau care funcioneaz n paralel cu reeaua electric public i sisteme PV autonome (stand-alone PV system).n figura 4.1 este prezentat structura unui sistem fotovoltaic.

Consumator de energie electricInvertor c.c.-c.a.Regulator de ncrcare

Panoufotovoltaic

Acumulatori

Fig. 4.1. Structura unui sistem fotovoltaic

4.2.Configuraii ale sistemelor

Panourile solare pot fi conectate, n serie sau paralel, la un invertor monofazat sau trifazat. Prin intermediul invertorului se realizeaz conversia din energie continu, produs de panourile solare pe baza efectului fotovoltaic, n energie alternativ, pentru conectarea la reea sau la consumatori rezideniali. n figurile de mai jos sunt prezentate principalele configuraii ale sistemelor fotovoltaice.Panourile solare pot fi conectate n paralel la un invertor trifazat central, caracteristic sistemelor solare de puteri mari (10250 kW) (vezi figura 4.2). Aceasta a fost cea mai frecvent configuraie de instalare a sistemelor fotovoltaice n trecut.Avantajul principal al acestei scheme l constituie costul redus datorit prezenei unui singur invertor. Dezavantajul major al acestei configuraii este faptul c pierderile de putere pot fi mari din cauza nepotrivirii dintre modulele fotovoltaice i prin prezena diodelor anti-retur.Un alt dezavantaj este faptul c aceast configuraie are un singur punct de eec (invertorul) ; prin urmare, sistemul are o fiabilitate sczut.

Fig. 4.2 - Sistem fotovoltaic cu invertor central

O alt soluie, dedicat aplicaiilor rezideniale de puteri medii (1,55 kW), conine cte un invertor pentru fiecare ir de panouri solare. Principalul avantaj al acestei topologii este c nu exist pierderi asociate cu diode anti-retur i MPPT poate fi aplicat pentru fiecare ir.Acest lucru este util mai ales cnd mai multe iruri de panouri solare au orientri diferite. Dezavantajul la aceast configuraie este costul crescut din cauza invertoarelor suplimentare.

Fig. 4.3 - Sistem fotovoltaic cu invertoare individuale pe fiecare ir

Tensiunea de intrare ce provine de la irurile de panouri solare poate fi suficient de mare pentru a evita necesitatea amplificrii de tensiune. Cum preul modulelor PV este nc destul de mare, o amplificare de tensiune poate fi realizat pentru a necesita mai puine module conectate n sistem. O astfel de configuraie este ilustrat n figura 4.4. Fiecare ir de panouri solare are conectat cate un convertor c.c.-c.c. pentru creterea tensiunii. Un invertor c.c.-c.a. este apoi utilizat pentru alimentarea consumatorilor.

Fig. 4.4 - Sistem fotovoltaic cu convertor c.c.-c.c. i invertor central

A treia soluie conine invertoare de tip modul, de mic putere (50180 W), fiecare panou avnd propriul invertor. Avantajele acestui tip de sistem este faptul c este uor de adugat module PV deoarece fiecare modul are propriul su invertor c.c.-c.a. Exist, de asemenea, o mbuntire general n fiabilitatea sistemului, deoarece sistemul nu prezint un singur punct de eec ca i sistemul din figura 4.2. Este o topologie extrem de flexibil i configurabil, cu toate acestea, aceste configuraii sunt n continuare mai costisitoare dect sistemele convenionale PV din cauza numrului crescut de invertoare. Aceast configuraie pare a fi o opiune promitoare, pentru viitor, deoarece panourile PV pot fi folosite ca dispozitive plug-in i instalarea este facil, nefiind nevoie de persoane cu cunotine de specialitate.

Fig. 4.5 - Sistem fotovoltaic cu invertoare de tip modul

4.3 Sisteme de stocare a energiei

Toate tehnologiile de baterii, discutate n capitolul anterior, produc curent continuu care trebuie s fie convertit n curent alternativ pentru a putea fi conectate la consumatori. Bateriile sunt n general conectate n diferite configuraii n serie i/sau paralel pentru a atinge tensiunea i curentul de ieire necesar. Invertoarele si convertoarele c.c.-c.c. sunt deseori necesare pentru sistemele de stocare, n vederea furnizrii energiei necesare, ctre consumatorii rezideniali. Aspectul esenial al electronicii de putere pentru sistemele de stocare a energiei l constituie faptul c trebuie s fie bidirecionale, astfel nct s fie posibil acumularea de energie (n timpul ncrcrii) i furnizarea de energie (n timpul de descrcrii). Spre deosebire de invertoarele folosite la panourile fotovoltaice, invertoarele pentru sistemele de stocare a energiei nu iau n considerare puterile de vrf. Ele ofer doar nivelul de putere cerut de sistem care poate fi susinut de ctre baterie.Cea mai simpl configuraie a unui sistem de stocare a energiei const dintr-o baterie de acumulatoare i un invertor c.c.-c.a.(figura 4.6). Curentul la puterea maxim determin capacitatea invertorului, care poate fi monofazat sau trifazat, n funcie de cerinele consumatorilor.

baterieeebaterie

Consumator

baterieeebaterie

baterieeebaterie

Fig. 4.6 - Sistem de stocare a energiei cu un singur invertor

Un convertor c.c.-c.c. este adesea folosit ntre bateria de acumulatoare i invertor, dup cum se arat n figura 4.7. Convertorul trebuie s fie bidirecional i este n principal utilizat pentru a produce suficient tensiune pentru invertor, astfel nct amplitudinea necesar a tensiunii alternative s poat fi generat.

Fig. 4.7 - Sistem de stocare a energiei cu invertor i convertor c.c.-c.c.

V.APLICAII CU PANOURI FOTOVOLTAICE

VI. BIBLIOGRAFIE www.et.upt.rowww.electricalc.rowww.diaspora-stiintifica.ro www.solar-technology.rowww.energyonline.rowww.energie-eco.euwww.altiusfotovoltaic.rowww.dossolarstrom.rowww.expert-electrice.rowww.austroinstal.rowww.business24.rowww.wall-street.rowww.focus-energetic.ro

2