Universitatea “Transilvania” din Braşov
Facultatea Design de Produs şi Mediu
Secţia Ingineria Valorificării Deşeurilor
Proiectarea unui ansamblu de panouri fotovoltaice
-Proiectare constructivă-
Contents
1
1.Tipuri de panouri solare........................................................................................................................3
1.1.Panouri solare termice...................................................................................................................3
1.2. Panouri solare fotovoltaice...........................................................................................................4
2.Tipuri de sisteme de orientare ale panourilor....................................................................................8
3.Stabilirea sarcinilor care încarcă elementele construcţiei................................................................9
3.1.Forţa.................................................................................................................................................9
3.2.Cursa actuatorului........................................................................................................................10
4.Elementele unui sistem mecanic de orientare a panourilor fotovoltaice......................................10
5.Concluzii...............................................................................................................................................16
Bibliografie...............................................................................................................................................18
1.Tipuri de panouri solare
2
Panourile solare sunt clasificate într-o multitudine de categorii, după diferite
criterii: în funcție de modul de utilizare, în funcție de modalitatea de captare a căldurii
sau după modalitățile de construcție.
1.1.Panouri solare termice
Acest tip de panouri este recomandat în sezonul rece, fiind utilizate pentru încălzirea
apei menajere, a piscinelor, etc. în intervalul primăvară-toamnă. Ele asigură în jur de
60-80% din necesarul de apă caldă iarna, iar vara asigură necesarul de 100%.
Fig.1. Panou solar cu tuburi vidate
Sunt de două feluri:
Panouri solare cu tuburi vidate
Pot fi presurizare cu tuburi superconductoare heat-pipe sau nepresurizate;
Fiecare tub este compus din alte două tuburi (sudate între ele) din sticlă
borosilicate;
Sunt mai eficiente decât panourile solare plane, având un randament foarte bun,
razele soarelui căzând perpendicula rpe ele din mai multe unghiuri;
Sunt mai ușor de întreținut decât panourile plane, deoarece există foarte puține
depuneri pe suprafața cilindrică a tuburilor;
Energia solară este captată prin tuburile vidate
Panouri solare plane
Sunt formate din plăci plane din cupru, care ajută la captarea energiei solare
3
Sunt acoperite cu un material special, conceput pentru a determina absorbția
energiei solare. Acestea sunt amplasate pe o izolație din fibră de sticlă, închise într-
un cadru de aluminiu și acoperite cu sticlă pentru o eficiență sporită
Aceste panouri sunt potrivite pentru toate tipurile de climă
Sunt foarte flexibile și potrivite pentru încălzirea apei menajere, a piscinelor, a
bazinelor cu hidromasaj etc.
1.2. Panouri solare fotovoltaice
Transformă energia solară în energie electrică și sunt cel mai des întâlnite.
După cum vom vedea în cele ce urmează, și acestea se împart în mai multe categorii,
în funcție de tipul de celule componente. Sunt formate din celule solare pe bază de
siliciu.
Celulele solare, cunoscute și sub denumirea de celule fotovoltaice, sunt
compuse dintr-un materialsemiconductor (siliciu) care reține particulele luminii solare,
producând energie electrică. Acestea pot fi monocristaline, policristaline, amorfe,
microcristaline sau cu strat subțire.
Din gama panourilor solare electrice se disting celulele monocristaline, policristaline,
amorfe și cu strat subțire.
Celule solare monocristaline
4
Fig.2.Panou fotovoltaic cu celule monocristaline
Sunt folosite în panourile fotovoltaice sunt ușor de recunoscut datorită aspectului extern
colorat și uniform, această proprietate indicând consistența unui siliciu de înaltă puritate
și calitate. Din acest motiv, panourile solare monocristaline sunt cele mai eficiente. De
asemenea, aceste panouri produc cel mai mult curent din radiația solară și pot fi
amplasate pe porțiuni mai restrânse.
În plus, panourile solare monocristaline produc de patru ori cantitatea de energie
electrică față de alte tipuri de panouri, sunt cele mai durabile și majoritatea
producătorilor oferă garanții de peste 25 de ani pentru aceste produse.
Celule solare policristaline
5
Fig.3.Panou solar cu celule policristaline
Tind să aibă mai puțină rezistență la căldură decât panourile solare monocristaline, prin
urmare sunt mai puțin eficiente la temperaturi crescute.
În același timp, sunt mai ieftine decât cele monocristaline, procesul de producție fiind
mai simplu și mai puțin costisitor. Acest lucru, pe de altă parte, implică și o eficiență mai
scăzută a acestui tip de panouri.
Celule solare cu strat subțire
6
Fig.4.Acoperiş din celule fotovoltaice cu strat subţire
Sunt la rândul lor clasificate în funcție de materialul fotovoltaiccare este depus pe
substrat: siliciu amorf, telurură de cadmiu, seleniură de cupru indiu galiu și celule
fotovoltaice organice.
Prototipurile de module cu strat subțire au atins performanțe între 7 și 13%. Panourile
cu celule cu strat subțire sunt mai ieftine decât cele cu celule solare cristaline. Aspecul
lor omogen le conferă un design plăcut, sunt flexibile, iar performanța lor nu este
afectată de temperaturile ridicate sau de umbră. Sunt ideale pentru suprafețele mai
largi, mai întinse.
Panouri solare hibride
Dețin un modul care are un strat subțire de peliculă solară amorfă în spatele celulelor
monocristaline, iar stratul suplimentar amorfextrage mai multă energie de la lumina
soarelui, în special în condiții de lumină slabă.
Un avantaj al acestei tehnologii este că pierderile care apar de obicei din cauza lipsei
de uniformitate a structurilor cristaline prezente pe suprafața celulei, sunt semnificativ
reduse. Totuși, aceste panouri nu sunt recomandate suprafețelor mari de acoperiș și se
vând la prețuri mai mari decât panourile fotovoltaice.
7
2.Tipuri de sisteme de orientare ale panourilor
Sistemele solare fotovoltaice complete independente (off grid) pot fi realizate in
tipologie magistrală de curent alternativ (AC Bus) sau magistrală de curent continuu
(DC Bus). Sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu, sunt utilizate
pentru puteri nominale mici (pâna la 1-2 kilowaţi), în timp ce sistemele de tip magistrală
de curent alternativ nu sunt limitate în ceea ce priveşte puterea maximă.
Diferenţa principală dintre sistemele solare fotovoltaice de tip magistrală de curent
alternativ şi cele de tip magistrală de curent continuu constă în modul în care este
transformată energia de curent continuu generată de panourile fotovoltaice în energie
de curent alternativ necesară pentru alimentarea consumatorilor. Sistemele fotovoltaice
de tip magistrală de curent alternativ au o eficienţă şi un randament mult mai mare
decât al sistemelor de tip magistrală de curent continuu pentru că energia panourilor
este transformată direct în energie de curent alternative, iar invertoarele de reţea sunt
prevăzute cu algoritm de determinare şi urmarire a punctului de putere maximă (MPPT).
Un sistem solar fotovoltaic de tip magistrală de curent alternativ are în compunere un
generator fotovoltaic, unul sau mai multe invertoare de reţea, unul sau mai multe
invertoare de baterii, un banc de acumulatori pentru stocarea energiei electrice, şi
opţional un grup electrogen ca sursă de rezervă. Invertoarele de reţea pentru aceste
sisteme transformă energia de curent continuu generată de panourile fotovoltaice în
energie de curent alternativ şi o injectează direct în reţeaua electrică a imobilului.
Surplusul de energie generat în timpul zilei este stocat în acumulatori pentru a asigura
necesarul de energie pe timpul nopţii cu ajutorul invertoarelor de curent continuu.
Sistemul fotovoltaic de tip magistrală de curent continuu are în compunere un generator
fotovoltaic, unul sau mai multe controlere de încarcare baterii, unul sau mai multe
invertoare de baterii, o baterie de acumulatori pentru stocarea energiei electrice, şi
opţional un grup electrogen ca sursă de rezervă. În aceste sisteme, energia de curent
continuu generată de panourile fotovoltaice este mai întai stabilizată în tensiune cu
ajutorul controlerelor de încarcare şi stocată în baterii de acumulatori. Invertoarele de
baterii pentru sistemele fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu nu sunt
8
bidirectionale, ele asigură doar conversia energiei de curent continuu de la bornele
acumulatorilor în energie de curent alternativ pentru alimentarea consumatorilor.
3.Stabilirea sarcinilor care încarcă elementele construcţiei
3.1.Forţa
Ft = G + Fv [N], unde: Ft → forta totala;
G → greutatea panoului, ramei si cadrului;
Fv → forta vantului.
G = (mcadru + mrama + mpanouri) * g [kg];
P = 12∗ρ∗v2 [bar];
ρaer = 1,22 [kg/m3];
Fv = P*A [N], unde A → aria cadrului;
A = L*l [m2];
Factuator = 13
* Ft
Panou = 9,4 kg;
Cadru = 6,06 kg;
Rama = 1,99 kg.
G = [6,06 + (1,99 * 2) + (9,4 * 2)] * 9,8 = (6,06 + 3,98 + 18,8) * 9,8 = 282,63 kg;
P = 12 * 1,22 * 142 = 119,56 [bar];
A = 2,675 m2;
Fv = 119,56 * 2,675 = 319,82 [N];
Fact = 13
* 602,45 = 200,8 [N];
Ft = 282,63 + 319,82 = 602,45 [N];
9
3.2.Cursa actuatorului
Cursa = 1210,65 – 761,656 = 449 mm.
Fig.5. Masurarea cursei
4.Elementele unui sistem mecanic de orientare a panourilor fotovoltaice
Fig.6. Panoul fotovoltaic
10
Fig.7. Rama panoului fotovoltaic
Fig.8. Cadrul de sustinere al panourilor
11
Fig.9. Stalpul de sustinere
Fig.10. Actuatorul
12
Fig.11. Datele actuatorului(1)
Fig.12. Datele actuatorului(2)
13
Fig.13. Schita actuatorului
Fig.14. Ansamblul sistemului de orientare cu panouri fotovoltaice
14
Fig.15. Analiza MEF
15
5.Concluzii
S-a construit un sistem mecanic de orientare a panourilor fotovoltaice, conform
urmatoarelor date:
- 2 panouri;
- 2 rame;
- 1 cadru;
- 1 stâlp de sustinere;
- 1 actuator.
Cele 2 panouri au dimensiunile de 1040 x 870 x 35 fiecare, iar greutatea unui
panou este de 9,4 kg.
Unghiul de orientare al sistemului fotovoltaic este de β = 35˚, iar pentru
realizarea orientării s-a ales un actuator liniar care are cursa de 450 mm.
Materialele alese pentru fiecare component a sistemului:
- pentru stâlp, cadru şi actuator: oţel;
- pentru panouri: PVC;
- pentru rame: aluminiu.
La îmbinarea dintre ramă şi panou, am folosit prinderea cu şuruburi.
La asamblarea sistemului s-au folosit:
- constrângeri de suprafaţă: între panouri şi rame, între actuator şi stâlp şi între
actuator şi cadru;
- constrângeri de cilindricitate: între stâlp şi cadru şi între actuator, stâlp şi
cadru.
Ansamblul rezultat a fost transpus în analiza MEF, unde pentru constrangerile de
suprafata am aplicat “Rigid connection”, pentru cele de cilindricitate “Presure
fithing”. Pentru constrangerea actuatorului am aplicat “Slider connection”.
Pentru ancorarea stâlpului s-a folosit “Clamp”(la bază).
16
S-au aplicat forţe distribuite pe fiecare panou, iar pe stalp o acceleraţie de 9,81
N. Dupa aplicarea tuturor forţelor şi constrângerilor, am verificat modelul cu
ajutorul comenzii “Model checker”.
Nu s-a putut rezolva eroarea care a împiedicat continuarea paşilor dupa care am
fi putut avea un rezultat satisfăcător.
17
Bibliografie
1.http://shop.ecosolaris.ro/sisteme-fotovoltaice
2.http://shop.ecosolaris.ro/tracker-orientare-solara
18