| Date post: | 05-Apr-2018 |
| Category: |
Documents |
| Upload: | caras-cosmin |
| View: | 232 times |
| Download: | 0 times |
of 44
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
1/44
24
Modulul 2SOARELE CA SURS DE ENERGIE
Cuprins
Obiective24Unitatea denvare 3.Radiaia solar .Efectul de ser. Soarele i echilibrul energeticglobal24Unitatea de nvare 4. Energia solar fotovoltaic. Introducere. Celula fotovoltaic icaracteristicile e i.35 Unitatea de nvare 5. Energia solar fotovoltaic. Parametrii celulelor i modulelorPV. Influenta radiatiei solare i temperaturii asupra caracteristicilor celulelor i modulelorPV. Module fotovoltaice42Unitatea de nvare 6. Sisteme fotovoltaice. Dimensionarea unui sistem fotovoltaic.Domeniile de utilizare a energiei electrice fotovoltaice..58Teste de autoevaluare....................................................................34;41;57;67Lucrare de verificare .....................................................................34;42;57;67
OBIECTIVE
- s explice modelul corp absolut negru- s defineasc radiaia solar
- s explice efectul de ser - s explice factorii de care depinde eficiena celulei solare -s clasifice celulele solare-s enumere tipurile de siliciu din care se confecioneaz celulele solare -s explice principiul de funcionare al celulei solare cu semiconductori-s indice caracteristicile tehnice ale celulei solare -s explice schemele de conectare i echivalente ale unei celule solare -s explice construcia i principiul de funcionare al unei celule fotovoltaice -s defineasc parametrii celulelor i modulelor PV-s explice structura unui sistem fotovoltaic-s enumere i s explice caracteristicile modulului PV
-s defineasc rolul invertorului n subsistemul de condiionare a energiei electriceal sistemului PV-s realizeze dimensionarea unui sistem fotovoltaic
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
2/44
25
Unitatea denvare 3.Cuprins
RADIATIA SOLAR .EFECTUL DE SER. SOARELE I ECHILIBRULENERGETIC GLOBAL
3.1. Obiective3.2. Test de autoevaluare3.3. Lucrare de verificare
3.1.Obiective :-s explice modelul corp absolut negru- s defineasc radiaia solar - s explice efectul de ser
Radiaia solar .Efectul de ser. Soarele i echilibrul energetic global
Proiectarea unui sistem de conversie a energiei solare n energie termic sauelectric se bazeaz pe evaluarea corect a radiaiei solare n amplasamentul dat i pecunotine privind proprietile radiaiei solare.
Soarele este cea mai aproape stea de la Pmnt i se afl la distana medie de1,5x1011 m. Structura schematic a soarelui este prezentat n figura 1, iar relaiile
geometrice n sistemul soare -pmnt - n figura 2.Energia soarelui este rezultatul a mai multor reacii de fuziune nuclear, principalfiind procesul n care hidrogenul (4 protoni) fuzioneaz i se formeaz heliu. Masanucleului de heliu este mai mic dect masa a 4 protoni, diferena de mas se transform
n energie n conformitate cu formula lui Einstein E=mc2.Diametrul soarelui este de aproximativ 110 ori mai mare dect diametrul
pmntului: respectiv 1,39x109 m i 1,27x107 m. Nucleul solar cu raza de aproximativ0,23R (R - raza discului solar) i un volum ce constituie 15 % din total prezint reactorulnatural termonuclear. Aici temperatura se estimeaz la (8-40)x106K i se degaj 90 %din energie. Nucleul are o densitate de 100 de ori mai mare dect a apei i masa luiconstituie 40 % din mas total. La o distanta de 0,7 R de la centrul temperatura scade
pn la 130 000 K i densitatea scade pn la 70 kg/m3
. Zona cuprins ntre 0,7 i 1,0R senumetezona convectiv (se consider c procesele termice convective sunt principale).Temperatura scade pn la 5000 K, iar densitatea este foarte mic - de circa 10-5 kg/m3.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
3/44
26
Fig. 1 Structura simplificat a soarelui
Corpul absolut negru este un model introdus n fizic pentru a caracteriza spectrulradiaiei unui corp cu o temperatur constant T. Corpul absolut negru este un corp ideal,
care are factorul de absorbie egal cu 1, iar cel de reflecie egal cu 0. Un astfel de modelse prezent n figura 2. Materia din cavitatea corpului are temperatura T i se menineconstant. Din toate prile, cu excepia unei deschizturi nguste, materia este izolat.Pereii interiori ai cavitii posed un factor de reflecie egal cu 1. Probabilitatea, c unfoton care a ptruns n interiorul cavitii prin deschiztura ngust s prseasc corpul,este aproape nul. n acest sens modelul prezentat este absolut negru (nu se vede).Totodat, materia din cavitate avnd temperatura T radiaz unde electromagnetice prindeschiztura menionat. Densitatea de putere spectral depinde de temperatura materieiT i lungimea de und a radiaiei electromagnetice A. Legtura analitic dinte densitateade putere, temperatur i lungimea de und este dat de formula lui Plank:
mm/W,1e
1hc2
W2
kT/hc5
2
(3.1)
unde h = 6,63x1034 W s2 - este constanta lui Plank; k = 1,38x10-23 - constanta luiBoltzmann;c = 299722458 m/s - viteza luminii n vid. Expresia analitic (3.1) permite s modelmradiaia solar cu o exactitate foarte bun. n figura 3. este prezentat densitatea de puterespectral la suprafaa soarelui calculate n conformitate cu (3.1) pentru temperaturaefectiv a corpului absolut negru egal cu 5800 K. Temperatura efectiv se consider o
40% mas
15% volum90% energieT=(8-40)x10 6K
= 105 kg/m3
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
4/44
27
astfel de temperatur pentru care corpul absolut negru radiaz aceiai energie ca i
soarele.
Fig. 2 Modelul corpului Fig.3 Radiaia spectralabsolut negru a corpului absolut negru
Pmntul se rotete n jurul soarelui pe o orbit aproximativ circular (abaterea de lacircumferin nu depete 1.7%)-fig. 4.
Fig. 4 Geometria sistemului soare-pmnt
Soarele, fiind privit de pe suprafaa pmntului, prezint un disc cu diametrulunghiular de 32`.Radiaia solar poate fi modelat cu cea a unui corp absolut negru cutemperatura efectiv de circa 5777 K. Calculele radiaiei corpului absolut negru i
Ds=1,39x10 9 m
Dp=1,27x107 m
L=1,495x1011 m
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
5/44
28
rezultatele msurrilor demonstreaz c 6,4 % de energie este transportat de banda
ultraviolet de unde electromagnetice ( = 0-0,38 m), 48,0% - de band vizibil ( =038- 0,78 m) i 45,6% - de band infraroie ( >0,78 m).
Radiaia solar-este un melanj de unde electromagnetice cu lungimea de undcuprins n gama (0,2-2,5) m. Energia undelor cu lungimea mai mare de 2,5 m poate fineglijat
Iradiaie (iluminare), se msoar n W/m2 i prezint densitatea de putereinstantanee a radiaiei solare. De exemplu, iradiaia egal de 1000 W/m2 nseamn c nfiecare secund pe un metru ptrat de suprafa cade un flux de energie egal cu 1000 J.
Iradiere (expunere), se msoar n MJ/m2 sau kWh/m2 i prezint densitatea de
energie a radiaiei solare. Este evident c iradierea este integrala iradiaiei pe o perioaddefinit de timp - o or, zi sau lun.
Fig. 5 Componentele radiaiei solare pe suprafaa absorbant A: B direct; D difuz;R - reflectat
n calculul sistemelor fotovoltaice densitatea de energie a radiaiei solare,msurat n kWh/m2, adesea este exprimat n ore solare de vrf, ceeace nseamn duratade timp n ore cu o densitate de putere de 1 kW/m2necesar pentru a produce o radiaiesolar diurn echivalent cu cea obinut n urma integrrii densitii de energie pe durataunei zile.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
6/44
29
Radiaia direct reprezint radiaia primit de la soare fr a fi mprtiat de
atmosfer. Umbra unui obiect apare numai atunci cnd este radiaie direct. Radiaiadirect va fi notat cu B.
Radiaia difuz va fi notat cu D. Raza solar trecnd prin atmosfer estemprtiat, altfel spus, difuzate n toate direciile (fig.5). Radiaia difuz este prezentntotdeauna, chiar i ntr-o zi senin, aceast component constituie circa 10%. n acestcaz razele solare sunt mprtiate de moleculele de oxigen, bioxid de carbon, particule de
praf, etc. i cerul capt culoarea albastr. Dac cerul este acoperit cu nori, radiaiadirect este egal cu zeroi avem numai radiaia difuz. Radiaia solar total incidentnotat(G) reprezint suma celor trei componente: radiaia direct-B, difuz-D ireflectat-R.
Radiaia reflectat este notat cu R. De obicei, se opereaz cu radiaia reflectat desuprafaa pmntului i care cade pe colectorul solar sau panoul fotovoltaic. n cele maimulte cazuri, aceast component nu se ia n calcule, cu excepia colectoarelor sau
panourilor fotovoltaice bifaciale (ambele suprafee: cea orientat spre soare i ceaorientat spre suprafaa pmntului sunt lucrative). Radiaia total incident pe suprafaaunui corp va fi egal cu suma radiaiei directei difuze i (fig. 5):
DBG (3.2)
Radiaia solar pe suprafaa pmntului-Densitatea de putere radiant, S, n spaiulextraterestru este constant i egal cu 1367 W/m2. Suprafaa expus iradierii este egal
cu2
R , unde R este raza pmntului, iar suprafaa total a globului pmntesc - cu2R4 . Densitatea medie de putere radiant, Smedcaptat de pmnt va fi:
2
medm/W342
4
1367
4
SS (3.3)
Razele solare trecnd prin atmosfer sunt supuse unor modificri eseniale. Unelesunt absorbite de moleculele de aer, altele mprtiate (componenta difuz), iar altele
ptrund atmosfera fr a fi afectate (componenta direct) i fie sunt absorbite saureflectate (componenta reflectat) de obiecte de pe suprafaa pmntului.
Se constat o absorbie puternic a radiaiei ultraviolete n banda cu lungimea deund mai mic de 0,3 m de ctre moleculele de ozon (stratul de ozon este ecranulprotector a biosferei de razele ucigtoare ultraviolete), o transparen mare a atmosferei n
banda vizibil 0,4<
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
7/44
30
Fig. 6 Distribuia spectral a densitii de putere radiant
Soarele este principala surs de energie, care determina clima pe pmnt. Fiecare
metru ptrat al nveliului exterior al atmosferei primete 342 W din care 31% (106 W)imediat sunt reflectai n spaiu de ctre nori, atmosfer i suprafaa terestr (fig.7).Restul, adic 236 W/m2 este absorbit de suprafaa solului, apa oceanului planetar i
parial de ctre atmosfer, nclzindu-le. Suprafaa pmntului cedeaz n spaiu aceiaicantitate de energie (236 W/m2), dar deja n banda de und infraroie: parial nveliuluiatmosferic, parial norilor i vaporilor de ap, care condensndu-se se rcesc i transmitcldura atmosferei. Datorit schimbului de energie dintre suprafaa pmntului, atmosferi spaiul cosmic se menine o temperatur medie global constant de circa 150C lanivelul mrii i care scade rapid cu nlimea atingnd -580C n straturile de sus aletroposferei.
Atmosfera pmntului conine cteva gaze, numite gaze cu efect de ser (GES):
bioxidul de carbon CO2, metanul CH4, oxidul de azot N2O i vaporii de ap H2O. Oproprietate comun ale GES const n absorbia de ctre moleculele acestora a radiaiei nbanda infraroie emis de suprafaa pmntului, atmosfer i nori. Molecula respectivncepe a vibra i la rndul su emite radiaie n acelai spectru infrarou, care esteabsorbit de alte molecule GES. Astfel, fenomenul de absorbie - emisie - absorbieconduce la pstrarea energiei n stratul de jos al atmosferei.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
8/44
31
Fig. 7 Echilibrul simplificat al fluxurilor de energie n sistemul suprafaapmntului - atmosfer
Efectul de ser-joac un rol crucial n meninerea vieii pe pmnt. Dac nu aravea loc efectul de ser, atunci temperatura la suprafaa pmntului va fi determinate deechilibrul dintre cantitatea de energie cedat de pmnt n spaiu i cea primit prinintermediul radiaiei solare. n conformitate cu legea lui tefan-Boltzman cantitatea deenergie emis de un corp cu temperatura efectiv Tese determin cu relaia:
4
eeTAW (3.4)
unde = 5,67x10-8 W/m2 K4 - este constanta lui tefan-Boltzman; A - aria corpului.Formula se obine n rezultatul integrrii expresiei densitii puterii spectrale. n
cazul pmntului 4e
2
e TR4W . Din alt parte pmntul obine de la soare o cantitate
de energie egal cu 0,69 S/4 (fig.7). n condiia echilibrului termic cantitatea de energieprimit este egal cu cantitatea de energie emis, de unde obinem temperatura efectiv asuprafeei pmntului Te:
4e
4
S69,0T (3.5)
Calculul radiaiei solare disponibile. GeneralitiPentru proiectarea unei instalaii de conversie a energiei solare n energie termicsau electric este necesar s cunoatem radiaia solar disponibil pe suprafaa captatoarefie a colectorului solar, fie a modulului (panoului) fotovoltaic. Totoda t, radiaia solareste o funcie variabil ce depinde de mai muli factori: latitudinea i altitudinea locului,anotimpul, ziua, ora, gradul de nebulozitate, coninutul de praf, vapori de ap i aerosolin atmosfer. Este evident c nu pot exista una sau mai multe expresii matematice care ar
permite calculul radiaiei solare, lund n consideraie toi aceti factori, n particular, ceicu caracter aleatoriu - nebulozitatea, coninutul de praf, aerosoli, etc.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
9/44
32
Proiectarea unei instalaii solare i productivitatea acesteia se fac pe baza
msurrilor sistematice ale componentelor radiaiei solare. n majoritatea cazurilor seutilizeaz rezultatele msurrilor pentru o suprafa orizontal ale radiaiei directe idifuze pe o durat de o or.
Unghiul de nclinaie a planului este unghiul dintre planul suprafeei studiat isuprafaa orizontal -180o 180o. - fig. 8. Aceast valoare nu depete 90o pentruaplicaii
Fig. 8. Explicaia referitor la unghiurile:de nclinaie, , azimutal, , azimutal solar, s, nlare a soarelui, s
Unghiul de nlare al soarelui,s, - unghiul dintre orizont i linia ce leg
soarele i punctul de interes, altfel spus, raza solar incident n punctul de interes (figura11).
Unghiul zenital,z, - unghiul dintre vertical i linia ce leg soarele i punctul
de interes, altfel spus, unghiul complementar unghiului s (figura 8).
Unghiul orar, , - determin poziia soarelui pe bolta cereasc ntr-un momentdat. Este egal cu zero n momentul trecerii de ctre soare a meridianului local, altfel spusn momentul amiezii, pozitiv spre est i negativ - spre vest (figura 9). Respectiv,
s,
corespunde unghiului de rsrire, iars
, - de asfinire a soarelui. Este evident, c ntr-oor soarele traverseaz pe bolta cereasc un unghi egal cu 150, iar poziia lui la orice orT se determina cu expresia:
T1215 (3.6)
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
10/44
33
Fig. 9. Unghiul orar, , de rsrire, s, - sn figura 13 este prezentat colectorul solar C direcionat spre sud (unghiul =0,
figura 8). Suprafaa planului C este nclinat fata de orizont cu unghiul
Fig. 10. Radiaia solar direct pe un plan nclinat n momentul amiezii: 0 , 0
Radiaia solar pe suprafaa colectorului va fi maximal n momentul amiezii,cnd unghiul de nlare al soarelui, s, ( figura 9) va fi maxim, iar drumul parcurs de raza
solar - minim i unghiul orar = 0. Aceast situaie va avea loc dac radiaia directcade perpendicular pe suprafaa colectorului C. Din figura 10, rezult c
z=
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
11/44
34
3.2.Test de evaluare
1.Radiaia solar pe suprafaa colectorului va fi maxim cnd :a. unghiul de nlare al soarelui este maxim; b. drumul parcurs de raza solar este minim; c. unghiul orar egal cu zero.R: a,b,c
2.Unghiul de nlare al soarelui este:a. unghiul dintre vertical i linia ce leag soarele de punctul de interes; b. unghiul dintre orizont i linia ce leag soarele de punctul de interes; c. unghiul care determin poziia soarelui pe bolta cereasc ntr-un moment dat.R: b
3.Radiaia solar este o funcie variabil care depinde de urmtorii factori:a. latitudinea i altitudinea locului; b. anotimp, zi i or;c. condiiile atmosferice.R: a,b,c
4.Radiaia solar total incident reprezint :a. suma radiaiei directe, difuze i reflectat;b. suma radiaiei directe i difuze;
c. suma radiaiei difuze i reflectate. R: a,
5.Formula lui Plank face legtura ntre :a. densitatea de putere i temperatur;b. densitatea de putere i lungimea de und; c. densitatea de putere, temperatur i lungimea de und. R: c
3.3. Lucrare de verificare1. Explicai modelul corp absolut negru 2. Care sunt componentele radiaiei solare? 3. Explicai efectul de ser.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
12/44
35
Unitatea de nvare 4
CuprinsENERGIA SOLAR FOTOVOLTAIC. INTRODUCERE. CELULA
FOTOVOLTAIC I CARACTERISTICILE EI4.1. Obiective4.2. Test de autoevaluare4.3. Lucrare de verificare
4.1 Obiective
- s explice factorii de care depinde eficiena celulei solare -s clasifice celulele solare -s enumere tipurile de siliciu din care se confecioneaz celulele solare -s explice principiul de funcionare al celulei solare cu semiconductori
Energia solar fotovoltaic. Introducere. Celula fotovoltaic i caracteristicile ei
Antoine Becquerel a descoperit posibilitatea generrii unui curent e lectric n circuit
sub aciunea luminii (n 1839).Frenkel (1935), Landau (1936) au dat explicaii asuprafenomenului. Conversia radiaiei solare n energie electric prin efectul fotovoltaic serealizeaz n celule solare direct, fr etape intermediare de transformare n cldur. Celula solar: dispozitiv realizat cu materiale semiconductoare. Celulele solare pot fi cu:
semiconductoare monocristaline straturi subiri policristaline sau amorfe pe baz de Si cele cu GaAs: dau eficiena de conversie ridicat 18-25% CdS policristalin, Si amorf hidrogenat: au randamente mai sczute: 5 -12%
Aplicaii n care intervin celule solare ca generatoare electrice
- generatoare izolate de mic putere (calculatoare de buzunar, radioreceptoareportabile)- generatoare locale de putere medie ( aparate electrocasnice, vehicule electrice)- generatoare de mare putere (pentru alimentarea reelei de curent alternativ). Factorii de care depinde eficiena celulei solare
O celul fotovoltaic transform doar o parte din energia radiant n energie electric,restul se pierde ca urmare a unei serii de procese ce se petrec n timpul conversiei:- procese care intervin cnd energia este sub form de radiaie (pierderi de radiaie) - procese care intervin dup ce energia radiant a fost transferat semiconductorului
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
13/44
36
- pentru fiecare proces se poate defini cte o eficien parial:Eficiena celulei rezult ca un produs al tuturor eficienelor pariale: - ptrunderea luminii prin suprafa- absorbia incomplet- generarea purttorilor- pierderi de curent datorate recombinrii - pierderi de tensiuneJumtate din energia absorbit de la soare se pierde sub form de cldur . Aceastpierdere face ca maximul de eficien a celulelor fotovoltaice s fie n jur de 25%.Ocelul solarconst din dou sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai
ntlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprins ntre 0,001 i 0,2 mm i suntdopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonciuni p i n. Aceaststructur e similar cu a unei diode. Cnd stratul de siliciu este expus la lumin se va
produce o agitaie aelectronilor din material i va fi generat uncurent electric.Celulele, numite i celule fotovoltaice, au de obicei o suprafa foarte mic i curentulgenerat de o singur celul este mic darrealizndu-se combinaii serie, paralel ale acestorcelule se pot produce cureni suficient de mari pentru a putea fi utilizai n practic.Pentru aceasta, celulele sunt ncapsulate n panouri care le ofer rezisten mecanic i laintemperii.
Celulele solare pot fi clasificate dup mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu estedup grosimea stratului de material. Aici deosebim celule cu strat gros i celule cu stratsubire.
Dup structur de baz deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectivamorfe.Strat gros
-Celule monocristaline (c-Si)-randament mare - n producia n serie se pot atinge pn lapeste 20 % randament energetic, tehnic de fabricaiepus la punct; totui procesul defabricaie este energofag, ceea ce are o influen negativ asupra periodei de recuperare(timp n care echivalentul energiei consumate n procesul de fabricare devine egalcantitatea de energia generat).- Celulepolicristaline (mc-Si)-la producia n serie s-a atins deja un randament energeticde peste la 16 %, cosum relativ mic de energie n procesul de fabricaie, i pn acum cucel mai bun raport pre performan.
Strat subire Celulecu siliciu amorf(a-Si)-cel mai mare segment de pia la celule cu strat subire; randamentenergetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu exist strangulri n aprovizionare chiar i la o
producie de ordinul TeraWatt -Celule pe baz desiliciu cristalin, ex. microcristale (c-Si)- n combinaie cu siliciul amorf randament mare;tehnologia aceeai ca la siliciul amorf.
Celulele pe baz de siliciuse clasific:
http://ro.wikipedia.org/wiki/Soarehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Soarehttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Semiconductor&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Jonc%C5%A3iunehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Jonc%C5%A3iunehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Diod%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Lumin%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Lumin%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Electronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Electronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Curent_electrichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Curent_electrichttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Monocristaline&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Randamenthttp://ro.wikipedia.org/wiki/Energiehttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Policristaline&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Amorf&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Amorf&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Amorf&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Policristaline&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Energiehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Randamenthttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Monocristaline&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Curent_electrichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Electronhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Lumin%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Diod%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Jonc%C5%A3iunehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Semiconductor&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Soare7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
14/44
37
1. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa III-V Celule cu GaAsrandament mare, foarte stabil la schimbrile de temperatur, la nclzire o pierderede putere mai mic dect la celulele cristaline pe baz de siliciu, robust vizavi deradiaiaultraviolet, tehnologie scump, se utilizeaz de obicei n industriaspaial(GaInP/GaAs, GaAs/Ge)
2. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa II -VI Celule cu CdTeutilizeaz o tehnologie foarte avantajoas CBD(depunere de staturi subiri pesuprafee mari n mediu cu pH , temperaturi concentraiede reagentcontrolate) ; n laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate
pn acum au atins un randament sub 10%, nu se cunoate fiabilitatea. Dinmotive de protecia mediului este improbabil utilizarea pe scar larg.
3. Celule CIS, CIGS-CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs nstaie pilot la firma Wrth Solar n Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell n Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs n staie pilot n Uppsala/Suedia. Productorii de mai sus promittrecerea la producia n mas n anul 2007.
4. Celule solare pe baz de compui organici-Tehnologia bazat pe chimiaorganic furnizeaz compui care pot permite fabricarea de celule solare maiieftine. Prezint, totui, un impediment faptul c aceste celule au un randamentredus i o durat de via redus (max. 5000h). nc ( ianuarie 2007) nu existcelule solare pe baz de compui organici pe pia.
5. Celule pe baz de pigmeni-Numite i celule Grtzel utilizeaz pigmeni naturalipentru transformarea luminii n energie electric; o procedur ce se bazeaz peefectul defotosintez. De obicei sunt de culoare mov.
6. Celule cu electrolit semiconductor-De exemplu soluia: oxid de cupru/NaCl.Sunt celule foarte uor de fabrict dar puterea i sigurana n utilizare sunt limitate.
7. Celule pe baz de polimeri-Deocamdat se afl doar n faz de cercetare. Seleniul i telurul se regsesc n cantiti mici n nmolul anodic rezultat n urma procesului de
electroliza cuprului iar productorii de cupru utilizeaz doar o parte din nmolul rezultat pentruextragerea de telur i seleniu. Actualmente celulele solare pe baz de materiale semiconductoaresunt celepe baz desiliciu.Celulele solare pe baz de materiale semiconductoare utilizate pentru
producerea de energie electric sunt legate n module. Pe un modul se afl mai multe rnduri de
celule solare conectate n serie ntre ele pe faa i pe reversul modulului permind, datorittensiunii nsumate, utilizarea unor conductori cu seciune mai mic dect la legarea n paralel.Pentru protejarea unei celule solare mpotriva efectului de avalan n jonciune, datorat
potenialului mai mare (aprut de exemplu la umbrirea parial a modulului), trebuie ncorporateparalel cu celulele solare diode de protecie(bypass)-fig.1,2.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Puterehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Radia%C5%A3iehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Radia%C5%A3iehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Sond%C4%83_spa%C5%A3ial%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Sond%C4%83_spa%C5%A3ial%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Sond%C4%83_spa%C5%A3ial%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Sond%C4%83_spa%C5%A3ial%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Temperatur%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Temperatur%C4%83http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Concentra%C5%A3ie&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Concentra%C5%A3ie&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Cupruhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Indiuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Sulfhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Galiuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Ianuariehttp://ro.wikipedia.org/wiki/2007http://ro.wikipedia.org/wiki/2007http://ro.wikipedia.org/wiki/Fotosintez%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Fotosintez%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Fotosintez%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Electroliz%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Electroliz%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Cupruhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Jonc%C5%A3iunehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Jonc%C5%A3iunehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Siliciuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Cupruhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Electroliz%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Fotosintez%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/2007http://ro.wikipedia.org/wiki/Ianuariehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Galiuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Sulfhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Indiuhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Cupruhttp://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Concentra%C5%A3ie&action=edit&redlink=1http://ro.wikipedia.org/wiki/Temperatur%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Sond%C4%83_spa%C5%A3ial%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Sond%C4%83_spa%C5%A3ial%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Radia%C5%A3iehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Putere7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
15/44
38
Fig.1. Principiul de funcionare a celulei solare cu semiconductori: Fotoniiincidentali elibereaz electroni i goluri, care se vor separa n cmpul electric alzonei de sarcin spaial a jonciunii p-n
Fig.2. Structura unei celule solare simple cu impurificare pin - positive intrinsic
negative.
Celulele solare pe baz de materiale semiconductoare n principiu sunt construite ca nitefotodiode cu suprafa mare care ns nu se utilizeaz ca detectoare de radiaii cica surse de curent.Interesant la acest tip de semiconductoare este c prin absorbie deenergie (cldur sau lumin) elibereaz purttori de sarcin (electroni i goluri). Estenevoie de un cmp electrostatic intern pentru ca din aceti purttori s se creeze un curent
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
16/44
39
electric dirijndu- i n direcii diferite. Acest cmp electric intern apare n dreptul unei
jonciuni p-n. Pentru c intensitatea fluxului luminos scade exponenial cu ad ncimea,aceast jonciune este necesar s fie ct mai aproape de suprafaa materialului i s se
ptrund ct mai adnc. Aceast jonciune se creeaz prin impurificarea controlat.Pentru a realiza profilul dorit, n mod normal se impurific n un strat subire desuprafa i p stratul gros de dedesubt n urma cruia apare jonciunea. Sub aciuneafotonilor apar cupluri electron-gol n jonciune, din care electronii vor fi accelerai spreinterior, iar golurile spre suprafa. O parte din aceste cupluri electron-gol se vorrecombina n jonciune rezultnd o disipare de cldur, restul curentului putnd fi utilizatde un consumator, ncrcat ntr-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat nreeaua public. Tensiunea electromotare maxim la bornele unei celule solare (deexemplu la cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.
Structura celulelor solare se realizeaz n aa mod nct s absoarb ct mai multlumin i s apar ct mai multe sarcini n jonciune. Pentru a ceasta electrodul desuprafa trebuie s fie transparent, contactele la acest strat s fie pe ct posibil de subiri,
pe suprafa se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micora gradul de reflexie aluminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoarea negru-albstruie acelulelor solare care fr aceasta ar avea o culoare gri-argintie. La celulele solaremoderne se obine d in nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD(pe o suprafa nclzit sedepun n urma unei reacii chimice componente extrase dintr-o faz gazoas) un stratantireflectorizant de cca 70 nm grosime (sfert de lungime de und la un coeficient de
refracie de 2,0). Se mai utilizeaz straturi reflectorizante din SiO2 i TiO2 ce se depunprin procedeul AP-CVD. Grosimea stratului influeneaz culoarea celulei (culoarea deinterferen). Grosimea stratului trebuie s fie ct se poate de uniform, deoarece abateride civa nanometri mresc gradul de reflexie. Celulele i datoreaz culoarea albastrrealizrii unei grosimi ce corespunde lungimii de und a culorii roii, culoarea cea mai
bine absorbit de siliciu. n principiu ns n acest mod se pot realiza celule roii, galbene,sau verzi la cerine arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. n cazulnitratului de siliciu i a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are i un rol de areduce viteza de recombinare superficial. Dac la nceput pentru producerea celulelorsolare se utilizau deeuri rezultate din alte procese tehnologice pe baz desemiconductori, astzi se apeleaz la materiale fabricate special n acest scop. Pentru
industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape ideal. Este ieftin, se poateproduce ntru-un singur cristal la un nalt grad de puritate i se poate impurifica(dota) nsemiconductor de tip n sau p. Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoaresubiri. Totui lrgimea zonei interzise fac siliciul mai puin potrivit pentru exploatareadirect a efectului fotoelectric. Celulele solare pe baz pe siliciu cristalin necesit ogrosime de strat de cel puin 100 m sau mai mult pentru a pute a absorbi eficient luminasolar. La celulele cu strat subire de tip semiconductor direct ca de exemplu GaAs sauchiar siliciu cu structura cristalin puternic perturbat sunt suficiente 10 m.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Efectul_fotoelectrichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Efectul_fotoelectric7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
17/44
40
n funcie de starea cristalin se deosebesc urmtoarele tipuri de siliciu:
Monocristaline-Celulele rezult din aa numitele Wafer (plci de siliciu dintr-uncristal). Aceste cristale reprezint materia de baz pentru industria desemiconductori i sunt destul de scumpe.
Policristaline-Celulele sunt din plci care conin zone cu cristale cu orientridiferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt maiieftine i ca atare cele mai rspndite n producia de dispozitive fotovoltaice.Deseori ele se numesc i celule solare policristaline.
Amorfe-Celulele solare constau dintr-un strat subire desiliciu amorf (frcristalizare) i din aceast cauz se numesc celule cu strat subire. Se pot producede exemplu prin procedeul de condensare de vapori de siliciu i sunt foarte ieftine,dar au un randament sczut n spectru de lumin solar, totui au avantaje lalumin slab.
Microcristaline- Acestea sunt celule cu strat subire cu structur microcristalin.Au un randament mai bun dect celulele amorfe i nu au un strat att de gros cacele policristaline.Celule solare tandem- sunt straturi de celule solare suprapuse, de obicei ocombinaie de straturi policristaline i amorfe. Straturile sunt din materiale diferitei astfel acordate pe domenii diferite de lungimi de und a luminii. Prin utilizareaunui spectru mai larg din lumina solar, aceste celule au un randament mai maredect celulele solare simple. Se utilizeaz parial la fabricarea depanouri solare
dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabil se va obine prin utilizarea ncombinaie cu sisteme de lentile, aa numitele sisteme de concentrare.
Celulele solare obinuite pot fi confecionate dup mai multe metode de fabricaie. Dinsiliciul brut printr-un proces de fabricaie n trepte bazat pe triclorsilan se obine siliciulpolicristalin de cea mai mare puritate. Pentru fabricarea de celule solare este foarteimportant puritatea plcii de siliciu n toat masa ei pentru a asigura o ct mai maredurat de via pentru purttorii de sarcin, pe cnd nmicroelectronic cerina de foartenalt puritate se rezum n principiu la stratul superior pn la o adncime de 20-30 m.Deoarece ntre timp consumul de siliciu de nalt puritate pentru fabricarea de celulefotovoltaice a ntrecut pe cel pentru microelectronic, actualmente se fac cercetri intense
pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai ieftine optimizate pentru celulesolare.
Cu toate c procesul de producie a siliciului pur este foarte energofag, energia consumatla fabricarea celulelor solare, n funcie de tehnologia utilizat, se poate recupera n 1,5
pn la 7 ani. Dac se ia n considerare c durata de via a panourilor solare este de peste20 ani bilanul energetic rezultat este pozitiv.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_fotovoltaichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_fotovoltaichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_fotovoltaichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_fotovoltaichttp://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_fotovoltaic7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
18/44
41
Celulele solare cu strat subire se gsesc n diferite variante dup substrat i materialul
condensat avnd o varietate a proprietilor fizice i a randamentului pe msur. Celulelesolare cu strat subirese deosebesc de celulele tradiionale (celule solare cristaline bazate
pe plci de siliciu) nainte de toate n tehnologia de fabricaie i grosimea stratuluimaterialului ntrebuinat. Proprietile fizice ale siliciului amorf, care se deosebesc de celeale siliciului cristalin determin proprietile celulelor solare.
La celulele solare cristaline lumina este absorbit deja ntr-un strat superficial (de oadncime de cca 10 m). n comparaie cu celulele din plci de siliciu cristalin , celulelecu strat subire sunt de 100 de ori mai subiri. Celulele cu strat subire se obin de cele maimulte ori prin condensarea din faz gazoas direct pe un material purttor care poate fisticl, folie metalic, material sintetic sau alt material.
Una din proprietile avantajoase a celulelor cu strat subire const n fap tul c nunecesit un substrat rigid ca de exemplu sticl sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce
pot fi fixate pe rucsac sau cusute pe hain, se accept un randament mai sczut deoarecefactorul greutate este mai important dect transformarea optim a Celule cu concentrator-La acest tip de celul se economisete suprafa de material semiconductor prin faptul clumina este concentrat pe o suprafa mai mic prin utilizarea lentilelor, acestea fiindmult mai ieftine dect materialul semiconductor. n mare parte la acest tip de celule seutilizeaz semiconductori pe baz de elemente din grupa III-V de multe ori aplicate ntandem sau pe trei straturi. Din cauza utilizrii lentilelor, panourile cu acest tip de celule
trebuie orientate mereuperpendicular pe direcia razelor solare. Celule solare electrochimice pe baz de pigmeni-Acest tip ce celule se mai numesc icelule Grtzel.Spre deosebire de celulele prezentate pn acum la celule Grtzel curentulse obine prin absorbie de lumin cu ajutorul unui pigment, utilizndu-se oxidul de titanca semiconductor. Ca pigmeni se utilizeaz n principiu legturi complexe al metaluluirar ruthenium, dar n scop demonstrativ se pot utiliza i pigmeni organici, de exempluclorofila, sau anthocian (din mure).
Celulele solare din compui organici -utilizeaz legturi carbon-hidrogen care auproprieti semiconductoare. n aceti semiconductori lumina excit goluri/electroni d in
legturile de valen, care ns au un spectru de lungime de und destul de restrns. Deaceea deseori se utilizeaz dou materiale semiconductoare cu nivele de energie puindiferite pentru a mpiedica dispariia acestor purttori. Randamentul pe o suprafa de1cm se cifreaz la maximal 5 %.
4.2.Test de autoevaluare1.Celulele solare se clasific, dup grosimea stratului de material, n :a. celule cu strat gros;
http://ro.wikipedia.org/wiki/Pigmenthttp://ro.wikipedia.org/wiki/Pigment7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
19/44
42
b. celule amorfe;
c. celule cu strat subire. R: a,c2.Structura celulelor solare se realizeaz astfel nct :a. s absoarb ct mai mult lumin; b. s apar ct mai multe sarcini n jonciune; c. s elibereze purttori de sarcin
R: a,b, c3.n timpul conversiei energiei radiante n energie electric, o celul fotovoltaic pierdeenergie:a. datorit radiaiei;b. datoritabsorbiei incomplete;c. la transferul n semiconductorR: a,b, c
4.3.Lucrare de verificare
1. Enumerai i descriei tipurile de celule fotovoltaice cunoscute. 2. Explicai construcia i funcionarea celulelor pe baz de materiale semiconductoare. 3. Care sunt tipurile de siliciu folosite n construcia celulelor solare n funcie de stareacristalin?
Unitatea denvare 5
Cuprins:ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAIC. PARAMETRII CELULELOR I
MODULELOR PV. INFLUENTA RADIATIEI SOLARE I TEMPERATURIIASUPRA CARACTERISTICILOR CELULELOR I MODULELOR PV.
MODULE FOTOVOLTAICE
5.1. Obiective5.2. Test de autoevaluare5.3. Lucrare de verificare
5.1. Obiective
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
20/44
43
-s indice caracteristicile tehnice ale celulei solare
-s explice schemele de conectare i echivalente ale unei celule solare -s explice construcia i principiul de funcionare al unei celule fotovoltaice -s defineasc parametrii celulelor i modulelor PV
Energia solar fotovoltaic. Parametrii celulelor i modulelor PV. Influenta radiatieisolare i temperaturii asupra caracteristicilor celulelor i modulelor PV. Modulefotovoltaice
Caracteristici tehnice.
Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt dai pentru condiii standard (STC,Standard Test Conditions.:
Intensitate luminoas de 1000 W/m2 n zona panoului,Temperatura celulei solare constant 25 C,Spectrul luminii AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC904.
AM 1,5 global indic slbirea luminii solare la suprafaa pmntului n funcie delatitudine datorit parcurgerii unei mase mai mari de aer proporional culatitudinea (n acest caz se consider latitudinea de 50). n iarn condiiilecorespund unor valori de AM 4 pn la AM 6. Prin absorbie atmosferic i
spectrul luminii ce cade pe panou se deplaseaz. Global indic faptul c luminaeste compus att din lumina difuz ct i din cea direct.Este de remarcat c nrealitate ndeosebi vara la prnz, temperatura celulelor solare (n funcie de
poziie, condiii de vnt etc.) poate atinge 30 pn la 60 C ceea ce are caurmare o scdere a randamentului. Din acest motiv se ia n calcul un altparametru, PNOCTcare indic puterea la temperatura de funcionare normal(normal operating cell temperature).
Prescurtri utilizate:
SC: Short C ircuit - scurtcircuit
OC: Open Circuit - mers n golMPP: Maximum Power Point -punctul de putere maximPR: Performance Ratio Qualittsfaktor Factor de performan, indic poriunea ncare panoul furnizeaz curentul la valori nominale.
Caracteristicile unei celule solare sunt:
Tensiunea de mers n gol UOC (auch VOC)Curentul de scurtcircuitISC
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
21/44
44
Tensiunea n punctul optim de funcionare UMPP (auch VMPP)
Curentul n punctual de putere mazim IMPPPuterea maxim estimatPMPPFactor de umplere
(5.1)
Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celuleiRandamentul celulei solare la o suprafa iluminat A i intensitate luminoas Popt
(5.2)
Celulele solare deci pot ceda o putere de 160 W/ m. Incluse n module puterea pesuprafa va fi mai sczut pentru c ntre celule i marginea modulului este o distan.
Randamentul este raportul dintre puterea debitat de panou i putere coninut n luminaincident total. Semiconductoarele cu zona interzis stabil utilizeaz doar o parte a
luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins n acest caz este de 33 %, pecnd randamentul teoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise carereacioneaz la toate lungimile de und a luminii solare este de 85 %.
Tabelul 1
Material Randament(AM1,5) Durat de via Costuri
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
22/44
45
Siliciu amorf 5-10 % < 20 J ani
Siliciu policristalin 10-15 % 25-30 ani 5 EUR/W
Siliciu monocristalin 15-20 % 25-30 ani 10 EUR/W
Arseniura de galiu (monostrat) 15-20 %
Arseniura de galiu (dou straturi) 20 %
Arseniura de galiu (tre i straturi) 25 % (30% la AM0) >20 ani 20-100 EUR/W
Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 20 %, iar modulele construite cuacestea ating un randament de cca 17 %. Recordul pentru celulele fabricate n condiii de
laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-auconfecionat panouri cu un randament de 22 %. Preul acestor module fabricate prinprocedeul de topire zonal este de cca 200 Euro pe celul la o suprafa a celulei de 21,6cm2, corespunznd unui cost de 5-10 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri de 5 pn la 10ori mai mari-tabelul 1.
mbtrnirea conduce la scderea randamentului cu cca 10% n 25 ani. Fabricanii daugaranii pe cel puin 80% din puterea maxim n 20 ani. n spaiu constanta solar estemai mare dect iluminarea global pe pmnt, totodat celulele solare mbtrnesc mairepede. Panourile pentru satelii ating un randament de 25 % la o durat de via de 15ani.
Scheme de conectare
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
23/44
46
Fig.1 Schem de conectare i schem echivalent a unei celule solare
Semnul convenional pentru o celul solar se indic asemntor unei diode sau fotodiodeprin intermediul unei sgein sensul curentului pentru conectare. Caracteristica unei
celule solare se deosebete totui de cea a unei fotodiode ideale. Pentru a modela acestediferene, exist mai multe scheme echivalente-fib.1.
Schema echivalent simplificateste compus dintr-o surs de curent legat n paralel cuodiodideal. Aceast surs produce un curent dependent de intensitatea luminii i estemodelat de fotocurentulIPh. La valoare curentului total contribuie i curentul prin diod ,
ID.
(5.3)
Schem echivalent extins (Model cu una sau dou diode)-fig.2
Fig.2 Model de celulul solar cu o diod
Schema extins ine cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar nprocesul de fabricaie. Prin aceasta se ncearc modelarea ct mai exact din punct devedere electric a celulei solare.Fa de schema echivalent simplificat la cea extins cu o diod, schema se ntregete cuo rezisten legat n paralel i una legat n serie.
http://ro.wikipedia.org/wiki/Diod%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Diod%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Diod%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Diod%C4%837/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
24/44
47
Rezistena n paralel Rp ia n considerare defectele de cristal, impurificri
neomogene i defecte de material prin care apar cureni de pierdere caretraverseaz jonciunea p-n. La celule solare bine construite aceast rezisten esterelativ mare.Cu rezistena n serie Rs se iau n considerare efectele n urma crora creterezistena total a elementelor componente. Acestea sunt n principal rezistenasemiconductorului, rezistena contactelor i a legturilor. La celulele solareaceast rezisten trebuie s fie ct se poate de mic.
Formula pentru curentul total n acest model este o funcie recursiv i arat astfel:
(5.4)
Fig.3 Model cu dou diode cu surs cu limitare de tensiune la efectul de avalan latensiune invers.
Fa de cea anterioar aceastei scheme i se mai adaug o diod cu ali parametri pentru aevidenia funcionarea n regim de tensiune invers. Formulele pentru aceast schemconin referiri la conductivitatea gb, tensiunea de strpungere Ub i coeficientulexponenial de avalan nbi arat astfel:
(5.5)
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
25/44
48
Amortizarea energetic este momentul n care energia consumat pentru
fabricarea celulei fotovoltaice este egalat de cea produs n timpul exploatrii. Cel maibine se prezint din acest punct de vedere celulele cu strat subire. Un panou solar (frcadru) cu astfel de celule se amortizeaz n 2-3 ani. Celulele policristaline necesit pnla amortizare cca 3-5 ani, pe cnd cele monocristaline 4-6 ani. Deoarece un sistem cu
panouri solare include i suporii de montare, invertor etc. , durata de amortizareenergetic se mrete cu cca 1 an.
Construcia i principiul de funcionare . Celula fotovoltaic este un dispozitivoptoelectronic, a crui funcionare se datoreaz efectului generrii de ctre lumin a
purttorilor de sarcin liberi i separarea lor de ctre cmpul electric intern al jonciunilorp-n,MOS sau Schottky. Ca material iniial pentru fabricare se utilizeaz siliciu cristalinsau policristalin, n care prin diverse metode tehnologice se formeaz straturi cu diverseconductibiliti pentru a obine jonciunea p-n. Materialul semiconductor de baz ce sefolosete pentru producerea celulelor PV este siliciul. n tabel se prezint randamentulconversiei PV bazate pe 3 tipuri de materiale fotovoltaice : siliciu cristalin, siliciu
policristalin i siliciu amorf.Tehnologia siliciului policristalin i cristalin este cea mai avansat, asigur pro-
ducerea de module PV la scar industrial cu un randament de 14 -17% i cu o durat devia a modulelor de 30 de ani. Aceast tehnologie are un dezavantaj: potenial limitat descdere n viitor a cos turilor de producere a celulelor PV. Tehnologia siliciului amorf i asiliciului n straturi subiri are perspectiv. Costurile unui watt produs cu aceste
tehnologii va scdea pn la 1- - cost limit la care energia electric PV devine maiieftin dect energia electric produs din surse fos ile.In fig. 4 este prezentat schema constructiv simplificat a celulei PVavnd la baz
material semiconductor de tip p. Analizm fenomenele care au loc n cazul cnd celulaPV este expus unei radiaii incidente. Aceast radiaie poate fi echivalat cu un flux defotoni, care au energia E=hv ,unde h este constanta lui Planck, iar v este frecvenafotonilor. Dac energia fotonului este mai mare ca energia benzii energetice interzise asemiconductorului, atunci, n urma interaciunii fotonului cu un atom, electronul din
banda de valen va trece n banda de conducie i, deci, o energie mai mic. iar fotonul Bare o frecven mai mare i, corespunztor, o energie mai mare (unda electromagnetic cufrecven mic ptrunde n material la adncimi mai mari i invers). Purttorii de sarcin
liberi sunt separai de cmpul electric al jonciunii p-n, caracterizat prin potenialul debarier U0i care, n funcie de tipul semiconductorului folosit, este de circa 0,2 - 0,7 V.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
26/44
49
A. B.Fig.4.Schema constructiv a ce lulei fotovoltaice.
Aici, cmpul e lectric va avea rolul de separator de sarcini libere - perechi electroni-goluri.Electronii vor fi dirijai spre zona n. golurile - spre zonap a celulei. Acesta este motivul
pentru care, sub influena luminii, zonap se ncarc pozitiv, iar zona nse ncarc negativ,ceea ce conduce la apariia unui curent electric prin circuitul extern, determinat deconversia fotovoltaic a radiaiei solare. Acest curent, (fig. 4-A ), duce la o cdere detensiune Upe sarcina externR.conectat la contactele din spate i contactul-gril frontal(fig. 4.B). Tensiunea U, n raport eu jonciunea p-nacioneaz n sens direct i, la rndulsu, va determina prin jonciune curentul diodei Id de sens opus curentului fotovoltaic Iscare se determin din expresia cunoscut:
, (5.6)
unde: I0- este intensitatea curentului de saturaie; k - constanta lui Boltzmann; T-temperatura absolut; e - sarcina electronului.
Caracteristicile celulei fotovoltaice. Caracteristicile principale ale celulei PV sunt:caracteristica amper-volt I(U) sau volt-amper U(I) i caracteristica de putere P(U).Curentul n circuitul exterior Ise determin ca diferen dintre curentul fotovoltaic Isicurentul diodeiId :
, (5.7)Ecuaiei (5.7) i corespunde schema echivalent simplificat a celulei PV,
prezentat n fig. (5, a). Dac se ine seama de rezistena Ri, de scurgeri prin jonciuneap-n a celulei PV i de rezistena serie a celulei Rs, se poate nlocmi o schem echivalentcomplet a celulei PV (fig. 5.b). Cu tehnologiile moderne se obin celule cu Ri= i Rs= 0 , astfel nct schema echivalent simplificat este satisfctoare.
a).
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
27/44
50
b).
c).
d).
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
28/44
51
Fig. 5. Scheme echivalente ale celulei PV: a- simplificata; b- completa;c,d- caracteristicile celulei.
Puterea electric cedat sarcinii R a unei celule PV este:
, (5.8)
Valoarea maxim a acestei puteri se obine ntr-un punct Mal caracteristicii curent-
tensiune, ale crui coordonate sunt rezultate din condiia dP/dU=0:,
, (5.9)
unde: UT=kT/ePentru o sarcin pasiv, valoarea optim a rezistenei sarcinii va fi:
. (5.10)
Parametrii celulelor i modulelor PV. n cartea tehnic a produsului, productorii
de celule i module PV indic parametrii ridicai n condiii standard: radiaia solar global pe suprafaa celulei,G=1000 W/m2 temperatura celulei, TC= 25
0C
masa convenional de aer, AM =1,5.n mod obligatoriu, n cartea tehnic se prezint: curentul de scurtcircuit, Isc ;ten-
siunea de mers n gol, U0 ; puterea maxim sau critic, Pc ; tensiunea i curentul npunctul critic, UMiIM. Pe lng aceti parametri, pot fi indicai suplimentar: factorul deumplere (Fill Factor), FF,randamentul celulei sau modulului PV, Temperatura Normal
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
29/44
52
de Funcionare a Celulei NOCT, coeficienii de variaie a tensiunii de mers n gol i a
curentului dc scurtcircuit cu temperatura.Curentul de scurtcircuit.Se obine la scurcircuitarea bornelor sarcinii R din fig.
5. Pe caracteristica I-Uacesta este punctul cu coordonatele U = 0.I= Isc . Din expresia(5.7), pentru U = 0, obinemIsc = 1. Puterea furnizat este egal cu zero.
Tensiunea de mers n gol. Corespunde punctului de pe caracteristica I-U cucoordonateleI=0, U = U0. Puterea debitat n acest punct este egal cu zero .Tensiuneade mers n gol poate fi determinat din (5.7) pentruI= 0:
(5.11)
Pentru o celul din siliciu raportulIs/I0, este de circa 1010
, factorul k T/e,numit itensiune termic, este egal cu 26 mV. Astfel U0= 0,6 V.Puterea critic sau maxim. Este produsul dintre curent i tensiunea
n punctulMacaracteristiciiI-V. n englez acest parametru se numete peakpowerisenoteaz PC.
(5.12)
Din punct de vedere geometric, puterea critic PC corespunde punctelor detangen ale hiperbolelor P= UI =const.ctre caracteristicile amper-volt I-U. (vezifig.5,d).Factorul de umplere se determin cu raportul ntre suprafeele
dreptunghiurilor OUMMIMi OU0KISC-(fig. 2.75,c) sau:
, (5.13)
de unde:. (5.14)
Factorul de umplere este msura calitii celulei PV. Cu ct este mai micrezistena intern RS a celulei PV, cu att FFeste mai mare. De obicei FF > 0,7.
Randamentul celulei sau al modulului PV. Se determin ca raportul
dintre puterea generat de celula sau modulul PV n punctul optim de funcionare M la o temperatur specificat i puterea radiaiei solare.
, (5.15)
unde PCeste puterea livrat n W; A este suprafaa celulei sau modulului n m; G -radiaia global incident pe suprafaa celulei sau modulului n W/m2.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
30/44
53
Un modul PV cu randamentul de 12% i aria suprafeei de 1 m2, expus la radiaie
solar egal cu 1000 W/m2 va produce aproximativ 120W.n condiii de laborator au fost obinute celule din siliciu cristalin cu un randament
de 13-25% n funcie de suprafaa celulei, iar n condiii de fabric - 12-14%.Randamentul celulei din siliciu policristalin este de pn la 20% n condiii de labo rator.Limita teoretic a randamentului celulei din siliciu cristalin este de 37%, iar a ce lei dinsiliciu amorf - 28% .
Temp
era
tura
normal
de
fun
cionare a celulei. Corespunde temperaturii celulei PV la funcionare in gol latemperatura mediului de 20 C, radiaia global de 800 W/m2i viteza vntului mai micde 1 m/s. Pentru celule uzuale, parametrul NOCT se situeaz ntre 42 i 46 C. Dac estecunoscut parametrul NOCT, se poate determina temperatura celulei TC in alte condiii defuncionare caracterizate de temperatura mediului TAi radiaia global G;
, (5.16)
Influena radiaiei solare i a temperaturii asupra caracteristicilor celulelor imodulelor PV. Caracteristicile celulei PV pentru diferite valori ale radiaiei so lare suntprezentate n fig. 6,a. Se observ c, curentul de scurtcircuit este directproporional curadiaia solar, iar tensiunea de mers n gol variaz puin, deoarece conform (5.11)tensiunea U0 depinde logaritmic de radiaia solar (IS este proporional cu radiaia) iadesea n calcule practice aceast variaie se neglijaz .
Curentul de scurtcircuit pentru diferite valori ale radiaiei solare G poate fi determinatcu formula:
, (5.17)
undeIscst este curentul de scurtcircuit al celulei corespunztor radiaiei standard Gst=1000 W/m2.Temperatura celulei PV influeneaz semnificativ asupra tensiunii de mers ingol i cu mult mai puin asupra curentului de scurtcircuit ( fig. 6.b). O dat cu cretereatemperaturii, tensiunea de mers n gol scade
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
31/44
54
Fig. 6. Caracteristicile celulei PV la variatia radiatiei solare (a) i atemperaturii (b).
Pentru celule din siliciu, coeficientul devariaie a tensiunii cu temperatura Aceste
egal cu 2,3 mV/ C. . Astfel, parametrul U0pentru temperaturi diferite de cea standardse va calcula cu relaia:
U0 = U025 0,0023(t 25)(5.18)
unde U025 este tensiunea de mers n gol a celulei PV la temperatura standard; t-temperatura curent a celulei, C. n calculele de proiectare, variaia curentului descurtcircuit i a factorului de umplereFFin funcie de temperatur sunt neglijate.
Module fotovoltaice .Celulele folovoltaice produc energie electric de putere carenu depete1.5-2 W la tensiuni de0,5-0,6 V. Pentru a obine tensiuni i puteri necesareconsumatorului, celulele PV se conecteaz n serie i sau n paralel. Cea mai micinstalaie fotoelectric format din celule PV interconectate n serie i/sau n paralel,ncapsulate pentru a obine o rezisten mecanic mai mare i a proteja celulele deaciunea mediului se numete modul fotovoltaic. Un numr de module PV asamblatemecanic ca o unitate mai mare i conectate electric poart denumirea de panou sau cmpde module.
La proiectarea modulelor PV se ia in consideraie folosirea frecvent a modulelorPV pentru ncrcarea acumulatoarelor electrice, a cror tensiune este de 12 - 12.5 V.Astfel, n condiii de radiaie standard, tensiunea UMtrebuie s fie 16-18 V, iar tensiunea
de mers in gol 20 - 22,5 V. O singur celul genereaz n gol circa 0,6 V i trebuie saconectm n serie 33-36 de celule pentru a obine tensiunea necesar. Puterea modulului va oscila ntre 50 i 100 W. Construcia modulului PV este de
obicei dreptunghiular. Suportul se confecioneaz din aluminiu anodizat i separat destructura laminat a celulelor cu cptueal, care nu permite p trunderea umezelii.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
32/44
55
a).
b)
c)
Fig.7. Interconexiunea modulelor PV:a-serie,b-paralel,c-serie- paralel
Celulele PV sunt pro tejate de aciunea condiiilor nefavorabile, care pot intervenipe parcursul exploatrii de ctre un sistem care const dintr-un strat de sticl i cel puindou straturi (din fa i din spate) din etilen vinil acetat EVA sau polivinil butirol PVB.Pentru a obine tensiunea i puterea necesare consumatorului de energie electric,
modulele PV pot fi conectate n serie, paralel sau n serie-paralel (v. fig.7, a,b,c). Laconectarea n serie a dou module PV identice curentul debitat consumatorului rmneacelai, iar tensiunea crete de dou ori. n fig. 7,a modulele PV1 i PV2 conectate inserie ncarc bateria de acumulatoare GB. Punctul de funcionare a sistemului modulePV-GB este punctul de intersecieM al caracteristicilor respective a dou moduleconectate n serie i a bateriei de acumulatoare. Diodele VD1 i VD2, numite diod e deocolire sau by-pass se conecteaz n paralel cu fiecare modul sau cu un grup de moduleconectate n paralel (fig. 7,b). Diodaby-pass limiteaz tensiunea invers, dac un moduldin circuitul consecutiv este mai puin performant sau este umbrit i se evit
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
33/44
56
suprasolicitarea termic. n regim de funcionare normal, diodele VDl i VD2 nu
consum energie. Dioda VD numit antiretur, se conecteaz n serie cu sarcina. Aceastdiod evit situaia cnd modulul PV poate deveni consumator de energie. Punctul defuncionare al sistemului module PV - rezistena R este punctul de intersecie M alcaracteristicilor amper-volt ale modulelor i consumatorului I=(I/R) U. Diodeleantiretur VD11 i VD12 nu permit ca un modul sau un grup de module unite n paralel streac n regim de consumator atunci cnd nu sunt identice sau cnd sunt umbrite. nschema din fig. 7-c , modulele PVI-PV2 ,PV3-PV4 i PV5 PV6 sunt unite n serie, dar
ntre ele - n paralel. Astfel. se obine majorarea de dou ori a tensiunii i de trei ori acurentului. Evident, puterea instalaiei crete de ase ori.
Diodele VD1-VD6 sunt diode de ocolire, iar VD12, VD34,VD56- antiretur.Parametrii unui modul PV sunt determinai de parametrii celulelor din care este
confecionat. n continuare se va analiza un exemplu numeric pentru determinareaparametrilor modulului PV, care funcioneaz n condiii meteorologice specificate.Tabelul 2. Date ale modulelor PV
Date tehnice Tip modul
KC
35
KC
40
KC
45
KC
50KC60
KC
70
KC
80
KC
120
Puterea maxim,WC 35 40 45 50 60 70 80 120
Tensiunea n
pct.maxim,V
15 16,9 15 16,7 16,9 16,9 16,9 16,9
Curentul n pct.
Maxim,A
2,33 2,34 3 3 3.55 4,14 4,73 7,10
Tensiunea la mers n
gol,V
18,8 21,5 19,2 21,5 21,5 21 ,5 21,5 21,5
Curentul de
scurtcircuit ,A
2,50 2,48 3,10 3,10 3,73 4,35 4,97 7,45
Lungimea ,mm 471 526 573 639 751 865 976 1425
Limea,mm 652 652 652 652 652 652 652 652
Grosimea,mm 52 52 54 54 52 56 52 52
Masa,kg 4 4,5 4,5 5 6 7 8 11,9
Date tehnice Tip modul
KC
35
KC
40
KC
45
KC
50
KC
60
KC
70
KC
80
KC
120
Puterea maxim,WC 35 40 45 50 60 70 80 120
Tensiunea n
pct.maxim,V
15 16,9 15 16,7 16,9 16,9 16,9 16,9
Curentul n pct.
Maxim,A
2,33 2,34 3 3 3.55 4,14 4,73 7,10
Tensiunea la mers n
gol,V
18,8 21,5 19,2 21,5 21,5 21,5 21,5 21,5
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
34/44
57
Curentul de
scurtcircuit ,A
2,50 2,48 3,10 3,10 3,73 4,35 4,97 7,45
Lungimea ,mm 471 526 573 639 751 865 976 1425
Limea,mm 652 652 652 652 652 652 652 652Grosimea,mm 52 52 54 54 52 56 52 52
Masa,kg 4 4,5 4,5 5 6 7 8 11,9
5.2.Test de autoevaluare
1. Semnul convenional pentru o celul solar se indic :a. asemntor unei diode sau fotodiode prin intermediul unei sgei n sensul curentuluipentru conectare;b. asemntor unui triac prin intermediul unei sgei n sensul curentului pentru conectare;c. asemntor unui tranzistor prin intermediul unei sgei n sensul curentului pentruconectare;R: a2.Curentul de scurt circuit al celulei solare este:
a. curentul de scurt circuit cu tensiunea de mers n golb. direct proporional cu radiaia solar
c. invers proporional cu tensiunea de mers n golR: b3.Randamentul celulei solare este:a. raportul dintre puterea generat de celul n punctul optim de funcionare la o temperaturspecificat i puterea radiaiei solare b. direct proporional cu puterea livrat i invers proporional cu produsul dintre suprafaacelulei i radiaia global incident
c. direct proporional cu produsul dintre puterea generat de celul, aria acesteia i radiaiaglobal incidentR: a,b
5.3.Lucrare de verificare
1. Care sunt caracteristicile unei celule solare?2. Explicai construcia i principiul de funcionare al unei celule fotovoltaice. 3. Care este influena radiaiei solare i a temperaturii asupra caracteristicilor celulelor imodulelor PV?
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
35/44
58
Unitatea denvare 6
CuprinsSISTEME FOTOVOLTAICE. DIMENSIONAREA UNUI SISTEM
FOTOVOLTAIC. DOMENIILE DE UTILIZARE A ENERGIEI ELECTRICEFOTOVOLTAICE.
6.1. Obiective6.2. Test de autoevaluare6.3. Lucrare de verificare
6.1. Obiective:
-s explice structura unui sistem fotovoltaic-s enumere i s explice caracteristicile modulului PV -s defineasc rolul invertorului n subsistemul de condiionare a energiei electrice
al sistemului PV-s realizeze dimensionarea unui sistem fotovoltaic
Sisteme fotovoltaice. Dimensionarea unui sistem fotovoltaic. Domeniile de utilizarea energiei electrice fotovoltaice.
Structura unui sistem fotovoltaic. Celulele sau modulele PV nu sunt unicelecomponente ale unui sistem. Pentru asigurarea continu a consumatorului cu energieelectric, multe sisteme PV conin acumulatoare de energie electric. Modulul PV
prezint un generator de curent continuu (c.c.), dar adesea consumatorul de energie estede curent alternativ. Energia electric a unui panou voltaic-PV- are un caracter variabil,alternana zi/noapte, cer senin/cer acoperit provoac variaia ntr-o gam larg a fluxuluide energie i a tensiunii generate de modulul PV.
Astfel, apare necesitatea condiionrii fluxului de energie, folosind convertoareelectronice: c.c./c.a., cart ndeplinesc i funcia de monitorizare a procesului ncrcaredescrcare a acuniti latorului. c.c./c.a- pentru transformarea curentului continuu n curentalternativ . Pentru a evita supradimensionarea sistemului fotovoltaic adesea se foloseteo surs auxiliar de energie, fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiarreeaua electric public.
Toate aceste componente trebuie s fie interconectate, dimensionale ispecificate pentru a funciona ntr-un sistem unic, numit sistem fotovoltaic.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
36/44
59
Fig.1. Structura unui sistem fotovoltaic.
n fig.1 este prezentat structura unui sistem PV .Componentele principale sunt:
modulul, panoul, cmpul de module sau, altfel spus, generatorul fotovoltaic; bateria de acumulatoare; subsistemul pentru condiionarea energiei electrice care includ i elementele de
msurare,monitorizare i proiectare. sursa auxiliar de energie, de exemplu, un grup electrogen care funcioneaz cu
benzin sau motorin.n acest caz, sistemul PV se mai numete sistem PV hibrid.Sistemele PVse divizeaz n dou categorii principale:conectate la reea sau care
funcioneaz n paralel cu reeaua electric public i sisteme PV autonome
Funcionarea n sarcin a modulului PV. Celula PV, respectiv modulul PV,are cele mai bune performane n punctulunde puterea debitat pe sarcin este maxim.
Totodat,variaia radiaiei globale i a temperaturii provoac modificarea caracteristiciiI-V a modulului PV.
n cosecin punctul de funcionare a subsistemului modul PV - sarcin(punctul de intersecie al caracteristicilor I-V ale modulului i sarcinii) nu va coincide cupunctul unde puterea debitat pe sarcin este maxim . n fig. 2 sunt prezentatecaracteristicile I-V a trei dintre cei mai rspndii consumatori: rezistor, motor de c.c. cumagnei permaneni i un acumulator. Se prezint i caracteristica unui consumatorideal, pentru care punctul de funcionare coincide ntotdeauna cu punctul optim MCaracteristicile I-V se descriu cu urmtoarele expresii analitice:
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
37/44
60
Fig. 2. Caracteristicile I-V ale modulului PV si ale diferitilor consumatori.
Rezistor
, (6.1)
Motor de c.c.
, (6.2)Acumulator
(6.3)
unde U este tensiunea modulului PV ; k- constanta motorului; -fluxul de excitaie; -vitaza de rotaie; -rezistena indusului; -tensiunea de mers n gol a acumulatorului;
- rezistena interioar a acumulatorului. La pornirea motorului de c.c., curentul absorbit de la modul esle maxim i este
aproape de cel de scurtcircuit. Dei tensiunea pe indus este minim, pornirea are locdatorit momentului creat de produsul . Dac U=E0, acumulatorul este ncrcat iva consuma curent, n caz contrar curentul de ncrcare va crete o dat cu creterearadiaiei globale, respectiv cu tensiunea. O dat cu creterea curentului de ncrcare cretecderea de tensiune IRint.
Din figura 2, se observ c sarcina de tip rezistor sau motor de c.c. nu va funcio -na n punctul optim la variaia radiaiei. Va trebui s se modifice caracteristica I-Vamodulului PV sau a sarcinii pentru a urmri punctul de funcionare optim. In acest scopse folosesc convertoare electronice c.c./c.c. numite MPPT ( Maximum Power PointTracker).
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
38/44
61
a)
b)Fig. 3. Explicatia privind urmarirea punctului de putere maxima:
a). folosind tehnologia MPPT; b). Prin modificarea caracteristicii sarcinii.
MPPTse conecteaz ntre modulul PV i sarcin, pentru a modifica tensiunea laieire, astfel nct s se asigure urmrirea punctului optim de funcionare. n fig. 2.82sunt puse n eviden dou cazuri de urmrire a punctului maxim folosind tehnologiaMPPT (fig.3.a) i prin modificarea sarcinii (fig.3.b). n primul caz avem dou sarcini cucaracteristiciI-Vdiferite care, pentru simplitate, se admit ca fiind liniare. Pentru ambelesarcini constatm o deviere esenial a punctelor de funcion are A,B i D, C de lapunctele optimeM1iM2. n aceleai coordonate sunt trasate hiperboleleI=Pmax.1/Ui
I=Pmax.2/U . n orice punct al hiperbolelor menionate, puterea Pmax.1 i Pmax.2, suntmrimi constante i, respectiv, egale cu puterea maxim debitat n punctul M1sauM2.
Se consider c subsistemul modul PV -Sarcina 1 funcioneaz n punctul B incondiii de radiaie global egal cu G1. Pentru a obinede la modul o putere maxim, artrebui s se modifice caracteristica I-Va sarcinii, astfel nct s se intersecteze n punctul
M1.Acelai rezultat poale fi obinut dac se micoreaz tensiunea i se mrete curentuln comparaie cu punctulM1,deplasndu-se pe hiperbol n punctulBmax.. n mod analogse procedeaz dac se micoreaz radiaia de la G1 la G2. n cazul sarcinii 2, pentru aurmri punctul maxim va trebui s se procedeze invers: s se majoreze tensiunea i s semicoreze curentul (se va compara punctul Cmax cu C sau Dmax cu D). Convertorulelectronic MPPT trebuie s modifice tensiunea i curentul, astfel nct la ieire produsul
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
39/44
62
acestora s fie constant i egal cu puterea maxim generat de modulul PV expus
radiaiei globale G. n unele cazuri specifice, urmrirea punctului de putere maximpoate fi realizat prin modificarea caracteristiciiI-Va sarcinii, aa cum este prezentat nfig.3,b. Pentru radiaia solar maxim i egala cu G1, subsistemul modul PV- sarcina R1va funciona n punctul M1; n acest caz, contactele Kli K2 sunt nchise. La o valoaremedie a radiaiei solare egal cu G2, contactul K2 se deschide, caracteristica sarcinii I-Vse modific i subsistemul va funciona n punctul M2.Dac radiaia solar continu sse micoreze, se deschide contactul K1 i subsistemul va funciona n punctul M3.Subsistemul "modul PV - acumulator" nu necesit utilizarea tehnologici MPPT deoarece,dac se deplaseaz caracteristica I-Vspre dreapta (fig.2) ea va fi aproape de cea ideal. nschimb, acumulatorul necesit o supraveghere automat a gradului de ncrcare idescrcare pentru a evita deteriorarea acestuia.
Invertorul. Invertorul face parte din subsistemul de condiionare a energieielectrice al sistemului PV ( fig.1 ) i este componenta principal a convertorului c.c./c.a.Invertorul transform energia de c.c., genert de modulele PV sau stocat nacumulatoare, n energie de c.a. de o frecven prestabilit. Deja exist convertoare careasigur parametrii de calitate ai energiei electrice la acelai nivel ca i reelele publice:frecven i tensiune stabil, forma sinusoidal a undei de tensiune i curent. n funciede cerinele impuse de sarcin privind forma undei de tensiune factorul de suprasarcin,randamentul sunt d isponibile diferite tipuri de invertoare, ai cror parametri sunt
prezentai n tabelul l.
Tabelul 1. Parametrii de performan ai principa lelor tipuri de invertoare.
Parametrii Tensiune
dreptunghiular
Cvasi-sinuoidal sau
n trepte
Modularea impulsurilor
n durat
Puterea
nominal,kW
Pn la 1000 Pn la 2,5 Pn la 20
Factorul de
sarcin
Pn la 20 Pn la 4 Pn la 2,5
Randamentul,% 70-98 >90 >90
Distorsionarea
armonic,%
Pn la 40 >5
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
40/44
63
cauzeaz supranclzirea motoarelor. Acest tip de invertor se recomand spre utilizare n
sisteme PV de putere mic pentru iluminare, nclzire la tensiuni diferite de cea de c.c.,de asemenea, n componena convertoarelor c.c./c.c., acionrilor electromagnetice.Invertorul cu und cvasi - sinusoidal este mai complicat, dar mai eficient. Modulareaimpulsurilor n durat reprezint o tehnologie nou. Schema de comand a invertoruluieste cu mult mai complicat, costul invertorului este mai mare, dar asigur eficiennalt i distorsiuni armonice minime.
Dimensionarea unui sistem fotovoltaic
Principiul general care st la baza dimensionarii instalaiei PV este urmtorul:trebuie respectat permanent echilibrul dintre energia produs de genertorul PV i energiaconsumat de utilizator. Acest echilibru se realizeaz pentruoperioad definit, de obicei
o zi sau o lun. Prezena bateriei de acumulaloare permite compensa rea deficitului dintreenergia produs i cea consumat, de ficit care poate fi cauzat de timpul noros sau de oanumit suprasolicitare din partea consumatorului.
Dimensionarea unui sistem PV presupune parcurgerea urmtoarelor etape prin-cipale:
1. Calcului radiaiei solare disponibile pe suprafaa modulului PV.
2.Calculul consumului diurn de energie electricEC
3.Calculul cantitii de energie electric care trebuie produs de ctre modulul PV Ep.
4. Calculul puterii critice a modulului PV-P i alegerea acestuia.
5. Calculul capacitii acumulatoarelor C i alegerea acestora.6. Verificarea echilibrului consumului i producerii de energie electric.n fig.4, este prezentat procedura de dimensionare a unui sistem PV cu baterii de
acumulare.Calculul radiaiei solare disponibile pe suprafaa modulului PV. Unghiul
de nclinaie a modulului PV fa de orizont se determin din condiia asigurriiechilibrului consum-producere energie electric"n lunile cu cea mai mic radiaiesolar.
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
41/44
64
Fig.4. Procedura de dimensionare a unui sistem PV.
Calculul consumului diurn de energie e lectric. Pentru fiecare consumatorde curent continuu i alternativ se determin puterea nominal i orele de utilizare
zilnic. Consumul de energie electric FC, se determin ca produsul puterii nominale lanumrul de ore:
, (6.4)
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
42/44
65
undekeste numrul de consumatori de c.c.;m - numrul de consumatori de c.a.;Pni, Pnj -puterea nominal a consumatorilor de c.c. i c.a.; ti,tj- durata de funcionare aconsumatorilor respectivi; -respectiv randamentul regulatorului de ncrcaredescrcare al acumulatorului i al convertorului de frecven. Pentru calcule prealabile
= 0,95-0,98, = 0,85-0,90, = 0.85 - 0.95. Puterile nominale ale utilajuluielectrotehnic sunt specificate in cartea tehnic.
Calculul cantitii de energie electric necesar de a fi produs de modululPV.Energia care trebuie s fie produs de modulul PV:
, (6.5)
unde unde factorul Kia n consideraie incertitudinea datelor meteorologice, pierderile ncabluri, abaterea punctului de funcionare a subsistemuluimodul PV sarcin
Tabelul 2.Valori estimative ale duratei de funcionare a consumatorilor deenergie electric.Consumator Puterea
nominal,W
h/zi
Lunile anului
XII,I,II III,IV,V,IX,X,XI VI,VII,VIII
Iluminare buctarie 2x13 LFC 4 3,5 2
Iluminare dormitor 3x9 LFC 1 1 1
Iluminare living 2x20 LFC 1 1 1
Iluminare baie 1x18 LFC 1 1 1Aspirator 1200 0,5 0,5 0,5
Frigider 100 7 7 7
TV color,54 cm 60 4 4 4
Stereo 60 2 2 2
Cuptor cu
microunde
600 0,5 0,5 0,5
Pomp pentru ap 200 1 1 1
de la cel optim etc. Conform , valoarea factorului Kpentru sistemele PVcu baterii deacumulatoare este cuprins ntre 0,75 i 0,85.
Calculul puterii critice a modulului PV.Se determin cu relaia :
, (6.6)
unde Greprezint valoarea medie a radiaiei solare globale pe perioada de interes .
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
43/44
66
n funcie de putereaPC se alege puterea unui modul PV i numrul de module
conectate in serie:
, (6.7)
unde Ucc este tensiunea nominal a consumatoarelor de c.c.; Um -tensiunea nominal aunui modul PV care, de obicei, se consider egal cu 12 V.
Numrul de module PV conectate n paralel se determin astfel: Se calculeazcurentul mediu al sarcinii pe parcursul unei zile:
, (6.8)
Totodat, din condiia respectrii balanei de energie ntr-o zi, se poate scrie:
sau , (6.9)undeIPVeste curentul panoului PV.Numrul de module PV conectate n paralel va fi:
, (6.10)
undeIsc este curentul de scurtcircuit al unui modul PV.Calculul capacitii acumulatoarelor.Se determin cu relaia:
, (6.11)
unde neste numrul de zile far soare; KD - coeficientul de descrcare a acumulatorului(0,5 - 0.6 pentru Pb -acid i 1,0 pentru Ni- Cd).
Numrul de acumulatoare conectate in serie:
, (6.12)
7/31/2019 Modulul 2 - U1-3-6
44/44
unde UA este tensiunea nominal a acumulatorului, de obicei egal cu 12 V. Verificarea echilibrului consumului si producerii de energie electric.
Verificarea se face prin compararea cantitii de energie electric,Ei, care va fi produsdepanou i cea consumat.
6.2.Test de autoevaluare
1. Pentru a evita supradimensionarea sistemului fotovoltaic se folosete :a. o surs auxiliar de energie
b. o rezisten de descrcarec. un condensatorR: a2.Invertorul:a. este o component principal a convertorului c.c./c.a.b. transform energia de c.c. generat de module PV sau stocat n acumulatoare n energiede c.a.c. transform energia mecanic n energie electric R: a,b3.Puterea critic a modulului PV este egal cu:a. raportul dintre valoarea medie a radiaiei solare globale pe o perioad i energia produs
de modulul PVb. numrul de module conectate n serie c. raportul dintre radiaia solar i consumul diurn de energie electric R:a
6.3.Lucrare de verificare
1. Care este structura unui sistem fotovoltaic?2. Cum se realizeaz funcionarea n sarcin a modulului PV? 3. Care este procedura de dimensionare a unui sistem PV cu baterii de acumulare?
![caietengc3 u1:caietengc3 u1 2011 - e-librariescolara.ro · clasa a III-a — Firm Steps, ap\rut la Editura Corint. Structurat tot pe opt unit\]i ca [i manua-lul, caietul folose[te](https://static.documente.net/doc/80x56/5e4b034409f9b40c76158fcd/caietengc3-u1caietengc3-u1-2011-e-clasa-a-iii-a-a-firm-steps-aprut-la-editura.jpg)
