Universitatea “Dunărea de Jos” din GalaţiFacultatea de Automatică, Calculatoare,

Inginerie electrică şi ElectronicăSpecializarea: UEESR

Proiect de semestru

Eco-concepția sistemelor de conversie a energiei

Coordonator ştiinţific, As. dr. ing. Ciprian Bălănuță

Masteranzi,

Ing. Mircea MIHAI Ing. Marian SANDICA

2015

Universitatea “Dunărea de Jos” din GalaţiFacultatea de Automatică, Calculatoare,

Inginerie electrică şi ElectronicăSpecializarea: UEESR

Proiectarea unei centrale electrice solare cu panouri

FOTOVOLTAICE

Coordonator ştiinţific, As. dr. ing. Ciprian Bălănuță

Masteranzi,

Ing. Mircea MIHAI Ing. Marian SANDICA

2015MOTTO:

Soarele trimite pe Pamant intr-un minut mai multa energie decit consuma toata populatia globului intr-

un an. Alegeti soarele ca sursa de energie si veti trai intr-o lume mai curata!

Soarele sursă regenerabila de energieProiectarea unui sistem de conversie a energiei solare în energie termică sau electrică

se bazează pe evaluarea corectă a radiaţiei solare în amplasamentul dat şi pe cunoştinţe privind proprietăţile radiaţiei solare. Panourile solare fac parte din clasa captatorilor solari.

Din punct de vedere al energiei captate si a celei rezultate, ele se pot clasifica in: panouri termosolare, care capteaza energia termica solara panouri fotovoltaice panouri mixte fotovoltaice si termiceDin punctul de vedere al modului de captare avem : panouri solare cu conversie directa panouri solare cu conversie catalitica sau indirectaDin punctul de vedere al energiei rezultate avem: panouri generatoare de energie termica panouri generatoare de energie electrica panouri generatoare de lumina panouri (componente din sisteme) de captare si conversie ale fluxurilor

electromagnetice, ale particulelor usoare sau grele de inalta si joasa energie , altele decat lumina si caldura (aplicatii stiintifice si militare)

Principiul de functionare a unei celule fotovoltaice solare este stimularea emisiei de particule pozitive sau negative sub influenta luminii , colectate de un strat metalic si apoi transmise prin fire electrice.

Panourile fotovoltaice pot fi considerate ca fiind generatoare de curent continuu, alimentate de lumina solara. Cand fotonii avand o cantitate suficienta de energie ciocnesc o celula solara, acestia elibereaza electroni in structura cristalina si ii forteaza printr-un circuit extern (baterie sau sarcina de curent continuu).

Electronii revin la polul opus al celulei solare si intregul proces este repetat. Tensiunea de iesire a unei singure celule solare cristaline este in jur de 0,5V la un curent direct proportional cu suprafata celulei (aproximativ 7A la o suprafata de aproximativ 39 cm2). De obicei, in fiecare panou solar, sunt inseriate intre 30 - 36 de celule (plus la minus), pentru a obtine o tensiune nominala de iesire de 12V (17V tensiune de varf). Panourile solare pot fi conectate in serie sau in paralel, obtinandu-se astfel matrici solare pentru incarcarea bateriilor de 12V, 24V sau 48V.

Cu ajutorul unui invertor transformam curentul continuu de 12 V in curent alternativ de 220 V folosit in gospodarie.

Proiectarea corectă a unui sistem fotovoltaic implică alegerea amplasamentului și componentelor adecvate (panouri fotovoltaice, invertor şi alte echipamente, evitarea pierderilor de energie electrică acolo unde este posibil, precum şi minimizarea pierderilor inevitabile după caz). Acest document nu se referă la principiile generale pentru proiectarea unui sistem fotovoltaic, dar va introduce unele aspecte utile pentru proiectantul sistemului, și de asemenea pentru alte părţi interesate care doresc să înţeleagă caracteristicile importante de proiectare ale unui sistem fotovoltaic.

Modulele fotovoltaice sunt conectate în serie formând un şir. Mai multe șiruri cu aceleași caracteristici de funcționare sunt conectate în paralel formând o matrice sau generator de sine stătător, pentru a genera tensiunea necesară la ieşire.Toate cablurile aferente fiecărui șir de celule fotovoltaice vor fi interconectate la un dispozitiv de control “ String control”. Echipamentul de protecţie corespunzător trebuie să fie ales în așa fel încât să asigure atât funcționarea optimă a instalației cât şi siguranţa persoanelor ce o întrețin: siguranțe, elemente de racordare, întrerupătoarele etc.

Pentru respectarea normativelor tehnice specific instalațiilor fotovoltaice, dimensionarea instalației trebuie să ia in considerare pe lângă parametrii geografici (longitudine,amplasament) şi alți doi factori principali:

-cădere de tensiune în acord cu reglementările din legislația națională privind furnizarea energiei electrice

-capacitatea de transport, datorită efectului termic măsurat prin doi parametrii.

  Umbrirea produce un impact puternic asupra performanței unui sistem fotovoltaic. Chiar şi un grad mic de umbrire pe o parte dintr-o matrice poate avea un impact semnificativ asupra producţiei de energie generate de întreaga matrice. Din acest motiv umbrirea se consideră un element de performanţă a sistemului, element ce trebuie abordat în mod specific în faza de proiectare a sistemului, printr-o selecţie atentă a locului de amplasare a matricei/ a fiecărui șir, amplasarea elementelor de interconectare și control (proiectarea șirurilor astfel încât să fie analizat efectul de umbrire posibil pentru fiecare șir individual).

O creștere a temperaturii in matrice instalației atrage scădere a performanţei acesteia(de exemplu pierdere de 0,5% pentru fiecare 1 ° C intr-un modul de cristalin). Din acest motiv trebuie asigurată o suprafață suficientă de ventilare în spatele panourilor fotovoltaice (de obicei, o distanță liberă de minima de 25 mm). Pentru construirea sistemelor integrate în clădiri, aceasta este, de obicei abordată prin asigurarea unui spaţiu de aer ventilat în spatele modulelor. Pe un acoperiș convențional inclinat, se montează șipci pentru crearea spațiului de aerisire si ventilare a matricei .

Invertoarele disipă căldură şi trebuie asigurate condiții corespunzătoare de amplasare pentru o ventilare suficientă. Trebuiesc respectate strict instrucțiunile producătorului. Nerespectarea acestor parametrii de funcționare pot influența performanța instalației, mai ales daca se ajunge la temperatura maxima de operare.

DIMENSIONAREA INSTALATIEI FOTOVOLTAICE

La dimensionarea instalatiei fotovoltaice, vom pleca intotdeauna de la necesarul  de puterea pentru locatia respectiva.Astfel, ne propunem sa realizam o instalatie fotovoltaica care sa furnizeze o putere de 5 KW.Pentru realizarea unei instalatii fotovoltaice (generator fotovoltaic) care sa furnizeze energia electrica de care avem nevoie, este mai intai nevoie de un calcul de dimensionare.

1. Prima etapa in dimensionarea instalatiei fotovoltaice, dupa ce am stabilit puterea necesara, este alegerea panourilor solare.

Consultand oferta furnizorilor de panouri fotovoltaice, alegem un panou solar policristalin de 150 W, tensiune de 12 V, curent panou 8.1 A, Vmp = 18.50 V

2. Urmatoarea etapa este aflarea numarului de panouri, pentru necesarul de putere de 5 KW

Nr.de panouri=Puterea instalatiei / Puterea unui panouNp = Pi/Pp = 5.000/150 = 34 → Rezulta un necesar de 34 panouri fotovoltaice

3. Urmatoarea etapa este determinarea suprafetei panourilor

Suprafata totala = Suprafata unui panou *Numarul total de panouriDin fisa tehnica a panoului aflam ca panoul ales area urmatoarele dimensiuni: L = 1.45 m, l = 0.7

ST = Sp*Np = 1.45*0.7*34 = 34.51 m2

Pentru montarea panourilor solare, avem nevoie de o suprafata de cel putin 34.51 m2 si care sa fie orientata spre sud

4. Alegerea schemei de conexiuni pentru panourile fotovoltaice

Vom alege o schema de conexiuni cu noua siruri paralele, a cate patru panouri fotovoltaice legate in serie pe fiecare sir.

Nr. siruri = 9  Nr. panouri/sir = 4

5. Calculul caracteristicilor generatorului fotovoltaic

 Tensiunea instalata a generatorului fotovoltaic se obtine folosind urmatoarea formula:Ug=Np/s*UpUg = 4*12 = 48 V

Curentul generatorului se obtine inmultind curentul generat de un panou fotovoltaic cu numarul de siruri

Ig = 9*8.1 = 72,9 A

Voc generator = nr. panouri/sir* Voc panou =4*22.6 = 90,4 VIsc generator = nr. sir*Isc panou = 9*8.6 = 77.4 AVmp generator = nr. panouri/sir*Vmp panou = 4*18.50 = 74 VP generator = Vmp generator*I generator = 74*72.9 = 5394,6 W (5.4 KW)Avand aceste valori putem alege celelalte elemente ale instalatiei fotovoltaice

5. Alegerea invertorului

Tensiunea de intrare a invertorului trebuie sa fie egala cu tensiunea maxima a generatorului fotovoltaic. U invertor = U generator → U invertor = 48 V

O alta conditie in alegerea invertorului este aceea ca puterea maxima a generatorului fotovoltaic sa fie mai mica decat puterea de intrare a invertoruluiP invertor > 5.000 W

6. Alegerea bateriilor

Bateriile sunt folosite în sistemele fotovoltaice cu scopul de a stoca energia produsã de generatorul fotovoltaic pe timpul zilei, pentru a putea fi folosita când este nevoie  pe timpul noptii sau cer înnorat).La alegerea bateriilor trebuie sa tinem cont de urmatoarele informatii:

- pentru incarcarea bateriilor de 12V avem nevoie de panouri cu Vmp 16V – 20V- pentru incarcarea bateriilor de 24V avem nevoie de panouri cu Vmp 34V – 40V- pentru incarcarea bateriilor de 48V avem nevoie de panouri cu Vmp 62V -76V

7. Alegerea regulatorului de sarcina

 Regulatoarele de sarcina au rolul de a controla incarcarea bateriilor de acumulatori. La alegera regulatorului de sarcina trebuie sa tinem cont de urmatoarele conditii:

- tensiunea nominala a regulatorului sa fie mai mica sau egala decat decat tensiunea nominala a generatorului fotovoltaic- curentul de intrarea sa fie mai mare sau egal decat curentul de incarcare maxim, pe care generatorul il poate debita

 Orientarea instalatiei fotovoltaice

Puterea maxima debitata de o instalatie fotovoltaica, este direct influentata de orientarea catre soare. Ideal ar fi ca instalatia fotovoltaica sa urmareasca soarele in traiectoria sa pe bolta cereasca.In Europa, datorita faptului ca radiatia difuza este relativ marea, o instalatie fotovoltaica stationara poate produce pana la 70-80% din productia posibila, daca aceasta ar urmarii soarele.

Orientarea spre sud este determinata de doi factori:

- Inclinarea panourilor fotovoltaice, adica unghiul dintre planul orizontal si panoul fotovoltaic- Azimutul, care indica orientarea catre Sud. La o orientare a instalatiei fotovoltaice spre sud, vom avea Sud 0o, Vest 120o, Est -120o

Toate aceste informatii, va pot ajuta sa dimensionati corect o instaltie fotovoltaica si sa alegeti in cunostiinta de cauza solutia optima. La alegerea panourilor fotovoltaice si dimensionarea instalatiei trebuie sa tineti cont de foarte multe date, multe dintre acestea au fost detaliate.

Cele mai importante caracteristici ale unui panou fotovoltaic, de care trebuie sa tineti cont in alegerea dvs sunt:

-Putera maxima a panoului-Tensiunea in punctul de putere maxima - Intensitatea curentului in punctul de putere maxima

De asemenea trebuie sa stiti ca panourile fotovoltaice nu sunt adecvate pentru a fi folosite in orice aplicatie. Panourile care sunt folosite in instalatiile fotovoltaice care debiteaza energie electrica in retea, au alte caracteristici decat cele folosite pentru incarcarea bateriilor de acumulatoare.

Datorita caderilor de tensiune cauzate de regulator, cabluri si temperatura, panourilor panourile fotovoltaice pentru incarcarea bateriilor de acumulatoare trebuie sa aiba tensiunea Vmp cu 30-60% mai mare decat tensiunea nominala a bateriilor.

Invertor. Invertoare solare rezidentiale si comerciale POWER ONE AURORA, de exterior, seria PVI 5000/6000-OUTD/-S/+GK.      Proiectat pentru instalatii/ centrale electrice cu panouri fotovoltaice rezidentiale si comerciale, acest invertor solar 'umple o nisa' pentru locatiile unde necesarul de putere electrica produsa este mai mare, situandu-se intre 5Kw si 25Kw: bloc cu mai multe apartamente sau locuinte individuale (case, vile) grupate, pensiune, motel, hotel, ferma agricola, atelier productie, etc. cu o productie de energie electrica de la 1.500Kw pana la 67.000 KW/h/ luna.

      Acest invertor solar dispune de toate optiunile/ facilitatile cu care suntem obisnuiti de la seria AURORA : intrare dubla MPPT de mare viteza pentru doua matrici de panouri fotovoltaice independente si o eficienta foarte buna de 97%!, avand incluse intrerupatorul de c.c. si kit-ul/ optiunea de impamantare.

MODEL Descriere Pret (Euro)

(PVI 5000-OUTD)

  (1.173)

(PVI 5000-OUTD-S)

  (1.227)

PVI 5000-OUTD-S+GK

Invertor exterior IP56 - Putere 5.000W - Intrerupator c.c. integrat - Cu impamantare - Intrare dubla MPPT -5 ani garantie 

1.371

(PVI 6000-OUTD)

  (1.307)

(PVI 6000-OUTD-S)

  (1.381)

PVI 6000-OUTD-S+GK

Invertor exterior IP56 - Putere 6.000W - Intrerupator c.c. integrat - Cu impamantare - Intrare dubla MPPT -5 ani garantie 

1.536

Calculator rentabilitate Sisteme si Centrale electrice Fotovoltaice.Alegere panouri fotovoltaice si baterii (acumulatori).

1. Rentabilitate si productie anuala de electricitate a unui sistem fotovoltaic on-grid.

Putere sistem fotovoltaic (in KW va rog!): kWp

Pret sistem fotovoltaic LeiPierderi sistem fotovoltaic * %Radiatia solara, media anuala ** kWh/m2

Pret/ KW platit la furnizorul de energie. LeiProductie anuala de electricitate fotovoltaica

Venit anual generat de productia de energie electrica LeiInvestitia in sistemul fotovoltaic se va amortiza in

Luna Prod. electricitate (%) kWh Venit pe lunaIanuarieFebruarieMartieAprilieMaiIunieIulieAugustSeptembrieOctombrieNoiembrieDecembrieIn total:

* Pierderile sistemului fotovoltaic on-grid de pana la 15% (invertor, cablu, raport temperatura - performanta.

** in Europa Centrala si in Nordul Europei intre 1200-850 W/m2 iar in Sudul Europei pana la 2000 W/m2. Pentru Romania 1450 W/m2 

Pentru detalii consultati Harta cu Radiatia Solara in Romania.

2. Cunoscand puterea panourilor fotovoltaice (Wp) se calculeaza capacitatea bateriilor (Ah)!

Putere sistem centrala fotovoltaicafotovoltaic (generator solar) WpPierderi sistem fotovoltaic * %Expuenre solara zilnica ** hTensiune sistem VNivelul admis de descarcare a bateriei *** %Putere zilnica generataEnergie electrica generata zilnicCapacitate necesaar pentru bateriiZile fara consum de energie (necesar cicluri de incarcare) zileCapacitate baterii pentru ciclu de cateva zile

* Pierderi in sistemul fotovoltaic Off-grid de circa 20-25% (cabluri, controler, sistem de baterii)

** Expunere medie zilnica 5-6h (ex. vara 8h, iarna 4h), in functie de pozitia geografica*** Pentru protejarea bateriilor se vor evita descarcarile in procent mare (descarcarea pana la

50% este considerata sigura)

3. Cunoscand capacitatea bateriilor (Ah) ce putere va avea sistemul fotovoltaic (Wp) ?

Capacitate baterii  AhPierderi sistem fotovoltaic * %Expunere solara zilnica ** hTensiune sistem VNivelul admis de descarcare a bateriei *** %Putere necesara a sistemului fotovoltaic pentru un ciclu zilnic (funtionare intreg anul)Zile back-up, functionare "fara soare" (necesar cicluri de incarcare) zilePutere necesara panouri fotovoltaice pentru ciclu de cateva zile

* Pierderi in sistemul fotovoltaic Off-grid de circa 20-25% (cabluri, controler, sistem de baterii)

** Expunere medie zilnica 5-6h (ex. vara 8h, iarna 4h), in functie de pozitia geografica*** Pentru protejarea bateriilor se vor evita descarcarile in procent mare (descarcarea pana la

50% este considerata sigura)

4. Cunoscand necesarul de energie (Wh) ce putere a sistemului fotovoltaic si capacitate a bateriilor este necesara (Wp, Ah) ?

Consum casnic de energie WTimp functionare consumatori hPierderi sistem fotovoltaic * %Expunere solara zilnica ** hTensiune sistem VNivelul admis de descarcare a bateriei *** %Cerere zilnica de energie electricaConsum lunar de energieCapacitate necesara pentru bateriiPutere necesara a sistemului fotovoltaic

* Pierderi in sistemul fotovoltaic Off-grid de circa 20-25% (cabluri, controler, sistem de baterii)

** Expunere medie zilnica 5-6h (ex. vara 8h, iarna 4h), in functie de pozitia geografica*** Pentru protejarea bateriilor se vor evita descarcarile in procent mare (descarcarea pana la

50% este considerata sigura)