Dragos Ciocrlan - Licenta - Word.docx

Universitatea Politehnica din Bucureti

Facultatea de Transporturi, Inginerie Electronica si Telecomunicatii

Utilizarea celulelor fotovoltaice pentru alimentarea panourilor de semnalizare rutier

Proiect de diplom

Cuprins

Introducere............................................................................................................................. pag.07

Capitolul 1. Metode de ncrcare a acumulatorilor.......................................... ...................... pag.091.1 Categorii de acumulatori.Caracteristici i procese chimice ....................................... pag.101.1.1 Acumulatori Litiu-Ion(Li-Ion)................................................................................ pag.101.1.1.1 Managementul termic pentru acumulatorii cu Litiu ........................................ pag.121.1.1.2 Avantajele i dezavantajele acumulatorilor cu Litiu ....................................... pag.131.1.2 Acumulatori SLA(Plumb i Acid Sulfuric Sigilat) .................................................. pag.141.1.3 Acumulatori NiCd(Nichel-Cadmiu) ....................................................................... pag.141.1.4 Acumulatori NiMh(Nichel-Hidrur de Metal) ........................................................ pag.151.2 ncrcarea acumulatorilor ............................................................................................ pag.161.2.1 ncrcarea acumulatorilor cu Litiu .......................................................................... pag.161.2.2 ncrcarea acumulatorilor pe baz de Nichel .......................................................... pag.171.2.1.1 ncrcarea acumulatorilor NiCd(Nichel-Cadmiu) ............................................. pag.181.2.1.2 ncrcarea acumulatorilor NiMh(Nichel-Hidrur de Metal) .............................. pag.191.2.3 ncrcarea acumulatori SLA(Plumb i Acid Sulfuric Sigilat) .................................. pag.191.2.3.1 ncrcarea acumulatorilor SLA n impulsuri ..................................................... pag.201.2.3.2 Determinarea capacitii unei baterii SLA ........................................................ pag.201.3 Descrcarea acumulatorilor ......................................................................................... pag.21

Capitolul 2. Celule i panouri fotovoltaice ........................................................................... pag.232.1 Clasificarea celulelor i panourilor fotovoltaice ........................................................... pag.242.1.1 Panouri de celule fotovoltaice ................................................................................ pag.252.2 Principiu de funcionare .............................................................................................. pag.272.3 Caracteristici tehnice i scheme de conectare ............................................................... pag.282.3.1 Schema echivalent simplificat............................................................................. pag.292.3.2 Schema echivalent extins ................................................................................... pag.292.4 Principii teoretice ........................................................................................................ pag.302.4.1 Modelare ............................................................................................................... pag.32

Capitolul 3. LED-uri............................................................................... pag.353.1 Tehnologia LED ........................................................... pag.353.2 Principiul de funcionare al unui LED ................................................................... pag.363.3 Homostructuri i heterostructuri . ................................................................... pag.373.4 Spectrul radiaiei unui LED .... ...................................................................pag.373.5 Timpul de via, timpul de cretere/descretere i banda de frecvene ........................ pag.383.6 Avantajele utilizrii corpurilor de iluminat cu LED-uri ..............................................pag.393.7 Semaforul.............................................................................................................pag.40

Capitolul 4. Sistem de alimentare....................................................................... pag.414.1 Descrierea sistemului de alimentare fotovoltaic. ........................................... pag.424.1.1 Circuitul propus i funcionarea acestuia ............................................................. pag.434.1.2 Subsistemul de ncrcare al acumulatorului cu Litiu .............................................. pag.444.1.3 Schema bloc de ieire a regulatorului pentru interfa USB..... pag.454.1.4 Panoul solar i dimensionarea acumulatorului ........ pag.464.2 Microcontrolerul Arduino Uno........................................................................... pag.47

Concluzii ................................................................................................................................ pag.51Bibliografie ............................................................................................................................ pag.53

Anexa ..................................................................................................................................... pag.55Codul Surs al programului ................................................................................................. pag.55

Introducere

Alegerea acestui proiect pornete de la folosirea in prezent a noilor tehnologii de alimentare folosind radiaia solar ntruct este o resurs nepoluant i inepuizabil n locaiile n care accesul la reeaua electric lipsete sau este scump.Acest proiect de licenta are ca scop realizarea practic a unui sistem de alimentare folosind o celul fotovoltaic pentru a asigura meninerea n funcionare a panourilor de iluminat, fr acces la reeaua de electric pornind de la analiza de nmagazinare a energiei electrice disponibile.Aportul personal adus acestui domeniu prin proiectul actual de licen const n dezvoltarea circuitului, realizara practic a acestuia si a sistemului de alimentare i nu n ultimul rnd cercetarea layout-ului i stabilirea metodelor optime de implementare.Din considerente tehnice si practice, acest proiect reprezint o miniaturizare a unui sistem de alimentare a panourilor de semnalizare stradale, practic intreg sistemul fiind redus la o scar mult mai mica, desigur acesta se poate implemanta ulterior la o scara corespunztoare.Odat cu evaluarea caracteristicilor acumulatorilor din comer la data actual icontinund cu analiza metodelor de ncrcare/descrcare a acestora vezi Cap. 1. Tehnologii i analiza metodelor de ncrcare a acumulatorilor, este evideniat o variant asupra modulului de stocare a energiei electrice recepionate de celula fotovoltaic a sistemului de alimentare.n urma verificrii a mai multor soluii existente, concluzia este c din punct de vedere al fiabilitii i cantitii de energie nmagazinate acumulatorii cu litiu sunt optimi pentru un astfel de sistem de alimentare necesar panourilor de iluminat (semnalizare rutier).Cap.2. Celule i panouri fotovoltaice analizeaz caracteristici ale celulelor fotovoltaice clasificnd metodele de construcie i funcionare urmrind modelarea fizic a acestora. Dorim controlul tensiunii la bornele unui panou fotovoltaic realizat cu celule fotovoltaice. Verificnd studiile recente, necesare implementrii complete a unui sistem de alimentare fotovoltaic apanourilor de semnalizare n Capitolul 3. LED-uri sunt prezentate caracteristicile i funcionarea acestora pornind de la schemele interne ale unui astfel de sistem pentru ca acesta s constituie n permanen o surs de alimentare stabil i eficient. Modulul al acestui sistem de alimentare l constituie microcontrolerul Arduino ce reprezint nucleul regulatorului de ncrcare al acumulatorului cu litiu intern. Metoda de funcionare al regulatorului de tensiune ce ncarc acumulatorul are la baz schema unui controler general de tip unt. Acest capitol se termina cu prezentarea organigramei codului surs i compilarea sa folosind varianta de software pentru Arduino i librriile acestuia. Rezultatul compilrii codului programului ce monitorizeaz ncrcarea acumulatorului constituie obinerea codului compilat care va fi ncarcat n microcontrolerul Arduino.. Codul surs este prezentat n Anex. n plus pentru reducerea consumului i pentru a oferi posibilitatea unui grad sporit de eficen sistemul este proiectat astfel nct regulatorul de ncrcare s poat fi deconectat. Un ultim capitol al acestei lucrari, Cap 4. Proiectarea sistemului de alimentare trateaz proiectarea schemei sistemului de alimentare.

Capitolul1. METODE DE NCRCARE A ACUMULATORILOR

La ora actual exist pentru diferitele dispozitive precum: telefoanele mobile, calculatoarele portabile i echipamentele care necesit conectarea la o surs de alimentare pentru acumularea de energiei electrice, urmtoarele categorii de baterii: SLA (plumb acid sulfuric sigilat), nichel-cadmiu (NiCd), nichel-hidruri metalice (NiMh) i litiu-ion (Li-ion). Utilizarea acumulatorilor cu litiu-polimer (Li-Pol) este din ce n ce mai frecvent n momentul actual.

Caracteristicile tehnice ale principalelor tipuri sunt prezentate n tabelul Tabel 1 conform datelor de producie:Tabel 1ParametruTipul de sistem electrochimic

SLANiCdNiMHLi-ionLi-Polymer

Densitate de energie [W*h/kg]3040 - 6060 - 80100150 - 200

Numr de cicluri ncrcare/descrcare[Capacitate redus la 80%] 1,2200 - 5001500500500 1000100 - 150

Rezistena intern 3.6V [m]Lipsdate100-200150-250150-250Lips date

Timpul minim de ncrcare [ore]8 - 161.52 - 43 48 - 15

Tolerana la suprancrcareRidicatMedieJoasFoartejoasLips date

Autodescrcare lunar 35%20%30%10%Lips date

Tensiunea/celul [V] 5,62.01.251.253.72.7

Curentul n sarcin0.2 C>2 C(0.5 -1.0) C PbSO4 + 2e- 0,356V

Catodul: Dioxid de plumb (PbO2)Reacie : PbO2 + SO4+ 2e- + 4H+ 2e- > PbSO4 + 2H2O 1,685V

Electrolit: Acid sulfuric diluatTensiunea electrochimic per element: 2.05 V Fig 1.1Inconveniente datorate structurii:-Atunci cnd tensiunea celulei depete 2.39V, apa se va separa n hidrogen i oxigen ce se vor acumula n interiorul celulei. n cazul n care concentraia crete, pot aprea explozii puternice.-Emanaiile electrolitului au efect toxic i coroziv asupra mediului. Utilizarea celulelor capsulate au dus la eliminarea acestor probleme, aceste aprnd la nceputul anilor 1970.Totui, nici aceste celule nu sunt nchise etanat ci au supape de ventilaie care elibereaz gazele generate n exces. Aceste celule moderne au elemente de cataliz n interior, care ajut la recombinarea oxigenului i a hidrogenului separat la ncrcare, minimiznd pierderile de ap din celul. Acumulatorii pe baz de plumb au un numr redus de cicluri de ncrcare/descrcare i o densitate de energie redus, n jur de 30-40W/kg.

1.1.3 Acumulatori NiCd (Nichel-Cadmiu)

Primul exemplar de astfel de acumulator NiCd (NiCd - Nichel-Cadmiu) a fost creat de ctre Waldemar Jungner din Suedia n 1899. Acesta era la acea dat singurul competitor direct fat de acumulatorii SLA. Fig 1.2- ALCTUIREA structural a unui acumulator Ni-Cd tipic, care conine 4 seciuni. Elementele ce l compun:1. Carcasa exterioar din metal (de asemenea, terminalul negativ)2. Separator (ntre electrozi)3. Electrodul pozitiv4. Electrodul negativ cu colector de curent (gril de metal conectat la carcasa de metal).Construcia acestui tip de acumulatori este foarte asemntoare cu cea a unui acumulatorNi-Mh (Nichel-Hidrura de Metal). Caracteristici:Anodul: CadmiuReacie : Cd + 2OH- > Cd(OH)2 + 2e - 0,81V

Catodul: Oxi-Hidroxid de Nichel Ni(OH)2Reacie: NiO2 + 2H2O + 2e- > Ni(OH)2 + 2OH- 0,49V

Electrolit: Soluie de hidroxid de potasiu (KOH)Tensiunea electrochimic per element: 1,3V

Fig 1.2

Avantaje: Comportare bun la autodescrcare i funcionare la temperaturi sczute, durat de exploatare mare.

Dezavantaje: Fa de acumulatori SLA (Plumb i Acid sulfuric Sigilat) acetia sunt mai scumpi, densitate de putere mai redus i prezint efect de memorie. Efectul de memorie semnific schimbarea parametrilor celulei la parametrii ultimului ciclu de ncrcare, din punct de vedere al capacitii. Ce reprezint o reducere temporar a capacitii celulei atunci cnd celula este ncrcat fr a fi fost descrcat complet n prealabil. Acest lucru se datoreaz fenomenelor chimice care duc la acumularea de hidroxid de cadmiu pe anod, fcndu-l inert chimic.Soluia n cazul n care se produce acest fenomen este de a trece celula n 2/3 cicluri de ncrcare/descrcare complet la curent mare. "Formatarea" are ns drept consecine o reducere a duratei de exploatare a celulei. Fenomenul a fost pentru prima oar observat la acumulatorii sateliilor, supui unor cicluri superficiale de ncrcare/descrcare.

Not: Descrcarea complet semnific o descrcare pn la aproximativ 1V/celul. (0,85V). Referitor la potenialul de afectare a mediului datorit prezenei elementului Cd , aceste celule sunt considerate periculoase. Cantitatea de cadmiu (Cd) este ns infim, anodul fiind dintr-un alt metal acesta fiind doar acoperit.

1.1.4 Acumulatori NiMh(Nichel-Hidrur de Metal)

Invenia n 1967, a acestui tip de acumulatori, are n spate efortul laboratoarelor din cadrul centrului de cercetare Battelle-Geneva. Ulterior primii acumulatori comerciali de dimensiuni rezonabile de larg consum au aprut la nceputul anilor 1989. Fig 1.3-Alctuirea unui acumulator Ni-Mh tipic dezasamblat n 5 seciuni constructive, bine mpachetate. Acestea sunt:

1. Terminalul pozitiv2. Carcasa din metal exterioar (terminal, de asemenea, negativ)3. Electrodul pozitiv4. Electrodul negativ cu colector de curent (gril de metal, conectat la carcasa de metal)5. Separatoare (ntre electrozi). Caracteristici:Anod: Diferite aliaje metalice de nichelReacie : MH + OH- > M + H2O + e- 0,83V

Catod: Oxi-Hidroxid de Nichel Ni(OH)2Reacie : NiOOH + H2O + e- > Ni(OH)2 + OH- 0,52V

Electrolit: Hidroxid de potasiuTensiunea electrochimic per element: 1,35V

Fig 1.3 n afara anodului, acest tip de celul este apropiat de celula acumulatorului NiCd.Evoluia de la anod de Cd la anod din metale rare n aliaj cu Ni este datorat capacitii de absorbie mrit a acestor aliaje, a hidrogenului din electrolit, ceea ce se traduce ntr-o densitate de putere mai mare, cel puin teoretic, cu pn la 50%. Practic, aceast cretere este de aproximativ 25%. Anodul acumulatorilor moderni, cuprinde, n general, i urmtoarele elemente: V, i, Zr, Ni, Cr, Co i Fe. Interesant este c, deoarece reaciile chimice nu sunt total cunoscute din punct de vedere teoretic n industria productoare de celule NiMh, proporiile de aliere sunt stabilite prin metode empirice recursive!

Dei acumulatorii NiMH cost mai mult dect cei NiCd, iar numrul de cicluri utile este mai redus, ei sunt utilizai, n principal, datorit capacitii mai mari. Referitor la efectul de memorie prezentat mai nainte, dei se crede c celulele NiMH nu l dezvolt, el a fost observat n practic. Soluia este de a efectua o descrcare co mplet (pn la 0,84V) la aproximativ 30 de cicluri normale.

1.2 NCRCAREA ACUMULATORILOR

1.2.1 ncrcarea acumulatorilor cu Litiu

ncrcarea acumulatorilor pe baz de Litiu conine dou etape:

1. Faza iniial2. Faza topping

Potrivit teoriei de specialitate, la ncrcarea celulelor pe baz de litiu nu exist ncrctoare rapide sau care s regenereze acest tip de acumulator. Aceast lucru se manifest, datorit reaciilor chimice specifice. Modalitatea n care se produc reaciile chimice ntr-o celul bazat pe litiu este oarecum empiric determinat i ncrcarea urmeaz s fie fcut n baza specificaiilor productorului.Acumulatorii pe baz de litiu, nu produc emisii de gaze i nici nu necesit formatare naintea utilizrii. Nu realizeaz fenomenul de memorie.Toate ncrcrile sunt asemntoare ntre ele. Indicaiile referitoare la ncrcarea de minim 12 ore la prima folosire nu au nici un sens dect de a crea o incertitudine asupra adevratelor informaii.Cele mai multe celule cu litiu au, n starea de ncrcare, o tensiune de 4,20V cu o toleran de +/- 0,05V per celul. Pentru prelungirea duratei de exploatare se admite o reducere cu 10% a tensiunii de ncrcare, respectiv la 4,10V/celul. Au aprut tipuri noi de astfel de acumulatori care pot suporta ncrcri la tensiunea maxim fr ca acest lucru s scurteze durata de exploatare.Timpul de ncrcare este de aproximativ 3 ore. Acumulatorii pentru telefoanele mobile pot fi ncrcai la 1C n timp ce acumulatorii de capacit i mai mari, cum ar fi cei utilizai la aplicaiile portabile sunt ncrcai la aproximativ 0,8C .Eficiena la ncrcare este de 99% ,iar acumulatorul rmne rece pe tot parcursul ncrcrii. Dispozitivul se ncarc total atunci cand este atins tensiunea sau atunci cnd curentul de ncrcare a sczut la 0,03C. Creterea curentului de ncrcare n prima etap nu are ca rezultat o scdere a duratei de ncrcare ci n etapa de topping, va dura proporional mai mult. Cei care produc aceste ncrctoare de celule cu litiu spun c ncrcarea complete se realizeaz ntr-o or sau mai puin. Aceste ncrctoare realizeaz doar faza iniial ncrcnd acumulatorul la aproximativ 70% din capacitatea nominal.Faza de topping dureaz de dou ori mai mult dect prima. n cazul celulelor pe baz delitiu, nu este necesar faza a treia, ntlnit la acumulatorii pe baz de nichel, fiind chiar contraindicat ntruct dup atingerea tensiunii de 4,05V/celula deoarece ncepe depunerea electrochimic a litiului pe electrozi ducnd la instabilitate chimic i la explozii, acumulatorii neavnd posibilitatea de a transforma n cldura energia de suprancrcare. n loc de faza trickle, se aplic o ncrcare topping periodic pentru a compensa consumul. Pentru compensarea autodescrcrii, odat la 20 de zile se recomand o ncrcare topping. De regul, aceast ncrcare se recomand s aib loc pe palierul de la 4,05V/celul la 4,20V/celul.La suprancrcare apare fenomenul peste 4,30V/celula este urmtorul:Litiul metalic se depune pe ANOD, iar materialul din care este realizat CATODUL devine agent oxidant determinnd generarea de oxigen. Reacia oxigenului eliberat cu litiul produce o mic (tipul difer n funcie de specificaiile fabricantului) explozie. Preventiv, pentru astfel de cazuri exist n cadrul acumulatorilor pe baz de litiu circuite de protecie i urmrire a tensiunii pentru o bun funcionare. Temperatura celulei nu trebuie s coboare sub 2,50V. Dac este atins aceast tensiune, ncrcarea pe ncrctoarele obinuite destinate acumulatorilor pe baz de litiu nu mai este posibil deoarece curba de ncrcare difer de cea normal.Circuitul de protecie este dotarea n echipamentul care utilizeaz acest tip de acumulator, iar fabricanii livreaz acumulatorii parial ncrcai (cam 40% din capacitate) pentru a preveni fenomenul autodescarcare. Majoritatea acumulatorilor au un circuit care nu permite consumatorului s consume energie electric dac bateria nu este activat cu o ncrcare. Specialitii vorbesc despre acest tehnologie pe baz de litiu ca fiind una din cele mai complexe i cerute. Dei acestea trebuie s fie deosebit de precise n decelarea tensiunilor de prag care determin ciclul de ncrcare, sunt, totui, mult mai simple dect cele destinate tehnologiei pe baz de nichel care trebuie s monitorizeze un numr mai mare de factori. Curentul de ncrcare nu este critic i poate varia. Un curent mic va avea drept consecin doar o durat mai mare la ncrcare. Totui, fa de tehnologia pe baz de nichel, aceste celule au dezavantajul unei altetrri mult mai rapide.O celul pe baz de litiu va avea acelai numr de cicluri, fie c descrcarea are loc pn la 1% din capacitate, fie c este descrcat doar cu 10%. Aadar, nainte de ncrcarea unui acumulator pe baz de litiu trebuie sa se in seama dac este ntr-adevr nevoie ca acesta s fie ncrcat. Acumulatorii pe baz de Litiu-polimer(LiPo) sunt asemntori cu cei pe baz de litiu-ion. Diferena const n faptul c este utilizat un electrolit gel polimerizat pentru mbuntirea conductivitii. n cele mai multe cazuri, acelai ncrctor poate fi folosit.

1.2.2 ncrcarea acumulatorilor pe baz de Nichel

ncrcarea acumulatorilor pe baz de nichel presupune 3 faze:

1. Faza iniial2. Faza topping3. Faza trickle

Eficiena maxim a unui astfel de accumulator reprezint modul n care decurge ncrcarea lor.n timpul ncrcrii nu trebuie s se supranclzeasc, deoarece se scurteaz durata lor de via.Cu toate acestea, nclzirea bateriilor pe baz de nichel este inevitabil n cursul ncrcrii. Ori de cte ori acest fenomen apare, se impune o limitare a acestuia n timp.Creterea de temperatur apare ntotdeauna n a doua parte a ciclului de ncrcare. ntotdeauna,ncrcarea de tip trickle se desfoar la temperatura camerei (25C). n caz c, acumulatorul este cald n aceast etap, e datoreaz faptului ca nu funcioneaz corect, iar acesta trebuie scos din ncrctor, pentru c acestea nu pot converti chimic cldura.

Exist 3 categorii de ncrctoarele de baterii pe baz de nichel:1. ncrctoare lente - Acumulatorul este ncrcat cu un curent de C/10 tot timpul ct acesta este conectat la ncrctor.2. ncrctoare rapide - Bateria este ncrcat n aproximativ 3-6 ore. Dup aceastperioad, ncrctorul intra n mod trickle nelimitat.3. ncrctoare ultra-rapide - Acest tip de ncrctoare sunt proiectate pentru bateriile pebaz de nichel i ncarc complet bateria n aproximativ o or. ncrcarea rapid are marele avantaj de a reduce cristalizarea elementelor chimice (efectul de memorie) i acioneaz n trei faze: ncrcarea ultrarapid, topping (faza n care se atinge capacitatea nominal maxim) i trickle, care prentmpina autodescrcarea.Pentru prima data, acumulatorii pe baz de nichel trebuie fcut o ncrcare n mod trickle pentru 24 de ore (formatare). Pentru a echilibra celulele nseriate i a reduce zonele uscate din separatorul electrolitic, aprute datorit aciunii gravitaiei n timpul stocrii ndelungate. ntreaga capacitate a bateriei este obinut dup formatarea prin cicluri de ncrcare/descrcare, uneori chiar dup 50/100 de cicluri. Capacitatea specificat de productor se obine dup 5-7 cicluri de utilizare. n alctuirea acestor baterii exist o supap de ventilare care mpiedic acumularea de gaze n celul. Supapa se deschide la atingerea unei presiuni interne mai mari de 10-13 bari, de 5 ori mai mari dect cea dintr-un pneu de automobil. Funcionarea supapei produce o depunere de pulbere alb n zona supapei.

1.2.2.1 ncrcarea acumulatorilor NiCd(Nichel-Cadmiu)

Acumulatorii cu nichel-cadmiu(NiCd) se ncarc la aproximativ 90% din capacitate dac sunt ncrcai rapid cu 1C. La C/10, eficiena la ncrcare scade la aproximativ 70%, ncrcarea durnd aproximativ 14 ore sau chiar mai mult. n prima perioad de ncrcare a unui acumulator cu nichel- cadmiu(NiCd) n stare bun (pn atinge 70% din capacitate), eficiena reaciilor chimice este de aproximativ 100%, acumulatorul rmnnd rece ca urmare a transformrii integrale a energiei electrice primite n produse chimice.ncrctoarele ultra-rapide utilizeaz acest avantaj, ncrcnd n cteva minute acumulatorul la cureni de cteva ori mai mari dect C, pn atinge 70% din capacitatea total. Dac trec de acest prag, acumulatorul piarde treptat puterea de transformare a curentului electric n reacie chimic, avnd ca efect supranclzirea i acumularea de presiuni interne.nclzirea mare a acumulatorii cu nichel-cadmiu(NiCd) apare datorit rezistenei interne mici a celulei. Soluia o reprezint o ncrcare cu un curent variabil, mai mare la nceputul ncrcrii i apoi scade. Dar i ncrcarea n impulsuri de polaritate opus pentru a crete nivelul de "acceptare" al curentului de ncrcare care genereaz reacii chimice alternative ajut la recondiionarea electrozilor i reduc efectul de memorie. Combinaie ntre detectarea variaiei negative de tensiune (- dV), variaia temperaturii pe unitatea de timp n pant mobil (dT/dt), msurarea temperaturii absolute a celulei i stabilirea unui interval de timp ajut la aplicarea curentului de ncrcare. Terminarea ncrcrii sau dup etapa de ncrcare iniial rapid se trece la o ncrcare necesar pentru faza topping sunt procedee ale acestor ncrctoare. Alte tipuri de ncrctoare mai parcurg o etap suplimentar de ncrcare la curent mare pe un timp determinat, pentru a mai ctiga un plus de capacitate. De regul, acest ctig este de ordinul a 6-8% cu preul reducerii duratei de exploatare a celulei.

Ulterior acestor etape, intervine ncrcarea la un curent foarte mic (trickle charge), necesar pentru a compensa autodescrcarea. Curentul recomandat pentru aceast etap este ntre C/20 i C/10.

1.2.2.2 ncrcarea acumulatorilor NiMh(Nichel-Hidrur de Metal)

Acest tip de ncrcare a celule necesit acumulatoare mult mai complexe dect cele necesare la celulele cu nichel-cadmiu (NiCd), n special datorit faptului c variaia negativ de tensiune este mult mai mic. Dac valorile < C/5 sau n cazul unor temperaturi ridicate, aceast variaie nu apare. De asemeni, n cazul ncrcrii unor pack-uri de celule cu nichel- hidrur de metal (NiMh), dezechilibrarea pack-urilor nseriate reduce aceast variaie.Variaia de tensiune negativ este n intervalul 8-16mV per celul pentru un acumulator nou.Datorit unui variaii de tensiune sau a zgomotului electric face ca ncarcarea s se sfrseasc nainte ca s fi fost atins capacitatea programat. Cele mai multe ncrctoare de acumulatori cu nichel-hidrur de metal (Ni-Mh) utilizeaz toate metodele de detecie a ncrcrii, respectiv -dV, dT/dt, msurarea temperaturii absolute i timer, dar n alt mod dect ncrctoarele destinate bateriilor NiCd.Datorit variaiei foarte mici -dV, absena acestei variaii la ncrcarea n cureni mai mici de C/5, ncrcarea acumulatorilor cu nichel-hidrur de metal (Ni-Mh) se realizeaz corect n ncrctoare rapide sau ultrarapide. ncrctoarele care se bazeaz pe timer ca metod de terminare a ncrcrii fie nu ncarc destul celula, fie o suprancrca.Spre deosebire, de acumulatorii cu nichel-cadmiu (NiCd), cei cu nichel-hidrur de metal (Ni-Mh) au o toleran redus la suprancrcare datorit reaciilor chimice specifice. Tot un element specific este faptul c ncrcarea trickle trebuie s se desfoare la cureni de 5 ori mai mici dect la acumulatorii cu nichel-cadmiu (NiCd). ncrctoarele disponibile n comer, ce au preul redus nu asigur o ncrcare corect a acumulatorilor cu nichel-hidrur de metal (Ni-Mh), spre deosebire de cele cu nichel-cadmiu (NiCd) ntruct ele opresc ncrcarea pe baza deteciei unui vrf de tensiune sau a unui vrf de temperatur.

1.2.3 ncrcarea acumulatori SLA (Plumb i Acid sulfuric Sigilat)

ncrcarea acumulatorilor pe baz de plumb i acid sulfuric sigilat(SLA) trece prin 3 faze:1. Faza Iniial2. Faza Topping3. Faza tricklencrcarea acumulatorilor pe baz de plumb (Pb) seamn cu cea a acumulatorilor pe baz de Li-ion i difer de cea a acumulatorilor pe baz de nichel prin faptul c se utilizeaz limitarea de tensiune i nu de curent. TIMPUL DE NCRCARE al unui acumulator pe baz de plumb(SLA)=12-16h =36h (capacitate mare) Reducerea timpului de ncrcare la mai puin de 10 orea este datorat ncrcarii la cureni mari n etape diferite. Acest tip de acumulatorii nu poate fi ncrcat la maxim ntr-un timp apropiat de cel al acumulatorilor cu nichel sau litiu. PROCEDURA DE NCRCARE:Un acumulator pe baz de plumb i acid sulfuric sigilat (SLA) se ncarc ntr-un timp de 5 ori mai mare dect cel n care se descarc, spre deosebire de cei pe baz de nichel (timp ncrcare = timp descrcare ) sau Li (timp ncrcare = de dou ori timpul de descrcare). Un ncrctor n etape pentru acumulatorii pe baza de plumb (SLA) va ncepe ncrcarea la un curent constant pn cnd celula atinge o tensiune prestabilit. Prima etap=5h iar bacteria se ncarc la 70% ,a doua etap- este redus curentul de ncrcare pn la atingerea unei capaciti de 100%. Neparcurgerea acestei etape are drept consecin, reducerea dramatic a duratei de exploatare a acumulatorului precum i imposibilitatea de a l mai ncarc la capacitatea nominal. Aceast etap dureaz cam 5 ore, nivelul maxim este cnd curentul de ncrcare scade sub 3% din curentul nominal. Poate varia ntre 2,30V i 2,45V. ALEGEREA TENSIUNIIPentru acest tip de acumulator trebuie ncrcat 100% pentru a evita sulfatarea electrodului negativ, dar este dificil de decelat momentul n care ncepe procesul chimic, iar suprancrcarea duce la corodarea electrodului pozitiv i la generarea de gaze. Tensiunea maxim variaz, de asemenea, cu temperatura. O temperatur ridicat necesit tensiuni sczute de ncrcare.Exist o gam larg de temperaturi, astfel trebuie s fie n mod obligatoriu dotate cu un sistem de msurare i integrare a temperaturii.Etapa final este ncrcarea de mentenan ce urmrete compensarea autodescrcrii. Un alt aspect este faptul c un acumulator cu plumb i acid sulfuric sigilat (SLA) nu se recomand a fi meninut n ncrcare la tensiunea maxim pentru un timp ndelungat. Perioada maxim este de aproximativ 48 de ore. Dup atingerea strii de ncrcare, pentru mentenan (trickle charge) se recomand o tensiune n jur de 2,25-2,27 V/celul la 25oC.Acumulatorii auto se ncarc pn la o tensiune de aproximativ 2,30V/celul ntruct peste 2,37V/celul, majoritatea bateriilor ncep s degaje gaze, pierznd soluia din electrolit i ncepnd s se nclzeasc. Totui, acetia pot fi ncrcai pn la 2,5V/celul fr efecte adverse. La fiecare 6 luni se recomand o ncrcare de topping (etapa a doua) pentru a evita descrcarea sub 2,10V/celul. Stocarea sub aceast tensiune duce la sulfatarea ireversibil a bateriei.

1.2.3.1 ncrcarea n impulsuri a acumulatorilor SLA

Se consider c acest tip de ncrcare ar fi folositor pentru reducerea coroziunii celulei, dar unii productorii nu recomand aplicarea metodei. ncercarea de reducere a dezechilibrului n acumulatorii cu celule nseriate prin ncrcarea la o tensiune ce depete tensiunea corect este condamnat de ctre productori. Curentul de ncrcare pentru acumulatorii cu plumb i acid sulfuric sigilat (SLA) de capaciti mici trebuie ales ntre C/10 i C/3 din capacitatea indicat i numai la temperatura ambiant. Dup ncrcarea complet (faza2) se recomand scoaterea din ncrctor. Dac este nevoie s fie meninut n ncrctor (la sursele tampon), se va scade tensiunea la 2,25V/celul.

1.2.3.2 Aflarea capacitii unui acumulator SLA

Starea unui acumulator pe baz de plumb (Pb) poate fi, cu unele limitri, determinat prin msurarea tensiunii n gol. Un acumulator (generic 12V) care prezint o tensiune de 12,65V este 100% ncrcat. La 12,45-75%, 12,24-50%, 12,06-25%, sub 11,89V este descrcat. n cazul n care se nclzete acumulatorul pare pierderea de substan, prin evaporare i transformarea n gaze. Energia electric transferat celulei acumulatorului duce la generarea de energie termic n loc s genereze reaciile chimice proiectate. nclzirea acumulatorilor nu este recomandat, efect evitat. Msurarea tensiunii pe celula neconectat poate fi utilizat pentru determinarea strii de ncrcare a bateriei pe baz de litiu (la fel ca i acumulatorii pe baz de plumb). Aceast metod nu poate fi aplicat la acumulatorii pe baz de nichel(Ni). O celul pe baz de litiu (Li) cu o tensiune n gol de 3,8V relev o capacitate de 50%. Totui, utilizarea acestei msurtori nu este universal valabil datorit fluctuaiilor de parametri de la productor la productor precum i datorit temperaturii ambiante. Cu ct crete temperatura, cu att scade tensiunea furnizat de celul. ncrctorul destinat celulelor cu cu nichel-hidrur de metal (Ni-Mh) poate ncrca celule cu nichel-cadmiu (NiCd). Invers nu este posibil deoarece, ncrctorul pentru acumulatorii cu nichel-cadmiu (NiCd) va suprancrca celulele acumulatorilor cu nichel-hidrur de metal(Ni-Mh), degradndu-le. Aceti acumulatori se ncarc la cureni mari n ncrctoare rapide sau ultrarapide.n acest fel se previne dezvoltarea formaiunilor cristaline pe electrozi (fenomenul de memorie). Acumulatorii pe baz de nichel i cei pe baz de litiu sunt diferii din punct de vedere al chimiei interne i necesit metode de ncrcare complet diferite. ncrctoarele, de asemeni, sunt diferite i nu sunt interschimbabile.Este de preferat ca ncrcarea s aib loc ntr-un ncrctor dedicat din dou motive:1. Circuitele de detecie sunt mult mai elaborate.2. Influena temperaturii asupra celulei care se ncarc este mult mai redus prin ext ernalizareasursei de energie termic (transformatorul ncrctorului este, de regul, extern).

1.3 DESCRCAREA ACUMULATORILOR

Scopul acumulatorului este acela de a se ncrca cu energie. Curentul de ncrcare i descrcare al acumulatorului se evalueaz n funcie de capacitate (C) .Majoritatea acumulatorilor folosii n echipamentele portabile sunt considerai ca fiind la 1C, adic, un acumulator marcat la 1000mA va livra timp de o or 1000mA. Acelai acumulator va livra500mA pentru 2 ore. La 2C, acelai acumulator va livra 2000mA pentru o jumtate de or. n practic ns, la 2C, acumulatorul din exemplu va livra doar aproximativ 95% din capacitate, iar la 0,5C, acumulatorul va livra 105% energie. Diferena ntre msurtori este dat de rezistena intern.Acumulatorii pe baz de nichel (Ni) au cureni mari de descrcare, ce depesc 5C (NiCd) i pot tolera schimbri de polaritate (max 0,2V) pentru electrodul pozitiv n pack-uri cu mai multe celule nseriate. Totui, aceast schimabre de polaritate nu trebuie prelungit ntruct schimbarea de polaritate poate duce la scurtcircuit intern ireversibil. Aceti acumulatori ating o tensiune minim =0,9V/celul la descrcare mai mare de 1C i sunt mai puin afectai de ciclurile profunde de descrcare. n timpul descrcrii, celulele pe baz de nichel (Ni) i menin tensiunea constant pn la aproximativ 15% din capacitate apoi urmeaz o scdere abrupt a tensiunii. De asemeni, dintre toate tipurile de acumulatori descrise, cei pe baz de nichel (Ni) sunt cel mai puin afectai de cicluri de descrcare profunde, putnd suporta cteva mii de astfel de cicluri. Din acest motiv, acest tip de acumulatori sunt cei mai indicai pentru echipamente ce necesit asigurarea unui consum mare de curent i cicluri rapide de ncrcare/descrcare, cum ar fi uneltele electrice sau echipamentele de comunicaii. Acumulatorii pe baz de litiu (Li) se descarc pn la aproximativ= 3,0V/celul, iar unii dintre acetia au circuite care deconecteaz permanent celula de la contactele externe, aceasta nemaiputnd fi ncrcat n ncrctoare uzuale. Fabricanii indic pentru acumulatorii pe baz de litiu, c descrcarea normal este acea descrcare de pn la 20% din capacitate. Descrcrile repetate, de 100% duc la scurtarea numrului de cicluri disponibile pentru acel acumulator. Din acest motiv este recomandat ca descrcarea acestor acumulatori s nu fie profund. Acumulatorii pe baz de litiu au curentul de descrcare la maxim 2C ceea ce i face improprii anumitor domenii de utilizare. Unii acumulatori pe baz de litiu au chiar circuite de limitare a curentului la 1,5C. Spre deosebire de acetia acumulatorii cu plumb (SLA) nu pot opera la curent de descrcare mai mare sau egal cu 1C. Pentru a indica n mod corect capacitatea acumulatorilor cu plumb (SLA) productorii precizeaz timpul de descrcare sau recomand un curent de maxim 0,05C.Tensiunea de descrcare pentru acest tip de acumulatori este de 1,75V/celul, descrcarea avnd loc la tensiune variabil lent, apoi scade abrupt pe msur ce se apropie de 100%. Durata de exploatare a acestui tip de acumulator depinde foarte mult de profunzimea descrcrilor. Astfel, un acumulator cu plumb (SLA) poate avea un numr de peste 1000 de cicluri la o profunzime de descrcare de 30%, dar mai puin de 200 la o profunzime de 100%.Explicarea procesului de descrcare este greu de explicat datorit diferenelor ce apar n cadrul acumulatorilor. Unii acumulatori care au circuite electronice de urmrire a descrcrii iau n calcul o descrcare de 70% din capacitate n timp ce, n anumite situaii, descrcarea atinge doar 10% din capacitate (SATELII).

Capitolul 2. CELULE I PANOURI FOTOVOLTAICE

ISTORIC-UTILIZRI

nc din Antichitate se descoperiser solare, strns legate de un eveniment istoric legat de invazia Siracuzei 212 .Hr, atunci cnd este utilizat i direcionat acest putere solara prin oglinzi ctre inamici spre ai incendia. Cazul flacrei olimpice pentru care s-a utilizat energia solar.Efectul fotoelectric n 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit c o baterie expus la soare produce mai mult curent electric dect una neexpus.Mrirea conductivitii seleniului a fost demonstrat n 1873. Zece ani mai trziu a fost confecionat prima celul fotoelectric clasic. Dup nc zece ani n 1893 a fost confecionat prima celul solar care producea electricitate.n 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit c lumina incident pe anumite suprafee metalice elibereaz electroni din suprafaa acestuia i astfel a oferit prima explicaie referitoare la efectul fotoelectric. Totui el nu tia nc de ce i la care metale se produce acest efect. Cu toate acesta pentru aceast descoperire el a obinut premiul Nobel pentru fizic n anul 1905. Rezolvarea problemei a venit de la Albert Einstein n 1905 cnd cu ajutorul teoriei cuantice a explicat dualitatea luminii ea fiind prezent n acelai timp i ca particul i ca und.Descoperirea n anul 1949 a jonciunii p-n de ctre William B. Shockley, Walther H. Brattain i John Bardeen a fost nc un pas mare n direcia celulelor.Fabricarea primei celule solare n 1954 n laboratoarele firmei americane Bell se datoreaz angajailor firmei sub conducerea lui Morton Price au observat cnd cercetau un redresor cu siliciu, c acesta producea mai mult curent cnd era expus la soare. Ca urmare firma Bell prin contribuia domnilor Chapin, Fuller i Pearson a dezvoltat n 1953 primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen, dar care aveau un randament de doar 4 % care a fost mrit la 6 % prin schimbarea impurificrii. n 1958- au fost testate celule solare pentru prima dat pe sateliul Vanguard I dotat cu un panou solar avnd 108 celule solare pe baz de siliciu. S-au atins n spaiu randamente de pn la 10,5 %. Randamentul teoretic pentru celule solare pe baz de siliciu se consider a fi de 29 % pentru condiiile de iradiaie pe spectrul din zona de mijloc.n 1973- Lindmayer i Ellison au confecionat aa numit celul mov ce avea un randament de 14%. Prin reducerea reflexiei n 1975 s-a mrit randamentul la 16 %. Aceste celule s-au numit celule CNR (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatelit ) i au fost concepute pentru satelii. Criza de la nceputul anilor 70 a condus la creterea preurilor produselor petroliere avnd ca rezultat cretere preului energiei. Acest lucru a impulsionat cercetrile n domeniul celulelor solare. n 1980 s-a nceput organizarea de concursuri de automobile acionate cu energie electric obinut de la module solare. n 1981- un avion acionat de energie solar a traversat Canalul Mnecii. ntre timp Green precum i specialitii de la Universitatea Stanford i cei de la Telefunken au dezvoltat celule solare cu un randament n jur de 20 %. Astzi randamentul se apropie de 30%, iar pe viitor se preconizeaz un randament de 40%.

2.1 CLASIFICAREA CELULELOR I PANOURILOR FOTOVOLTAICE ALCTUIRECELUL SOLAR:-2 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 sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonciuni p i n. Aceast structur e similar cu a unei diode. PROCES Formarea curentului electric este rezultatul expunerii la lumin a stratului de siliciu este realiznd o agitaie" a electronilor din material.Celule fotovoltaice, au de obicei o suprafa foarte mic i curentul generat d e o singur celul este mic, dar combinaii serie, paralel ale acestor celule 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 la intemperii.Celulele solare sunt clasificate n funcie de: -dup grosimea stratului materialului, celule cu strat gross au cu strat subire. -felul materialului: se ntrebuineaz, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinaiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.-dup structura de baz deosebim materiale cristaline (mono-/policristaline), respectiv amorfe. n fabricarea celulelor fotovaltaice pe lng materiale semiconductoare, mai nou, exist posibiltatea utilizrii i a materialelor organice sau a pigmenilor organici.

ASPECT1. Celule pe baz de siliciu-Strat gros Celule monocristaline (c-Si) - randament mare, n producia n serie se pot atinge pnla peste 20 % randament energetic; Celule policristaline (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 cu cel mai bun raport pre performan.-Strat subire Celule cu siliciu amorf (a-Si) - cel mai mare segment de pia la celule cu strat subire;randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; Celule pe baz de siliciu cristalin, ex. microcristale (c-Si) n combinaie cu siliciulamorf ofera randament mare;2. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa III-V-Celule cu GaAs - randament mare, foarte stabil la schimbrile de temperatur, la nclzire opierdere de putere mai mic dect la celulele cristaline pe baz de siliciu, robust vizavi de radiaia ultraviolet, tehnologie scump, se utilizeaz de obicei n industria spaial (GaInP/GaAs, GaAs/Ge).-HCPV utilizeaz tehnologia de celule cu un grad ridicat de eficien i tripl jonciune.3. Semiconductoare pe baz de elemente din grupa II-VI-Celule cu CdTe - utilizeaz o tehnologie foarte avantajoas CBD (depunere de staturi subiri pe suprafee mari n mediu cu pH , temperatur i concentraie de reagent controlate); n laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pn acum au atins un randament sub 10 %.4. Celule CIS, CIGS-CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs n staie pilot la firma Wrth Solarn Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell n Berlin, iarCIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs n staie pilot n Uppsala/Suedia.5. Celule solare pe baz de compui organiciTehnologia bazat pe chimia organic furnizeaz compui care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezint, totui, un impediment faptul c aceste celule au un randament redus i o durat de via redus (max. 5000h).

6.Celule pe baz de pigmeniNumite i celule Grtzel utilizeaz pigmeni naturali pentru transformarea luminii n energie electric; o procedur ce se bazeaz pe efectul de fotosintez. De obicei sunt de culoare mov.7.Celule cu electrolit semiconductorDe exemplu soluia oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uor de fabrict , dar puterea i sigurana n utilizare sunt limitate.8.Celule pe baz de polimeriDeocamdat se afl doar n faz de cercetare.

2.1.1Panouri de celule fotovoltaice

Pentru nceput panourile solare aveau o form rotund, asemntoare formei barelor de siliciu din care au fost debitate. n ziua de astzi aceast form este una rectangular avnd colurile mai mult sau mai puin teite. Pn la sfritul anilor 1990 celulele solare aveau dimensiunile de fabricaie 100*100 mm (n jargonul de specialitate numite celule de 4 oli). Ca dup aceea s fie introduse pe scar tot mai larg celulele cu latura de 125 mm, i de prin anul 2002 i celulele cu latura de 150 mm se utilizeaz tot mai des n modulele standard i se prevede c nici celulele de 200*200 nu vor fi o raritate n viitor.Dimensiunile pot varia n procesul de debitare rezultnd si plci de dimensiuni mai mici, dar care pot genera aceeai tensiune doar cu un curent mai mic datorit suprafeei mai mici, i care i gsesc aplicaia n aparatele cu consum mic. Utilizarea flexibil se datoreaz combinrii n serie a celulelor, pe baza nevoilor reale ale utilizatorilor de energie i de caracteristicile zonei date. Producia de energie electric de la module este adaptat pentru a fi utilizat de o gam larg de dispozitive.

n practic, ntr-o instalaie de panouri fotovoltaice sunt conectate mai multe module:pentru a forma o serie, astfel nct s se ajung la tensiunea nominal necesar;conectate n paralel pentru a ajunge la curentul dorit o fi instalat.

CONECTAREA:

- n serie, curentul total este egal cu cel al modulului care genereaz mai puin curent, n timp ce tensiunea total este suma de tensiuni din module individuale (Figura2.1). - n paralel a modulelor face ca tensiunea total s fie echivalent cu cea a unui singur modul, iar curentul total este suma curenilor tuturor modulelor. Valoarea nalt a curenilor implic nevoia pentru o mai mare seciune de cabluri i dispozitive mai complexe ce au urmtoarele caracteristici:

ntreruptor al instalaiei n cazul efecturii de lucrri electrice sau de curire;ntrerupere de urgen, pentru eliminarea de riscuri iminente, cum ar fi un foc n apropiere.

Grupari serie conectateGrupari paralel conectateGrupari paralel conectate n serie

n paraleln seriei paralel

Figura 2.1 Moduri de conectare ale celulelor fotovoltaice n panouri fotovoltaice

CARACTERISTICI ale celulelor fotovoltaice ca i n cazul acumulatorilor sunt:

TensiuneaIntensitatea curentului electricPuterea electric

Tensiunea util a celulelor fotovoltaice, ca i intensitatea curentului electric asigurat, depind semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricaie, ca i de dimensiunile acestor celule.Performanele panourilor fotovoltaice sunt dependente de temperatur. Creterea temperaturii determin scaderea eficienei panourilor fotovoltaice de a converti energia radiaiei solare n curent electric. Valoare orientativ pentru o reducere a eficienei panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de cretere a temperaturii. De regul performanele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25C. Este evident c din acest punct de vedere, cea mai eficient conversie a energiei solare n energie electric este realizat n spaiul cosmic, unde temperatura este apropiat de 0 K.

2.2 PRINCIPIU DE FUNCIONARE

Fotonii incidentali elibereaz electroni i goluri, care se vor separa n cmpul electric al zonei de sarcin spaial a jonciunii p-n. Celulele solare pe baz de materiale semiconductoare n principiu sunt construite ca nite fotodiode cu suprafa mare care ns nu se utilizeaz ca detectoare de radiaii ci ca surs de curent.

Figura 2.2 Structura unei celule solare simple cu impurificare pin (positive intrinsic negative)

Funcionarea prin absorbie de energie (cldur sau lumin) elibereaz purttori de sarcin:-electroni-goluri. Este nevoie de un cmp electrostatic intern pentru ca din aceti purttori s se creeze un curent electric dirijndu-i n direcii diferite. Acest cmp electric intern este determinat n dreptul unei jonciuni p-n. MECANISMPentru c intensitatea fluxului luminos scade exponenial cu adncimea, 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 de suprafa i p stratul gros de dedesubt n urma cruia apare jonciunea. Sub aciunea fotonilor apar cupluri electron-gol n jonciune, din care electronii vor fi accelerai spre interior, iar golurile spre suprafa.O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina n jonciune rezultnd o pierdere de cldur, restul curentului putnd fi utilizat de un consumator, ncrcat ntr-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat n reeaua public. Tensiunea electromotare maxim la bornele unei celule solare = 0,5 V.Structura celulelor solare se realizeaz pentru a absoarbi ct mai mult lumin i s apar ct mai multe sarcini n jonciune. Pentru aceasta electrodul de suprafa 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 a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albstruie a celulelor solare care fr aceasta ar avea o culoare gri-argintie.La celulele solare moderne se obine din nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD (pe o suprafa nclzit se depun n urma unei reacii chimice componente extrase dintr-o faz gazoas) un strat antireflectorizant 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 depun prin procedeul AP- CVD.

2.3 CARACTERISTICI TEHNICE I SCHEME DE CONECTARE

Condiiile standard ale parametrilor tehnici pentru cellule solare sunt(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, IEC 904.

AM 1,5 global indic slbirea luminii solare la suprafaa pmntului n funcie de latitudine datorit parcurgerii unei mase mai mari de aer proporional cu latitudinea (n acest caz se consider latitudinea de 50). Aceasta corespunde condiiilor de var din Europa central din nordul Italiei pn n centrul Suediei. n iarn condiiile corespund 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 lumina este compus att din lumina difuz ct i din cea direct.Este de remarcat c n realitate, 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 ca urmare o scdere a randamentului. Din acest motiv se ia n calcul un alt parametru, PNOCT care indic puterea la temperatura de funcionare normal (normal operating cell temperature).Caracteristicile unei celule solare sunt:-Tensiunea de mers n gol UOC (auch VOC);-Curentul de scurtcircuit ISC-Tensiunea n punctul optim de funcionare UMPP ;-Curentul n punctual de putere maxim IMPP;-Puterea maxim estimat PMPP;

-Factor de umplere

FF =

PMPPUOC I SC

(3.1);-Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei;

-Randamentul celulei solare

luminoas Pop;unde s-a notat cu:

= PMPPA Popt

(3.2) la o suprafa iluminat A i intensitate-SC: Short Circuit scurtcircuit;-OC: Open Circuit - mers n gol;-MPP: Maximum Power Point - punctul de putere maxim;-PR: Factor de performan, indic poriunea n care panoul furnizeaz curentul la valorinominale.Celulele solare deci pot ceda o putere de 160 W/ m. Incluse n module puterea pe suprafa va fi mai sczut pentru c ntre celule i marginea modulului este o distan.Randamentul= raportul dintre puterea debitat de panou i putere coninut n lumina incident total. Semiconductoare cu zona interzis stabil utilizeaz doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim= 33 %, pe cnd randamentul teoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reacioneaz la toate lungimile de und a luminii solare =85 %.Randamentul celulelor solare comerciale = cca 20 %, iar modulele construite cu acestea ating un randament =cca 17 %. Recordul pentru celulele fabricate n condiii de laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-au confecionat panouri cu un randament de 22 %. Preul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonal este de cca200 Euro pe celul la o suprafa a celulei de 21,6 cm2, corespunznd unui cost de 5-10 Euro/W.Sistemele GaAs au costuri de 5 pn la 10 ori mai mari. Trecerea timpului si alterarea funciilor conduce la scderea randamentului cu cca 10 % n 25 ani. Fabricanii dau garanii pe cel puin 80 % din puterea maxim n 20 ani. Semnul convenional pentru o celul solar indic asemntor unei diode sau fotodiode prin interediul unei sgei sensul curentului pentru conectare.

2.3.1 Schem echivalent simplificat

Schema este alctuit: surs de curent legat n paralel cu o diod ideal Fig 2.3. Aceast surs produce un curent dependent de intensitatea luminii i este modelat de fotocurentul IPh. La valoare curentului total contribuie i curentul prin diod ID .I = I Ph

I D ,

Figura 2.3. Schem de conectare i schem echivalent a unei celule solare

2.3.2 Schem echivalent extins (Model cu una sau dou diode)

Schema extins ine cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar n procesul de fabricaie. Modelarea electric exacta din punct de vedere electric se realizez prin acest modelare.

Figura 2.4 Model de celulul solar cu o diod

Fa de schema echivalent simplificat la cea extins cu o diod, schema se completeaz cu o rezisten legat n paralel i una legat n serie (Fig 2.4).Rezistana n paralel Rp ine cont de -defectele de cristal, -impurificri neomogene -defectele de material prin care apar cureni de pierdere care traverseaz jonciunea p-n. La celule solare bine construite Rp=mare.Rezistena n serie Rs ine cont de -efectele n urma crora crete rezistena total a elementelor componente. Acestea sunt n principal rezistena semiconductorului, rezistena contactelor i a legturilor. La celulele solare Rs = mic.FORMULA curentul total =funcie recursiv i arat astfel:U pI = I Ph

I d R pFa de cea anterioar aceastei scheme (Fig 2.5) i se mai adaug o diod cu ali parametri pentru a evidenia funcionarea n regim de tensiune invers.

Figura 2.5. Model cu dou diode cu surs cu limitare de tensiunela efectul de avalan la tensiune invers.

2.4 PRINCIPII TEORETICE

Aranjament de cellule fotovoltaice are schema electric n figura Fig2.6. Caracteristicile electrice ale aranjamentului fotovoltaic atunci cnd este expus la radiaie solar este dat de curentul de ieire IPV i de tensiunea de ieire VPV:

UndeIL=

Np Ip h

corespunde curentului generat de ctre ntregul aranjament fotovoltaic cu Iphcurentul generat de ctre o singur celul fotovoltaic, iar Np reprezentnd numrul de celulemontate n paralel.Io = NpIos

corespunde curentului invers de saturaie al aranjamentului solar cu Ios curentulinvers de saturaie pentru o singur celul fotovoltaic.

este tensiunea termic, unde Ns este numrul de celule conectat n serie, KB

constant lui Boltzmann, n factorul de idealitate, T temperatura celulei, q sarcina electronului; Rs este rezistena serie parazit a panoului fotovoltaic, iar Rp este untul de rezisten parazit. Rezistena de sarcin este reprezentat prin RLOAD.Curentul de scurtcircuit al panoului fotovoltaic este ISC, iar tensiunea n gol a circuitului esteVOC ,la intensitatea radiaiei solare G i la temperatura T sunt date prin urmatoarele relaii:

unde ISC* i VOC

sunt curentul de scurtcircuit i tensiunea n gol a panoului fotovoltaic laintensitatea radiaiei solare G* i temperatura celulei T*, cu 1 i 2 coeficieni de temperatur pentru curent i tensiune.

Figura 2.6 Diagrama electric echivalent a unui panou fotovoltaic.

Un panlou fotovoltaic ideal are rezistena Rs zero i Rp infinit. Curentul i tensiunea de ieire vorfi:

PANOU FOTOVOLTAIC prezint 3 repere: Curentul de scurtcircuit Isc Tensiunea de gol Voc Puterea optim Pop , debitat pe o sarcin optim Rop.Fig 2.7(a) i (b)=GRAFICE ale trsturilor (I-V) i (P-V) a unei celule flotovoltaice pentru diferite radiaii solare la diverse temperaturi. Curentul de scurtcircuit este proporional cu nivelul radiaiei (Fig 2.7(a)): -dac este mai mult radiaie, mai mult current crete puterea maxim de ieire. Dependena de temperatur este invers (Fig 2.7(b)): -temperatura crescut produce o reducere a tensiunii de gol i cu acest lucru o scdere a puterii maxime de ieire. Prin urmare efectele opuse ale acestei variaii a radiaiei solare i a temperaturii asupra puterii maxime de ieire necesit un algoritm de control a energiei electrice captate.

Fig 2.7(a) Influena radiaiei solare asupra caracteristicilor I-V si P-V

Fig 2.7(b) Influena temperaturii asupra caracteristicilor I-V si P-V

Fig 2.7 prezint punctul optim de funcionare cruia i corespunde unei sarcini conectate la panoul fotovoltaic ce variaz odat cu modificarea condiiilor ideale de iluminare i de temperatur. Controlul sistemului de ntrerupere a tensiunii electrice ctre circuitul la care se conecteaz panoul fotovoltaic realizeaz acest lucru. Se va controla tensiunea de funcionare ce va corespunde unei sarcini optime.

2.4.1 Modelare

Fig. 2.8 Circuit echivalent pentru un Panou Fotovoltaic

MODELE DE PANOURI VOLTAICE.Curentul de ieire I i tensiunea de ieire V a panoului fotovoltaic sunt date de formulele (1) i (2) folosind simbolurile din Fig. 2.8 dup cum urmeaz:

n formula de mai sus Iph este foto-curentul (msurat n [A] Ampere), Io este curentul de saturaie invers (msurat n [A] Ampere), Id este curentul mediu prin diod (msurat n [A] Ampere), n este factorul de idealitate al diodei, q este sarcina elecronului unde q = 1.6 10-19 C, k este constant lui Boltzmann (msurat n Joules/Kelvin), k = 1.38 10-23 J/K, i T este temperatura pe panoul fotovoltaic (msurat n Kelvin).

S-a notat prin Rs rezistena serie intrinsec a panoului fotovoltaic, care este n mod ideal zero, iar prin Rsh echivalentul rezistenei de unt a panoului solar, care ideal este infinit. n general, curentul de ieire al panoului fotovoltaic este exprimat de formula:

Unde rezistenele Rs i Rsh pot fi n general neglijate, i prin urmare, ultimul termen n ecuaia (4)este n general neglijat.

Cnd circuitul este deschis, curentul de ieire devine I = 0, iar tensiunea de gol Voc este exprimat de urmtoarea ecuaie:

Dac circuitul este scurtcircuitat, tensiunea de ieire va deveni V = 0, curentul mediu prin dioda I d este n general neglijat i curentul de scurtcircuit Isc = I va fi dat de formula (7). Relaia ce exist ntre curentul de scurtcircuit Isc i foto-curentul Iph este exprimat de (8).

n final, puterea de ieire P este dat de relaia (9):

Aici P i V sunt puterea instantanee de ieire, respectiv tensiunea de ieire a panoului fotovoltaic. Starea de echilibru a MPP (punctul de putere maxim) conine P/V = 0. Puterea maxim Pmax este exprimat n relaia (10). Aici Pmax i Vmppt sunt puterea de ieire maxim i tensiunea de ieire optim.

Fig.2.9 Caracteristicile P I calculate i curbele de Putere maxim plecnd de la condiiile n i Iocunoscute.

Cele dou grafice corespund urmtoarelor condiii iniiale:-Fig 2.9 (a) Coeficientul de iradiaie S este 800W/m2, i temperature se schimb de la50C la 75C.-Fig 2.9 (b) - Coeficientul de iradiaie variaz de la 100W/m2 la 1KW/m2 la temperatura de45C.Muli parametri afecteaz puterea de ieire a sistemelor fotovoltaice, cum ar fi, cele dou rezistene intrinseci, temperatura ambiant, iradiaa solar, factorul de idealitate pentru diod i curentul de saturaie invers. n primul rnd, rezistena RS este foarte mic (de ordinul m), i Rsh este foarte mare (de ordinul k) n sistemul fotovoltaic actual, i valorile celor dou rezistene intrinseci sunt constantele necunoscute. n al doilea rnd, puterea de ieire a panoului fotovoltaic este afectat de temperatur i iradiaie. Curentul scurt-circuitat Isc i tensiunea Voc a panoului fotovoltaic se schimb mereu odat cu variaia temperaturii mediului ambient i prin expunerea la radiaia solar. Dac temperatura este variabil, coeficientul de variaie kv al tensiunii Voc este cuprins n intervalul (-0.37% -0.4%) /C la temperatura panoului solar 25C.Coeficientul de variaie ki al Isc este cuprins n intervalul (+0.09 +0.1%) /C la aceeai temperatur de 25C, unde, Tr este 25C (n Kelvin). Dac nivelul de iradiaie este variabil, curentul de scurtcircuitat Isc este exprimat de ecuaia (11) la o temperatur de 25C. Aici I sc(25C, 1KW/m2) este curentul de scurtcircuit la temperatura panoului solar de 25C, i iradiaia de 1KW/m2.Relaia dintre curentul de scurtcircuit I sc(25C, 1KW/m2) i foto-curentul I ph(25C, 1KW/m2) este exprimat de ecuaia (12) la o temperatur a panoului fotovoltaic de 25C, i coeficient de iradiaie de 1KW/m2. Foto-curentul Iph este redat n ecuaia (13) la temperaturi i coeficieni de iradiaie variabili. Astfel, folosind (6) i (13), tensiunea de gol a circuitului V oc este verificat.n al treilea rnd, factorul de idealitate, n, pentru dioda i curentul invers de saturaie, Io, afecteaz puterea de ieire. Constantele necunoscute sunt n i Io. Dei diferite panouri fotovoltaice au n i Io diferite, n i Io se presupun ca avnd valori constante dealungul unui singur panou fotovoltaic. n mod normal, n este ntre 40 50, i Io ntre 0.2 A 500 A. Dac valoarea lui n i Io sunt cunoscute, se va obine foarte uor puterea maxim de ieire pentru panoul fotovoltaic respectiv. Coeficientul de iradiaie, S este exprimat n ecuaia (14) ca o funcie de Iph.

Capitolul 3. LED-URI

3.1 Tehnologia LED

Un LED este o Diod ElectroLuminiscent (L.E.D.: Light Emitting Diode), care lumineaz cnd este parcurs de un curent electric de la anod la catod. n anii 60, cnd au fost concepute, LED-urile nu degajau dect o lumin slab, roie sau verde. Abia n anii 90, au aprut LED-urile cu lumin albastr, eseniale n producerea LED-urilor cu lumin alb, care au permis s fie ntrezrite noi debueuri. Datorit creterii constante a randamentului lor luminos, LED-urile n curnd, vor putea rivaliza cu lmpile utilizate pn acum n iluminatul public sau urban. Primul LED a fost aprins de ctre rusul Oleg Vladimirovich Losev n anii '20. Inovaia a fost primit cu entuziasm de cercettorii din lumea ntreag, ns cteva decenii nu a fost implementat n nici o aplicaie datorit costurilor mari de producie i a luminii slabe pe care o emitea. Azi, cerctrile n domeniul iluminatului au fcut din LED, soluia viitorului fiind cea mai economic surs de lumin. LED-ul este utilizat n cele mai variate domenii de la jucrii i pn la aviaie. Odat cu inventarea LED-ului care produce lumin alb, acesta a putut fi introdus n sistemele de iluminat. Noile tehnologii care utilizeaz LED-uri ofer soluii pentru actualele probleme ale iluminatului public i domestic ndeplinind cu succes standardele tehnice i de calitate impuse de legislaie.

Pe lng avantajele economice, reducerea consumului de energie electric cu peste 50% i avantajele ecologice precum reducerea polurii i a pierderilor n reea datorate armonicilor, durata de via a sistemelor de iluminat cu LED este de peste 3 ori mai mare dect a actualelor lmpi cu sodiu i vapori de mercur.Un alt element important este culoarea. Lumina cald, neutr sau rece, foarte apropiat de lumina natural, se poate obine fr aplicarea unor filtre de culoare, oferind un mediu ambiant plcut i o vizibilitate sporit. De exemplu lumina cald poate fi folosit pentru trotuare, parcuri, parcri, iar lumina rece pentru drumuri publice.

n multe ri din Europa i Asia soluiile de iluminat public cu LED-uri au fost testate i implementate cu succes. USA i-a propus ca n urmtorii 5 ani toate corpurile de iluminat public convenionale s fie nlocuite cu noile tehnologii ecologice i economice care utilizeaz LED-uri. La noi n ar tehnologiile LED s-au folosit pn acum doar n mic msur n domeniul public numaipentru sisteme de dirijare a traficului.

3.2 Principiul de funcionare al unui LED

Un LED este o diod semiconductoare care funcioneaz exact pe principiul prezentat mai sus al emisiei permanente de lumin. Acest concept este demonstrat de circuitul din figura.

Diferena este c n diodele obinuite, aceast recombinare elibereaz energie sub formde cldur - nu sub form de lumin (adic ntr-un alt domeniu al spectrului). ntr-un LED, aceste recombinri elibereaz energie sub form de lumin. Recombinarea generatoare de caldur se numete neradiativ, n timp ce recombinarea generatoare de lumina se numete radiativ. n realitate, n orice diod au loc ambele tipuri de recombinri; cnd majoritatea recombinrilor sunt radiative, avem un LED. Curentul direct injecteaza electroni n regiunea srcit de purttori, unde ei se recombincu golurile n mod radiativ sau neradiativ. Prin urmare, recombinrile neradiative "consum" din electronii excitai necesari recombinrii radiative, ceea ce scade eficiena procesului. Acest fapt este caracterizat prin eficiena cuantic intern, int , parametru care arat ce fracie din numrut total de electroni excitai produce fotoni. Explicaiile de mai sus justific caracteristica intrare-ieire a unui LED prezentat n figura de mai jos. Raionamentul de mai sus poate fi formalizat astfel: puterea luminoas, P, este energia per secund, adic numrul de fotoni nmulit cu energia unui foton, Ep. Numrul de fotoni este egal cu numrul de electroni injectai, N, nmulit cu eficiena cuantic intern.

3.3 Homostructuri i heterostructuri

Semiconductorii de tip n i de tip p discutai pina acum erau realizai pe acelai semiconductor intrinsec. Jonctiunile p-n realizate in acest fel se numesc homojonciuni, iar un asemenea semiconductor homostructur. Exist dou construcii de baz pentru un LED: LED cu emisie de suprafa (SLED) LED cu emisie lateral (ELED)

Regiunea srcit de purttori i zona nvecinat, n care se recombin electronii cu golurile, este numit regiunea activ. Lumina produs prin aceast recombinare este radiat n toate direciile, dar ea reuete s ias din dispozitiv doar printr-o fereastr practicat n electrodul superior (fig.&.8) sau deschiztura practicata ntr-o margine. Toate celelalte direcii posibile, n cazul SLED, sau direcia opus, n cazul ELED, sunt blocate. O homostructur are dou dezavantaje principale. Primul este acela c regiunea activ este prea difuz, ceea ce reduce eficiena dispozitivului. Recombinrile electron-gol au loc pe o arie larg, situaie care impune o densitate mare de current pentru a susine puterea radiate la nivelul dorit. Al doilea este c fascicolul de lumin radiat este prea larg, ceea ce face extrem de inefficient cuplajul luminii ntr-o fibr optic. Aceste dou motive fac ca, practice, s nu se foloseasc homostructurile n constructia LED-urilor.

3.4 Spectrul radiaiei unui LED

Lungimea de und radiat depinde de banda interzis a semiconductorului. Nu putem schimba banda interzis, prin urmare pentru a obine o alt lungime de und trebuie s alegem un alt semiconductor. O enrgie Eg dorit se obine utiliznd un semiconductor compus din mai multe elemente. De exemplu, banda interzisa pentru GaAs este de 1.42 eV, dar dac folosim AlGaAs putem obine o band interzis ntre 1.42 i 1.92 eV. Valoarea exact depinde de raportul ingredienilor. Astfel, pentru un semiconductor compus din 37% AlAs i 63% GaAs, Eg este egal cu 1.92 eV. Dac scdem cantitatea de AlAs, scade i Eg . n tabelul urmtor prezentm benzile interzise i lungimile de und a unora din cei mai populari semiconductori.

Prima generaie de fibre optice n telecomunicaii a folosit LED-uri realizate di AlGaAs care radiau n jur de 850 nm, prima fereastr de transparen. A doua i urmtoarele generaii au folosit LED-uri pe InGaAsP care radiaza n a doua i a treia fereastr de transparen (1300 nm i 1550 nm). Pe de alt parte, SLED-urile sunt fcute s radieze pe 850 nm i 1300 nm, in timp ce ELED-rile sunt facute sa radieze pe 1300 nm si 1550 nm.

3.5 Timpul de via, timpul de cretere/descretere i banda de frecvene

Timpul de via, , al purttorilor este timpul dintre momentul n care ei sunt injectai n regiunea srcit i momentul n care ei se recombin. Din acest motiv se mai folosete i denumirea de timp de via de recombinare. Valorile sale variaz de la nanosecunde la milisecunde. Trebuie fcut distincie ntre timpul de via radiativ, r , i neradiativ, nr , astfel nct timpul de via se calculeaz cu relaia:

Eficiena cuantic intern, int , care arat ci fotoni sunt radiai n raport cu numrul total de electroni injectai, poate fi calculat cu relaia:

Timpul de cretere/descretere, tr , este definit ntre 10% i 90% din valoarea maxim a pulsului, ca n figura urmatoare

3.6 Avantajele utilizrii corpurilor de iluminat cu LED-uri

Economia de energie: Randamentul sistemelor de iluminat cu LED-uri este superior lmpilor cu incandescen i respectiv lmpilor cu descrcare n gaz adic, la aceeai putere consumat produc cu mult mai mult lumin sau, altfel spus, pot produce aceeai lumin ca i lmpile obinuite la o putere consumat mult mai mic, economisindu-se astfel energia i reducnd factura de energie electric cu 50-80%.

Durata de via: Dispozitivele LED clasice au o durata de via de 100.000 ore, pentru o scdere a gradului de iluminare la 80%, iar pentru modulele cu LED-uri nglobate n corpurile de iluminat, se garanteaz minim 50.000 ore. Aceast durat de via foarte ridicat a LED conduce la costuri reduse de mentenan a sistemului de iluminat i ofer oportunitatea reducerii costurilor reale de investiii. Spre comparaie, lmpile cu incandescen au o durata de 1.000-2.000 ore, iar lmpile compacte fluorescente ajung la 8.000 15.000 ore.

Eficiena luminoas 80 Lm/W: Sistemele cu LED-uri produc mai mult lumin pe watt consumat dect lmpile obinuite. Controlul strict al dispersiei luminii realizat prin sistemul optic cu lentile pentru focalizarea fasciculului de lumin de form dreptunghiular asigur nepoluarea luminoas. Lentilele au rolul de a reduce pierderile de lumin i elimin riscul de orbire provocat de strlucirea luminilor.

Culoarea: Sistemele cu LED-uri pot emite nuana de lumin - culoarea dorit fr utilizarea unor filtre de culoare. Lumin cald, neutr sau rece obinut, este foarte apropiat de lumina natural, arat adevrata culoare a obiectelor i sporete confortul i vizibilitatea pe timp de noapte

Timpul de pornire-oprire: din momentul alimentrii, LED-ul lumineaz practic instantaneu la intensitate maxim fr a avea ntrzieri i suport foarte bine regimurile pornit-oprit, spre deosebire de lmpile cu vapori metalici sau cele cu vapori cu sodiu

Tensiunea de alimentare: LED lucreaz la o tensiune de alimentare n gama 85-264Vca

Intensitatea luminoas: Fiecare modul cu 28 LED-uri are o intensitatea luminoas constant indiferent de fluctuaiile tensiunii de reea

Factorul de putere: Sistemele CI-LED au factorul de putere mai mare de 0,98 [acesta este 0,5 pentru lmpile cu sodiu] ceea ce reduce substanial pierderile suplimentare n reea i se obine reducerea consumului de energie electric

Radiaii: LED nu emite ultraviolete i radiaii infraroii

Impactul asupra mediului: Implementarea soluiilor cu LEDuri pentru iluminat implic i o serie de beneficii n domeniul mediului i dezvoltrii durabile:

- Consumul redus cu peste 50% contribuie la reducerea polurii i la conservarea combustibililor fosili innd cont c peste 70% din energia electric consumat n Romnia este produs prin tehnologii de ardere a cobustibililor fosili cu efecte dezastruoase asupra mediului.- Durata de via de 3 ori mai mare duce la reducerea deeurilor provenite de la lmpile uzate- n construcia i utilizarea LED-urilor nu se folosesc materiale toxice precum mercur, plumb sau tungsten spre deosebire de tuburile fluorescente, lmpile cu vapori de mercur i cele de sodiu, respectiv cele cu incandescen.

3.7 Semaforul

Semaforul, pe care, astzi, automat, l asociem cu dispozitivul dotat cu lumini colorate, care are rolul de a fluidiza circulaia n orae, a nsemnat, n funcie de epoc, fie un mod de semnalizare maritim, vizual, realizat cu ajutorul unor fanioane, prin care se transmiteau diverse mesaje marinarilor de pe corbii, fie semnalizare feroviar (luminoasa sau sonora) sau orice alt mod de a transmite diverse mesaje codificate, in funcie de niste reguli prestabilite. Etimologic, cuvntul semafor provine din grecescul sema (semn) si phoros (care poart).

O prim form de semafor (mecanism care sa transmita semne la distan) a fost conceput si realizat de inginerul francez Claude Chappe, la sfritul secolului al XVIII-lea, intenia inventatorului fiind de a gsi un mijloc de comunicare, pe distane mai lungi, mai rapid decat folosirea clreilor, care mergeau cu caii in galop. In timpul Revolutiei Franceze, Chappe a pus la punct un sistem ingenios, un fel de telegraf, a crui functionalitate era asigurat cu ajutorul unor lunete montate pe niste catarge mobile (turnurile lui Chappe), prin intermediul crora se putea citi mesajul codat de pe un alt catarg situat la aproximativ 25 de kilometri, transmindu-se la staia urmtoare, i asa pana la destinaia final. Primul mesaj care s-a transmis, cu succes, a fost Adunarea National va recompesa msurile favorabile poporului. Codul secret utilizat de Chappe cuprindea 92 de simboluri, pe baza carora se puteau forma 8.464 de cuvinte si expresii. Pe distana Paris Lille, n felul acesta, un mesaj putea fi trimis in sase ore. Pn la jumtatea secolului al XIX-lea, 534 de astfel de turnuri mpnzeau teritoriul francez, legnd in jur de 5000 de kilometri. Ulterior, aceast modalitate a fost abandonat, deoarece prezenta mai multe dezavantaje: constrngerile de natur climatic (vizibilitate redus), posibilitatea, n timp de rzboi, ca dumanul s intercepteze, destul de uor, mesajul, necesitatea a nenumrate staii pe traseu si a unui numr mare de operatori (doi, la fiecare 15 kilometri), dar i pentru c, n 1845, i-a fcut apariia prima linie de telegraf electric.

Sistemul Chappe a fost mprumutat rapid, n epoc, i de alte ri, mai ales dup ce a fost utilizat si de Napoleon Bonaparte, pentru a-i coordona imperiul si armata, acesta instalnd cte un semafor portabil n toate cartierele generale, ceea ce i-a pemis s in sub control logistica, asa cum nu a facut-o nimeni, la vremea respectiv.

In Anglia, la jumtatea secolului al XIX-lea, se pare c, n faa Parlamentului Londonez, era asa de aglomerat din pricina birjelor trase de cai, nct autoritile au fost nevoite s ia msuri i au instalat, pentru a dirija circulaia, semafoare cu gaz (n 1868). Nu au funcionat prea mult, deoarece lmpile cu gaz au explodat i acest eveniment a avut i consecine dramatice, provocnd panic unui detaament de cavalerie, care trecea prin zon i care a avut drept urmare moartea a doi ageni de circulaie, dup ce un altul i pierduse viata ncercnd s aprind lmpile.

n anul 1912, n Statele Unite ale Americii, n Salt Lake City, din Utah, a fost pus n funciune primul semafor electric, cu un semnal rou i unul verde, apoi, la data de 4 august 1914, i n Cleveland. Semaforul electric a fost inventat de James Hodge i era compus din lmpi montate la fiecare col al interseciei, a cror culoare trebuia schimbat manual. Semaforul cu trei culori (rou, galben si verde) a aprut mai trziu, n 1920, n Detroit. La Paris, primul semafor a fost amplasat in 1923 (semafor cu o singura culoare rou), iar la Londra, n 1925. Semafoarele cu una sau dou culori erau destul de periculoase, pentru c provocau opriri brute ale autovehiculelor, genernd adesea accidente, chiar daca schimbarea culorii era insoit i de un semnal sonor puternic. Primul semafor pentru pietoni a fost instalat in 1961. n acelai an, Karl Peglau, psiholog n Germania de Est, are ideea de a crea omuleul simbolic, care apare pe lumina semaforului, pe care l-a numit Ampelmannchen, nsemnnd Omuleul bun de semnalizare. In 2008, autoritile germane au vrut s renune la aceast imagine, considerand ca le amintete de fostul regim din est, dar, n urma protestelor, au renunat, germanii de rnd considernd Ampelmannchen ca fiind unul dintre lucrurile care definesc identitatea comunitii din fosta RDG (Republica Democrata Germana). n 2005, la Zwickau, un ora tot din partea de est a Germaniei, a aprut i corespondentul feminin Ampelfrauen.

La momentul actual, amplasarea unui semafor rutier si reglarea (programarea) acestuia se fac innd cont de mai multe variabile: numrul de autovehicule care trec, n mod obisnuit, prin intersectia respectiva, vitez medie de deplasare, numrul benzilor de circulaie, trecerile de pietoni etc. Un semafor este controlat de un aparat electronic de comand, reglat de senzori aflai n carosabil si de camere video.

Semaforul poate fi de mai multe tipuri :

Semafor Ecran Contrast Domeniu de utilizare:Accesoriu pentru semafoare, sporete vizibilitatea semaforului:

- pentru semafor cu diametru 300mm;- pentru semafor combinat cu module cu diametre de 300mm si 200mm; Descriere:

- Masca din tabla de aluminiu vopsita negru, ambutisata la 15mm;- Suport de fixare din tabla de otel, grosime de 2x 4 (bucati), vopsit negru, se capseaza pe masca;- Banda reflectorizanta alba, autoadeziva, cu latime de 25mm, se lipeste pe contorul exterior al ecranului;- Montajul se face prin intermediul a 12 suruburi cu cap randalinat M4X12.

Capitolul 4. SISTEM DE ALIMENTARE

Modulul de ncrcare al acumulatorilor este partea critic i cea mai important din cadrul unui sistem fotovoltaic. Costul economic al unei instala ii funcionale de durat, depinde de implementarea corect a acesteia. Optimizrile aduse sistemului de ncrcare a acumulatorilor conduc la o cretere a timpului de via a acestora i meninerea sistemului fotovoltaic n funcionare pe o durat mare de timp. Din considerente tehnice, in lucrarea de faa vom simula un sistem de alimentare miniaturizat (faa de unul la scar mare pentru alimentarea panourilor de semnalizare rutiere).

1. Panou Fotovoltaic

2. Sistem de acumularea energiei electrice

3.Controler ArduinoUno

Sistem de alimentare fotovoltaic

4 .Sarcina

Diagrama funcional a sistemului solar de alimentare

Fiecare sistem fotovoltaic de alimentare este constituit din urmtoarele component ,asa cum se poate observa n figura

1. Generator Fotovoltaic: produce energie electric pe baza radiaiei solare.2. Sistem de acumulare a energiei electrice: acumulatori dimensionai corespunztor necesitailor de autonomie.3. Controler de ncrcare: funcia acestuia este de a controla modul n care se realizeaza ncarcarea sistemului de acumulare a energiei electrice i de a asigura protecia acestuiapentru a se evita distrugerea sau denaturarea acumulatorilor.4. Sarcina: elementul pe care se va debita tensiunea electric captat.

Controlerul de ncrcare

Acesta trebuie s asigure evitarea suprancrcrii acumulatorilor ct i s previn n acelai timp supradescrcarea acestora. Independent de design i de condiiile de funcionare ce depind de situaiile meteorologice schimbtoare acesta trebuie s supervizeze operarea situaiilor limit. Toate acestea conduc la creterea duratei de via i scderea nivelului de mentenan asupra Sistemului de acumulare a energiei electrice.

Uzual modul de funcionare tipic al unui controler este urmtorul:

1. Nivelul de tensiune de suprancrcare de threshold: VSC tensiunea maxim admis de regulator ce este lsat s ajung la acumulator. Dac V>VSC atunci bateria este deconectat de la generator.

2. Tensiunea de ncrcare de rearmare VRC: este valoarea tensiunii bateriei pentru care aceasta trebuie conectat la generator.

3. Tensiunea de threshold de supradescrcare VSD: este valoarea minim de tensiune pentru acumulator naintea deconectrii acestuia de consumator. Dac V