Determinarea Experimentala a Caracteristicilor de Functionare a Panourilor Fotovoltaice

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFACULTATEA ENERGETICA

Determinarea experimental a caracteristicilor de funcionare a panourilor fotovoltaice

L1. Determinarea experimental a caracteristicilor de funcionare a panourilor fotovoltaice

1. Scopul lucrrii

Scopul acestei lucrri de laborator const n nsuirea abilitilor practice necesare caracterizrii panourilor fotovoltaice i a determinrii experimentale a caracteristicilor specifice de funcionare.

2. Chestiuni de studiat

2.1. Introducere 2.2. Datele principale ale panoului fotovoltaic2.3. Caracteristicile de funcionare ale panourilor fotovoltaice2.4. Determinarea experimental a caracterisiticilor de funcionare2.5. Interpretarea rezultatelor. Observaii i concluzii

3. Elemente teoretice

3.1. Introducere

Principiul conversiei fotovoltaice are la baz fenomenul de conducie electric n materiale semiconductoare. Semiconductorul poate deveni bun conductor de electricitate atunci cnd i se transfer o anumit cantitate de energie din exterior, numit i energie de activare. Energia de activare poate proveni din nclzirea materialului sau din iluminarea sa.Efectul fotovoltaic const n apariia unui cmp electric (imprimat) ntr-un semiconductor omogen sub influena luminii (de regul lumina solar), Fig. 1.1. Celula elementar ce asigur conversia luminii n electricitate se numete celul solar sau celul fotovoltaic. Mai multe celule fotovoltaice conectate n serie i/sau n paralel constituie un panou fotovoltaic utilizat n mod uzual la captarea energiei solare i la conversia ei n electricitate. Panourile fotovoltaice sunt n general alctuite din punct de vedere constructiv din:Celule solare monocristaline sau policristaline conectate ntre ele prin benzi de cositor;Strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc siliconic) n care se fixeaz celulele solare;Folie stratificat din material plastic rezistent la intemperii pentur acoperirea feei posterioare a panoului;Geam de protecie pe faa expus la Soare (uzual geam securizat monostrat);Priz de conectare prevzut cu diod de protecie, respectiv diod de scurtcircuitare i racord;Ram din profil de aluminiu pentru protejarea geamului transparent, manipulare, montare, fixare i rigidizare.Alegerea materialelor ce intr n componena panourilor fotovoltaice trebuie efectuat cu grij pentru a asigura:Protecie transparent mpotriva radiaiilor i intemperiilor;Legturi electrice robuste ntre celule;Protecia celulelor solare rigide la aciuni mecanice;Protecia celulelor solare i a legturilor electrice de umiditate;Asigurarea unei rciri corespunztoare a celulelor solare;Protecia mpotriva atingerii a elementelor componente conductoate de electricitate;Posibilitatea manipulrii i montrii uoare.

Fig. 1.1. Seciune printr-un panou fotovoltaic.Principiul conversiei fotovoltaice

3.2. Datele principale ale panoului fotovoltaic

Datele principale ale panourilor fotovoltaice sunt determinate n condiii standard de testare (Standard Test Conditions STC) care semnific o temperatur a mediului ambiant de 25 C, o intensitate luminoas a radiaiei solare de 1000 W/m2, o densitate a aerului de 1.5 kg/m3. Puterea rezultat este denumit putere de vrf exprimat n kilowatt (kilowatt peak power kWp). Datele principale ale panourilor fotovoltaice studiate, de tip Suntech 175 S 24 Ac sunt:

- Putere nominal Pn = 175 [Wp]- Tensiunea n punctul de putere maxim UMPP = 35.8 [V]; - Curentul n punctul de putere maxim IMPP = 4.9 [A];- Tensiunea de mers n gol U0 = 44.7 [V];- Curentul de scurtcircuit ISC = 5.23 [A];- Numr de celule nseriate Ns = 72;- Coeficientul de modificare cu temperatura a tensiunii de mers n gol U0 Kv = -0.155 - Coeficientul de modificare cu temperatura a curentului de scc ISC Ki = 0.06.

3.3. Caracteristicile de funcionare ale panourilor fotovoltaice

3.3.1. Caracteristica extern a unui panou fotovoltaic. Aceast caracteristic reprezint dependena dintre curentul I de sarcin debitat de panou i tensiunea U de la bornele acestuia, I = f(U), Fig. 1.2. Se observ c aceast caracteristic depinde de intensitatea radiaiei luminoase i de temperatura panoului. Cnd circuitul este deschis (I = 0) celula genereaz o tensiune de mers n gol de circa 20 V (UOC 20 V) iar atunci cnd este scurtcircuitat celula genereaz un curent de scurtcircuit de circa 5.2 A (ISC = 5.2 A). Tensiunea de mers n gol furnizat de celul este aproape constant cu variaia intensitii luminoase G, iar curentul de scurtcircuit depinde aproximativ direct proporional cu intensitatea luminii.

a) b)Fig. 1.2. Caracteristica extern a unui panou fotovoltaic de circa 90 Wp pentru diferite niveluri ale intensitii luminoase (a), respectiv pentru diferite temperaturi ale panoului (b).

3.3.2. Caracteristica puterii unui panou fotovoltaic. Aceast caracteristic reprezint dependena dintre puterea P debitat de panou i tensiunea U de la bornele acestuia, P = f(U), Fig. 1.3. n punctul optim de funcionare al panoului acesta livreaz putere maxim Pmax. Invertoarele dedicate conversiei energiei de curent continuu produs de panourile fotovoltaice n energie de curent alternativ sunt n general dotate cu algoritmi de cutare a punctului optim de funcionare (MPPT = Maximum Power Point Tracker) i de meninere a panoului n acest punct pentru a extrage o cantitate ct mai mare de energie de la Soare.

a) b)Fig. 1.3. Caracteristica puterii unui panou fotovoltaic de circa 90 Wp pentru diferite niveluri ale intensitii luminoase (a), respectiv pentru diferite temperaturi ale panoului (b).

3.4. Determinarea experimental a caracteristicilor de funcionare

Pentru a determina caracteristicile de funcionare ale unui panou fotovoltaic este necesar realizarea unei scheme electrice de montaj ca cea prezentat n Fig. 1.4. Aparatele de msur din schem trebuiesc corelate cu datele nominale ale panoului (sau a grupului de panouri) studiate. Astfel ampermentrul trebuie sa permit citirea unor cureni mai mari dect curentul de scurtcircuit al panoului (sau al grupului de panouri), iar voltmetrul trebuie s admit citirea unor tensiuni mai mari dect tensiunea de mers n gol.Pentru trasarea caracteristicilor dorite se modific treptat valoarea rezistenei de sarcin Rs de la valori mari ctre valori mici i pentru fiecare valoare se vor msura curentul I debitat i tensiunea U la bornele panoului. Prima msurtoare se efectueaz cu ntreruptorul C1 deschis (Rs = ), corespunztoare regimului de mers n gol al panoului, iar ultima se efectueaz cu rezistena de sarcin Rs scurtcircuitat (Rs = 0) corespunztoare regimului de scurtcircuit al panoului.Reostatul de sarcin este alctuit din 2 reostate variabile, cu cursor, de 26 i 6.3 A fiecare, acestea fiind conectate fie n serie (prin nchiderea contactului C3 i deschiderea contactelor C4 i C5) fie n paralel (prin nchiderea contactelor C4 i C5 i deschiderea contactului C3) pentru a obine o rezisten echivalent variabil n gama necesar trasrii caracteristicilor panourilor fotovoltaice.

Fig. 1.4. Schema electric de montaj utilizat pentru determinarea caracteristicilor panourilor fotovoltaice. 3.5. Interpretarea rezultatelor. Observaii i concluzii

Rezultatele msurate ale tensiunii U i curentului I se vor trece n Tabelul 1.1. Pe baza acestora se va calcula puterea P debitat de panou pentru fiecare punct de msurtoare i valoarea rezistenei de sarcin Rs. n final i se vor trasa graficele I = f(U) i P = f(U) i se va identifica punctul optim de funcionare, respectiv valoarea rezistenei de sarcin ce corespunde acestui punct.Pentru a evidenia dependena de nivelul de luminozitate a caracteristicilor de funcionare ale panoului fotovoltaic se poate repeta setul de msurtori pentru condiii de luminozitate diferite (soare-nor) datele fiind nregistrate n alt tabel similar cu Tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Date experimentale pentru trasarea caract. de funcionare ale panourilor fotovoltaice U[V]83,578,976,470,966,663,757,154,148,3

I[A]01,632,0842,392,172,172,182,192,74

P[W]0128,607159,217169,451144,522138,229124,478118,479132,342

Rs[]48,404936,660229,665230,691229,354826,192624,703217,6277

U[V]41,140,236,319,0515,313,057,62,850,28

I[A]2,32,953,062,982,492,882,4832,95

P[W]94,53118,59111,07856,76938,09737,58418,8488,550,826

Rs[]17,8695713,6271211,862756,3926176,1445784,531253,0645160,950,094915

Pe baza rezultatelor experimentale i a graficelor obinute se va elabora un set de observaii i concluzii privind aspectele studiate.

Datele din tabel sunt msurtori efectuate la o temperatur a mediului ambiant de 23,2 C i o intensitate luminoas a radiaiei solare de 515 W/m2.

Caracteristica extern a panoului fotovoltaic

Caracteristica puterii panoului fotovoltaic

Concluzii

1) n urma trasrii curbelor caracteristice se poate observa c punctul optim de funcionare al panoului fotovoltaic este la o putere de ~170 W, punct cruia i corespunde o valoare a rezistenei de sarcin de ~30 .2) 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.3) Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurat, depinde foarte puin de intensitatea radiaiei solare, dar valoarea intensitii curentului electric, depinde sensibil de acest parametru.4) Puterea electric a celulelor fotovoltaice se calculeaz ca produs dintre tensiunea U i intensitatea curentului electric I, avnd n vedere c aceste echipamente genereaz curent continuu. P=UI5) Trebuie menionat i faptul c performanele panourilor fotovoltaice sunt dependente detemperatur. Astfel cu ct crete temperatura, cu att scade i eficiena panourilor fotovoltaice de a converti energia radiaiei solare n curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativ, 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 0K.