DIMENSIONAREA UNEI INSTALATII FOTOVOLTAICE AUTONOME

Buzau Madalina MihaelaDumitrascu Mirela Mihaela

Cuprins

1.Sisteme fotovoltaice(PV) autonome 1.1.Structura unui sistem fotovoltaic autonom1.1.1 Estimare consumului orar 1.1.2 1.2 Bateriile

1.2.1 Alegerea tipului de baterie1.2.2 Tipuri de baterii1.2.3 Durata de viata a bateriilor1.2.4 Dimensionarea bateriilor1.2.5 Probleme des intalnite1.3 Regulatorul de sarcina1.4 Dimensionarea panourilor solare 1.5 Invertorul

1.6 Dimensionarea cablurilor1.7 Beneficiile si dezavantajele energiei solare

1.Sisteme fotovoltaice(PV) autonome 1.1.Structura unui sistem fotovoltaic autonomUn sistem fotovoltaic autonom este constituit din urmatoarele componente principale:

Panourile fotovoltaice Invertorul Regulatorul de sarcina Bateriile de stocare Consumatorii electrici

Invertoarele utilizate in cazul sistemelor PV autonome(care au rolul de a converti curentul continuu in curent alternativ) difera esential de invertoarele utilizate pentru sistemele fotovoltaice conectate la retea.Exista sisteme in care curentul continuu este utilizat direct,fara baterii;tensiunile sistemului(tensiunea la baterie) sau tensiunea sarcinii in cazul sistemului PV fara baterie este :12 V c.c.,24 V c.c sau 48 V c.c.

1.1.1 Estimare consumului orar

1.2 Bateriile

-cele mai vulnerabile parti ale sistemului-inmagazineaza energie-E=U*I*h-O baterie de 12 V 100Ah inmagazineaza pana la 1200Wh.Aceasta baterie este suficienta pentru a alimenta un bec de 100W pentru 120 de ore

1.2.1 Alegerea tipului de baterie

Se face in functie de :-cost-durata de viata-gradul de dificultate al intretinerii

1.2.2 Tipuri de baterii

Plumb NiCd NiMH Li-ionEnergie/greutate 30-40 40-60 30-80 160 Wh/kgEnergie/marime 60-75 50-150 140-300 270 Wh/LPutere/greutate 180 150 250-1000 1800 W/KgEficienta incarcare-descarcare

70%-92%

70%-90% 66% 99.90%

Auto-descarcare 3%-20%

10% 30% 5%-10% luna

Durata de viata(nr. de cicluri)

500-800

2000 500-1000 ~1200 cicluri

Tensiunea/pe celula nominala

2.105 1.2 1.2 3.6-3.7 Volti

1.2.3 Durata de viata a bateriilor

Efectele temperaturii asupra duratei de viata a bateriilor

Desi capacitatea bateriei la temperaturi mari este mai mare,durata de viata a ei este scurtata,la fiecare 10 °C –dupa 25°-ea este injumatatita.

Gradul de descarcare al bateriilor(DOD) si durata de viata

Pentru o utilizare cat mai indelungata ,nu trebuie sa le descarcam prea mult (maxim 20%).

1.2.4 Dimensionarea bateriilor

Selectarea gradului de descarcare……........80%Selectarea numarului de zile(pentru care bateria inmagazineaza energie)…………….......……………………..4MarimeaBateriei=Numarul de zile x Sarcina x 100 / DOD = 4x492x100/80=2460WhAlegerea tensiunii bateriei............................12VCapacitateaBateriei=MarimeaBateriei/Tensiunea bateriei=2460/12=205Ah Selectarea tipului de baterie….....................110Ah 12V

Prin urmare avem nevoie de……………….2 baterii puse in paralel (220Ah@12V)

1.2.5 Probleme des intalnite

-Stratificarea electrolitului-Celule au sarcini diferite-Pierderea de electrolit

1.3 Regulatorul de sarcina

Se pot distinge cateva tipuri de regulatoare de incarcare pentru sistemele PV :

Regulatoare seriale

Prin utilizarea unui astfel de regulator,conexiunea dintre un generator solar si o unitate de stocare a energiei este intrerupta atunci cand limita de incarcare este atinsa.Se pot folosi pentru deconectare atat relee cat si tranzistoare bipolare sau MOFSET.Principiul de reglare seriala provine din tehnologia clasica de incarcare si este utilizata si in dispozitivele de incarcare conectate la retea.

Atunci cand tensiunea scade sub pragul descarcarii severe,sarcina este deconectata de la baterie pentru ca aceasta sa fie protejata.

Regulatoare şunt(scurt-circuit)

Atunci cand se valorifica proprietatile specifice ale celulelor solare,se poate aplica un principiu de reglare care sa evite dezavantajele reglarii seriale.Astfel,in circuitul de mai jos,generatorul solar este pur si simplu scurtcircuitat printr-un comutator electronic,atunci cand bateria este complet incarcata.Totusi,aceasta pierdere un afecteaza balanta energetica a sistemului fotovoltaic,deoarece apare doar atunci cand bateria este incarcata complet si energia solara nu mai este necesara oricum.

Spre deosebire de majoritatea regulatoarelor seriale,aceasta procedura functioneaza sigur chiar si atunci cand capacitatea bateriei este complet epuizata(tensiune mai mica de 9V),deoarece comutatorul de scurt-circuit un trebuie activat decat dupa reincarcarea bateriei.Este necesara o dioda de blocare pentru a preveni scurtcircuitarea bateriei.In timpul noptii aceasta va servi si impotriva descarcarii prin generatorul solar.

Regulatoare PWM

Aceste regulatoare utilizeaza o tehnica de comutare de mare frecventa.Regulatorul comuta rapid(deschis/inchis) dispozitivul de control.Cand bateriile sunt descarcate atunci unitatea este complet pornita.Pe masura ce bateria se apropie de starea de incarcare completa unitatea va incepe sa porneasca si sa opreasca dispozitivul de control in proportie cu nivelul de incarcare necesar.Cand bateria este complet incarcata,curentul catre baterie va fi zero.In sistemele PV,regulatorul PWM este montat in serie cu modulele fotovoltaice.La sistemele hibride cu turbina eoliana

si/sau micro/hidro,aceasta tehnica utilizeaza o sarcina şunt(de intrerupere)ce absoarbe o mare parte din energia provenita de la generator pentru a redirectiona eventualul exces de energie catre baterii(permanent trebuie sa existe o sarcina pe generator,pentru a preveni supra-viteza turbinei).

Protectia la suprasarcina

Un circuit este suprasolicitat atunci cand curentul din acel circuit este mai mare decat cel nominal(pe care-l poate suporta in conditii de siguranta).Aceasta poate produce supra-incalzirea si poate deveni chiar un pericol de incendiu.Suprasarcina poate fi cauzata de o defectiune(scurt-circuit) al cablajului,sau de un aparat ce functioneaza defectuos(ex:o pompa de apa inghetata).Anumite regulatoare de incarcare au incorporata protectia la suprasarcina,care se reseteaza de regula prin apasarea unui buton.

Regulatoare moderne de incarcare

Ultima generatie de regulatoare solare de incarcare impune standarde noi in tehnologia fotovoltaica.Un astfel de regulator este echipat cu un circuit integrat (ASIC) creat special pentru utilizari in tehnologia fotovoltaica.Principalele functiuni ale acestuia sunt:compensare interna a temperaturii;algoritm de incarcare cu auto-invatare;determinarea starii de incarcare;protectie dinamica la suprasarcina;adaptare automata a tensiunii;diagnosticarea stariii de functionare;indicarea starii de incarcare;protectie la supra-descarcare.Programul sau se regleaza dupa capacitatea si vechimea bateriei.Starea de incarcare este baza tuturor functiilor de control si reglare.Elementele de afisare dau informatii despre starea de incarcare,avarii si despre dispozitivele de baza.

1.4 Dimensionarea panourilor solare

EnergiaZilnicaPotentiala(Wh)=H x ζbaterie x PR x Pmaxim

☼ Pmaxim=EnergiaZilnicaPotentiala(Wh) HxζbateriexPR

unde:

H=radiatia in kWh/zi ζbaterie=randamentul bateriei;de obicei 0.8 PR(performance ratio)=Randamentul total≤0.8 Pmaxim=puterea panoului solar atunci cand iradiatia este maxima

Date radiatie(site)

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php#

Photovoltaic Geographical Information System

Incident global irradiation for the chosen locationLocation: 44°26'39" North, 26°4'4" East, Elevation: 0 m a.s.l.,

Optimal inclination angle is: 35 degrees Annual irradiation deficit due to shadowing (horizontal): 0.0 %

Month Hh Hopt H(90) Iopt T24h NDD

Jan 1330 2170 2200 64 -1.3 580

Feb 2030 2930 2660 56 1.8 420

Mar 3140 3870 2940 43 6.0 331

Apr 4480 4870 2960 28 11.8 114

May 5650 5560 2790 15 17.7 16

Jun 5980 5630 2550 11 21.5 1

Jul 6090 5880 2760 12 23.5 0

Aug 5540 5860 3260 25 23.0 5

Sep 4260 5230 3730 41 17.5 80

Oct 2880 4190 3700 55 12.3 280

Nov 1500 2330 2280 61 6.3 462

Dec 1090 1790 1840 65 0.2 598

Year 3670 4200 2810 35 11.7 2887

Hh: Irradiation on horizontal plane (Wh/m2)\Hopt: Irradiation on optimally inclined plane (Wh/m2) H(90): Irradiation on plane at angle: 90deg. (Wh/m2) Iopt: Optimal inclination (deg.)T24h: 24 hour average of temperature (°C)NDD: Number of heating degree-days (-)

1.5 Invertorul

O componenta foarte importanta a acestor sisteme o reprezinta invertorul. Invertorul face posibila

conectarea mai multor panouri solare in baterii, sisteme electrice si / sau alimentari cu energie in cadrul

unei retele. Cea mai importanta sarcina a invertorului este aceea de a transforma curent continuu in curent

alternativ.

Majoritatea invertoarelor au un rating de eficienta in jur de 90 la suta. Noile

descoperiri in cadrul tehnologiei invertoarelor ar putea reduce costurile si ar putea

creste eficienta pana in jurul a 98 la suta. Trecand la capitolul costuri, din pacate

invertoarele nu sunt tocmai ieftine. Preturile acestora sunt stabilite in functie de

capacitate ( cata energie pot pompa ), asadar tineti minte acest lucru atunci cand

va decideti sa cumparati unul. Una dintre problemele invertoarele ar fi aceea ca

este posibil sa interfereze cu radiourile sau telefoanele mobile.

Printre facilitatile pe care le pot avea invertoarele se numara: protectie la scurt-

circuit pe intrare si iesire, protectie la suprasarcina si supraincalzire, protectie la

supravoltare si subvoltare, afisarea puterii consumate si a tensiunii bateriei etc.

Invertoarele au ca si caracteristica principala puterea nominala, care reprezinta

consumul maxim admis la iesirea de 230 V. O alta caracteristica importanta a unui

invertor este forma undei de iesire. Astfel, exista invertoare cu unda sinusoidala

pura sau cu unda sinusoidala modificata. Invertoarele cu unda sinusoidala

modificata sunt mai accesibile ca pret, dar nu se preteaza la echipamente electrice

sau electronice care folosesc motoare alimentate direct la 230 V, pentru care se

utilizeaza invertoare cu unda sinusoidala pura. Modul de conectare al unui

invertor intr-un sistem solar este exemplificat prin figura urmatoare : 

Probabilitatea pierderii de sarcina (Loss of load Probability LOLP)

1.6 Dimensionarea cablurilor

Aria sectiunii(mm²) Curentul maxim(A) Curentul redus(A) Rezistenta mΩ/metru 0.5 4.25 3.0 37 0.75 6.4 3.5 25 1.0 8.5 5.0 19 1.5 12.75 8.0 13 2.0 17.0 10.0 9 2.5 21.0 12.5 7.5 3.0 25.5 15.5 6 4.0 28.5 17.0 4.5 6.0 41.5 25.0 3

Caderea de tensiune=Rezistenta x Curent x Lungime in metri(cablu)

•nu trebuie sa depaseasca 5% ,in curentul continuu•un trebuie sa depaseasca 1% ,in curentul alternativ

Exista totusi o metoda mai simpla pentru a calcula caderile de tensiune . Caderea de tensiune (Uc) pentru o pereche de conductoare este de data de relatia: Uc=0.04xLxI unde: L=lungimea cablurilor in metrii I=intensitatea curentului in amperi A=aria sectiunii in mm²In general pentru o eficienta cat mai buna si o pierdere de energie cat mai mica caderea de tensiune ar trebui sa fie mai mica de 5 % decat tensiunea sistemului. Sa presupunem ca tensiunea sistemului este de 12V, lungimea cablurilor =10A iar intensitatea curentului este de 10A.Aria minima a sectiunii conductorului este de:A=0.04x50mx10A = 33 mm² .Acesta este un cablu costisitor! 0,6V(5%12V)Daca acelasi cablu este dimensionat pentru o tensiune mai mare (24V) curentul este injumatatit pentru aceeasi putere ,caderea de tensiune permisa va fi acum de 1.2V. A=0.04x50mx5A =8.3 mm² .O patrime din cablul anterior! 1.2VCu cat puterea si/sau distanta ce trebuiesc transmise,se maresc ,avem nevoie de o tensiune mai mare pentru a minimiza caderile de tensiune si marimea cablurilor.

1.7 Beneficiile si dezavantajele energiei solare

AVANTAJE

Energia solara este o resursa regenerabila in adevaratul sens al cuvantului. Nu va disparea decat daca soarele va inceta sa arda, caz in care nu va mai exista deloc viata pe planeta noastra.Panourile solare nu produc nicio poluare in timpul functionarii, spre deosebire de reactoarele nucleare si instalatiile termice. In timp ce primele cauzeaza probleme legate de evacuarea deseurilor nucleare, cele din urma produc fum daunator si cenusa.Productia de energie solara de catre panourile solare sau prin alte mijloace ce utilizeaza energia solara este lipsita de zgomot, spre deosebire de alte metode.Montarea panourilor solare este facila si eficienta din

punct de vedere al costurilor. Mai mult, acestea devin utile in situatiile in care retelele locale nu functioneaza, cum ar fi in spatiu, spre exemplu.Spre deosebire de rezervele de ulei si carbune, energia solara este disponibila in toate zonele planetei, nefiind concentrata intr-o singura parte. Prin urmare, “recoltarea” energiei solare poate fi realizata aproape in orice loc.Unitatile generatoare de energie solare sunt compacte si flexibile ca proiectare, ceea ce inseamna ca pot fi instalate aproape in orice tip de spatiu, fara a va face griji ca trebuie sa construiti locatii speciale.Initial, panourile solare costa mult, dar generarea gratuita de energie, de-a lungul anilor, duce la un cost global extrem de eficient. In plus, panourile solare presupun mai putina mentenanta si monitorizare.

DEZAVANTAJE

Costurile initiale pentru componente sunt ridicate. Acest lucru face ca instalarea unui panou pentru captarea energiei solare sa coste destul de mult.Celulele solare functioneaza doar in timpul zilei, iar eficienta lor este redusa pe parcursul zilelor mohorate si innorate. Din acest motiv, sistemul trebuie sa fie dezvoltat si eficient, beneficiind si de un sistem de stocare a energiei.Poluarea poate cauza efecte adverse asupra eficientei panourilor solare. Eficienta poate fi redusa, celulele solare fiind nepotrivite pentru anumite zone.Desi aproape orice locatie primeste lumina soarelui, nu orice locatie este fezabila pentru panourile solare.Crearea unor instalatii mari pentru energia solara este costisitoare si dificila din punct de vedere al gasirii locatiei.Energia solara nu este o energie concentrata precum combustibilii fosili. Prin urmare, utilizarea ei in cazul automobilelor sau altor forme mecanizate este dificila, daca luam in considerare rezultatul energetic.Decizia alegerii unui astfel de sistem depinde de necesitatile si posibilitatile fiecarei persoane in parte, de locatia in care va aflati si mai ales de banii de care dispuneti. Este o investitie folositoare, dar si costisitoare .

Bibliografie:

Fizica si tehnologia celulelor solare si sistemelor fotovoltaice(seria monografica-Nanotehnologiile si provocarile dezvoltarii durabile)-Laurentiu FARA (coordonator si editor),Mihai Razvan MITROI(editor),Corneliu CINCU,Vladimir IANCU,Silvian FARA,Catalin ZAHARIA,Dumitru FINTA,Dragos COMANECI,Mihai IANCU,Editura Academiei Oamenilor de Stiinta din Romania

Electricity from Sunlight-An Introduction to Photovoltaics-Paul A. Lynn,Editura WILEY

Off-grid solar panels systems,short course-Centre for Alternative Technology, Wales,UK