rezumat teza de doctorat

37
1 UNIVERSITATEA DIN ORADEA FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ŞI TEHNOLOGIA INFORMAłIEI REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT CERCETĂRI PRIVIND ÎMBUNĂTĂłIREA RANDAMENTULUI LA PANOURILE FOTOVOLTAICE ÎN SCOPUL PRODUCERII DE ENERGIE ELECTRICĂ Conducător ştiinŃific: Prof. univ.dr. ing. Maghiar Teodor DOCTORAND Barla Eva Maria ORADEA

Upload: chiritalaur

Post on 11-Dec-2015

7 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

teza

TRANSCRIPT

Page 1: Rezumat Teza de Doctorat

1

UNIVERSITATEA DIN ORADEA FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ

ŞI TEHNOLOGIA INFORMAłIEI

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

CERCETĂRI PRIVIND ÎMBUNĂTĂłIREARANDAMENTULUI LA PANOURILE

FOTOVOLTAICE ÎN SCOPUL PRODUCERII DE

ENERGIE ELECTRICĂ

Conducător ştiinŃific:Prof. univ.dr. ing. Maghiar Teodor

DOCTORAND Barla Eva Maria

ORADEA2010

Page 2: Rezumat Teza de Doctorat

2

Capitolul I INTRODUCERE.................................................................................................. 5

1. Actualitatea temei............................................................................................... 51.1. Despre energii regenerabile............................................................................. 51.2. Strategia energetică a României ...................................................................... 71.3. Structura lucrării ............................................................................................. 8

Capitolul IIENERGIA SOLARĂ............................................................................................ 11

2.1. Aspecte generale ............................................................................................. 112.1.1. PotenŃialul de energie solară ........................................................................ 112.1.2. DeclinaŃia solară........................................................................................... 132.1.3. Unghiul orar ................................................................................................. 152.1.4. Răsăritul şi apusul de soare privind timpul şi lungimea unei zile................ 152.2. Factori ce influenŃează radiaŃia solară............................................................. 162.2.1. InfluenŃa factorului meteorologic................................................................. 162.2.2. InfluenŃa factorului geometric...................................................................... 172.3. PosibilităŃi de conversie a energiei solare în alte forme de energie ................ 172.3.1. Conversia foto-termo-mecanică ................................................................... 182.4. PiaŃa de energie solară..................................................................................... 202.4.1. PiaŃa anului 2010.......................................................................................... 202.4.2. Afacerea anului 2010 ................................................................................... 202.4.3. Creşterea scenariilor de piaŃă ....................................................................... 242.5. Premize pentru valorificarea energiei solare în România ............................... 252.5.1. Orele de vârf solar: concepte, definiŃii şi ilustrări........................................ 252.5.2. Harta globală a potenŃialului de energie solară ............................................ 262.5.3. Harta solară a României ............................................................................... 282.5.4. PotenŃialul solar al României ....................................................................... 282.6. Caracteristici ale aerului în zona de analiză.................................................... 292.6.1. Temperatura medie anuală ........................................................................... 292.6.2. Amplitudinea medie anuală.......................................................................... 292.6.3. Temperaturi medii lunare ............................................................................. 312.6.4. FrecvenŃa zilelor cu diferite temperaturi caracteristice ................................ 312.6.5. Umiditatea aerului la Oradea ....................................................................... 322.6.6. Nebulozitatea ............................................................................................... 322.7. Concluzii şi contribuŃii.................................................................................... 33

Capitolul IIISISTEMELE FOTOVOLTAICE........................................................................ 35

3.1. GeneralităŃi ...................................................................................................... 353.2. Mecanismul de bază a conversiei energiei ...................................................... 36

Page 3: Rezumat Teza de Doctorat

3

3.3. Efectul fotovoltaic ........................................................................................... 383.4. Descrierea efectului fotovoltaic ...................................................................... 403.5. EficienŃa celulelor fotovoltaice ....................................................................... 413.6. Curentul de scurtcircuit ................................................................................... 423.7. Celula fotovoltaică .......................................................................................... 443.8. Caracteristicile electrice .................................................................................. 473.9. Structuri tipice de celule solare ....................................................................... 493.9.1. Caracteristicile celulelor solare în practică .................................................. 493.10. Materiale şi tipuri de celule fotovoltaice....................................................... 563.10.1. Materialele frecvent folosite ...................................................................... 563.11. Stadiul actual al CF ....................................................................................... 603.12. Conversia energiei solare .............................................................................. 603.12.1. Producerea energiei electrice prin modului fotovoltaic ............................. 603.12.2. Puterea nominală a modulului.................................................................... 613.12.3. DependenŃa puterii de ieşire de la temperatură .......................................... 623.12.4. Orientarea modului ................................................................................... 633.12.4.1. Module fixate .......................................................................................... 633.12.4.2. Module cu sistem de urmărire................................................................. 633.12.5. Celula solară ca element de arhitectură şi / sau sursă de energie............... 663.12.6. Factori care influenŃează performanŃele sistemelor fotovoltaice ............... 683.12.7. Orientarea modulului ................................................................................. 683.12.7.1. Umbrirea modulului ................................................................................ 693.12.7.2. Temperatura celulei ................................................................................. 703.13. Echipamente aferente sistemelor fotovoltaice. ............................................. 703.13.1. Bateriile de acumulatoare........................................................................... 713.13.2. Invertorul ................................................................................................... 723.13.3. Controlerul de sarcină ................................................................................ 723.14. Sisteme de urmărire a puterii maxime .......................................................... 733.15. Sisteme fotovoltaice operaŃionale în România.............................................. 743.16. Concluzii ....................................................................................................... 75

CAPITOLUL IV

METODE ŞI INSTRUMENTE DE STUDIU A INSTALAłIILOR FOTOVOLTAICE ................................................................................................ 77

4.1. Metode şi instrumente pentru măsurarea şi caracterizarea potenŃialului solar 774.1.1. Instrumente de măsurare a parametrilor energiei electrice produsă de SFV 774.2. Programul RETScreen utilizat pentru simularea funcŃionării SFV ................ 804.2.1. Modulul RETScreen pentru studiul eficienŃei energetice al instalaŃiei SFV 804.2.2. Sistemul software al RETScreeen ................................................................ 814.2.3. Etapele analizei proiectului standard ........................................................... 824.3. Baza de date internaŃională asociată conceptului de energia curată ............... 834.4. Modelul de analiză pentru reducerea gazelor cu efect de seră........................ 84

Page 4: Rezumat Teza de Doctorat

4

4.5. Compatibilizarea elementelor de dimensionare a SFV în RETScreeen.......... 854.5.1. DeclinaŃia solară........................................................................................... 854.5.2. Răsăritul şi apusul de soare privind timpul şi lungimea unei zile................ 854.5.3. Calculul radiaŃiei cu înclinaŃie ..................................................................... 874.5.4. Calculul iradierii globale difuză şi orară ...................................................... 874.5.5. Calculul iradierii orare în planul panoului fotovoltaic ................................. 884.5.6. Modelul panoului fotovoltaic....................................................................... 894.6. Programul de simulare Homer ........................................................................ 904.7. Concluzii ......................................................................................................... 94CAPITOLUL V

CONTRIBUłII LA IDENTIFICAREA POTENłIALULUI ZONAL DE ENERGIE SOLARĂ............................................................................................ 955.1. Factorii care influenŃează energia solară......................................................... 955.2. Factorii climatice şi efectele lor ...................................................................... 955.3. Intensitatea solară............................................................................................ 975.4. Temperatura măsurată în locaŃia supusă analizei ............................................ 995.5. Măsurarea radiaŃiei solare – zona Oradea ....................................................... 1015.6. Concluzie ........................................................................................................ 121

CAPITOLUL VI

CERCETAREA EXPERIMENTALĂ ŞI PRIN SIMULARE A PERFORMANłELOR UNOR STRUCTURI FOTOVOLTAICE ................. 123

6.1. Sisteme fotovoltaice independente.................................................................. 1236.2. Măsurarea tensiunilor de lucru la unei CF ...................................................... 1246.3. Modelarea unui sistem fotovoltaic cu programul Homer ............................... 1366.4. Model matematic pentru determinarea producŃiei de energie electrică .......... 1426.5. Rezolvarea modelului matematic al modulului fotovoltaic ............................ 144

CAPITOLUL VIISIMULAREA PERFORMANłELOR ENERGETICE ŞI ECONOMICEALE PANOURILOR FOTOVOLTAICE........................................................... 157

7.1. Simulare cu programul RETScreen considerând orientarea panoului ............ 1587.1.1. Simulare cu programul RETScreen cu sistem fotovoltaic considerând panoul fix ............................................................................................................... 1587.1.1.1. Model energetic – producere de energie electrică..................................... 1607.1.1.2. Simulare cu programul RETScreen – sistemul de poziŃionare 30o ........... 1657.1.1.3. Simularea cu programul RETScreen – sistemul de poziŃionare 60o ......... 1667.1.2. Simularea cu programul RETScreen sistemul de poziŃionare după soarecu o singură axă...................................................................................................... 1687.1.3. Simularea cu programul RETScreen sistemul de poziŃionare după soare

Page 5: Rezumat Teza de Doctorat

5

biaxial..................................................................................................................... 1757.2. Studiu RETScreen privind influenŃa tipurilor de celule fotovoltaice.............. 1797.2.1. Sistem cu panou fotovoltaic cu celule de mono-siliciu................................ 1797.2.1.1. Panou de mono-siliciu cu sistem fixat la 45o ............................................ 1797.2.1.2. Panou de mono-siliciu cu sistem fixat la 30o ............................................ 1807.2.1.3. Panou de mono-siliciu cu sistem fixat la 60o ............................................ 1817.2.2. Sistem cu panou fotovoltaic cu celule de poli-siliciu .................................. 1827.2.2.1. Panou de poli-siliciu cu sistem fixat la 30o ............................................... 1827.2.2.2. Panou de poli-siliciu cu sistem fixat la 45o ............................................... 1877.2.2.3. Panou de poli-siliciu cu sistem fixat la 60o ............................................... 1897.2.3. Simularea sistemului fotovoltaic cu panouri din celule de siliciu amorf ..... 1997.2.3.1. Panou de siliciu amorf cu sistem de poziŃionare fixat la 30o .................... 1907.2.3.2. Panou de siliciu amorf cu sistem de poziŃionare uniaxial ......................... 1937.2.3.3. Cazul sistemului de poziŃionare la 60o ...................................................... 1957.2.4. Panou de siliciu amorf cu sistem de poziŃionare biaxial .............................. 1967.2.5. Simulare cu panou realizat din CdTe ........................................................... 1987.2.5.1. Sistem de poziŃionare fixat la 30o ............................................................. 1997.2.5.2. Sistem de poziŃionare la 45o ...................................................................... 2007.2.5.3. Sistem de poziŃionare la 60o ...................................................................... 2007.2.6. Model energetic utilizând sistem de poziŃionare uniaxial la PFV CdTe ...... 2017.2.6.1. Sistem de poziŃionare uniaxial la 30o ........................................................ 2017.3. Studii privind influenŃa producătorului de panouri fotovoltaice..................... 2027.3.1. Simulare cu panou fabricat la Alpin Solar ................................................... 2077.3.2. Simulare cu panou fabricat la BP Solar ....................................................... 2087.3.3. Simulare cu panou fabricat la Canadian Solar ............................................. 2097.3.4. Simulare cu panou fabricat la Isofoton ........................................................ 2107.4. Simularea cu programul RETScreen privind eficienŃa economică în funcŃiede numărul panoului aplicat în sistem.................................................................... 2157.4.1. Costurile energiei fotovoltaice ..................................................................... 2157.4.2. Considerarea panoului fotovoltaic cu celulă de mono-siliciu ...................... 2177.4.3. Considerarea panoului fotovoltaic cu celulă de poli-siliciu......................... 2317.5. Concluzii ......................................................................................................... 2357.5.1. Concluzii generale........................................................................................ 2357.5.2 Simularea unui sistem fotovoltaic de 10 MW............................................... 237

CAPITOLUL VIII8.1. Concluzii şi contribuŃii.................................................................................... 241Bibliografie ........................................................................................................... 249Anexe ..................................................................................................................... 255

Page 6: Rezumat Teza de Doctorat

6

Primul capitol este un capitol introductiv, care se ocupă cu actualitatea temei şi prezentarea succintă a capitolelor.

În capitolul II, s-au prezentat noŃiunile fundamentale referitoare la energia solară, potenŃialul de energia solară, factorii care influenŃează radiaŃia solară şi astfel producerea de energie electrică, cum ar fi factorul meteorologic şi cel geometric. Sunt prezentate posibilităŃile de conversie de energie solară în alte forme de energie.

De asemenea, se prezintă prognoza pieŃei panourilor solare pentru următorii ani, precum şi a locurilor posibile care pot fi create în acest domeniu. În acest capitol este redată harta globală a Europei şi a României reprezentând potenŃialul de energie solară

Capitolul III, este un capitol teoretic, care se ocupă cu descrierea noŃiunilor fundamentale, necesare pentru înŃelegerea fenomenelor de conversie a energiei solare în alt forme de energie. Se prezintă mecanismul de bază a conversiei energiei solare, efectul FV, eficienŃa CFV, schemele echivalente ale CFV, caracteristicile importante, structurile tipice de CFV, materialele şi tipurile de CFV. În cadrul subcapitolului echipamente aferente SFV, sunt descrise bateriile de acumulatore, invertorul, controlerul de sarcină, sistemele de urmărire a puterii maxime, precum şi SFV operaŃionale în România.

În capitolul VI, sunt descrise metodele şi instrumentele folosite pentru studiul SFV. Astfel sunt prezentate aparatele folosite şi software-ul aplicat pentru simularea diferitelor situaŃii considerate.

Capitolul V cuprinde contribuŃiile autoarei la identificarea potenŃialului zonal de energie solară. Astfel, o bază de date care conŃine datele calendaristice, asociate cu datele meteorologice, astfel variaŃia perioadelor senine cu cele noroase, temperaturile minime şi maxime. Un alt subcapitol prezintă datele obŃinute din măsurarea radiaŃiei solare pe o perioadă de două luni, iulie - august din anul 2009. De asemenea, sunt comparate valorile obŃinute din măsurători cu cele obŃinute din simulare cu ajutorul software-ului Homer.

Capitolul VI cuprinde cercetarea experimentală şi prin simulare a unor structuri FV. Sunt măsurate cu un CFV parametri de lucru şi reprezentate valorile obŃinute. Un alt set de măsurători a fost realizat cu ajutorul unui circuit, unde au fost măsurate mai mulŃi parametri în funcŃie de timp, reprezentarea diferitelor valori, de exemplu, cum ar fi puterea în funcŃie de intensitatea luminoasă. S-a redat modelarea unui SFV cu ajutorul software-ului Homer, care a furnizat nişte rezultate interesante legate de sistemul studiat. Se prezintă un model matematic pentru determinarea producŃiei de energie electrică precum şi rezolvarea modelului modulului FV, aplicând diferite tipuri de conectări.

Capitolul VII este acordat simulărilor efectuate considerând mai multe criterii. Astfel au fost efectuate simulări considerând sistemul de poziŃionare fixat la 30o, 45o, 60o; de asemenea, utilizând sistemul uniaxial şi biaxial. Panourile fotovoltaice au fost studiate şi din punct de vedere al tipului celulelor folosite, adică, mono siliciu, poli siliciu, siliciu amorf, sau CdTe, sau chiar considerând producătorii acestora.

Page 7: Rezumat Teza de Doctorat

7

Capitolul VIII Concluzii şi contribuŃii

1. Comisia Europeană estimează că aproximativ 34% din cererea de electricitate aUniunii Europene va rezulta din surse regenerabile până în 2020 (în creştere de la16% în 2006) pentru a îndeplini obiectivul global de energie.

Dezvoltarea potenŃialului din Europa, pentru utilizarea energiei regenerabile va contribui la securitatea aprovizionării cu energie, va reduce importurile şi dependenŃa de combustibil, va reduce emisiile de gaze cu efect de seră, va îmbunătăŃi protecŃia mediului, va crea noi locuri de muncă, şi va consolida eforturile spre o societate bazată pe cunoaştere.

Sursele de energii regenerabile (RES) joacă un rol tot mai important în cadrul sistemului european de energie electrică.

Energia solară a devenit un subiect foarte important din momentul în care omenirea a realizat că energia constituie o componentă vitală a existenŃei sale în condiŃiile civilizaŃiei moderne. Soarele oferă o alternativă posibilă la soluŃionarea crizei de energie, care a devenit din ce în ce mai accentuată cu creşterea populaŃiei, ridicarea standardului său de viaŃă, cu epuizarea combustibililor fosili şi nucleari de fisiune.2. Rezervele de petrol şi gaze naturale ajung pentru următorii 40 - 100 de ani dacă se păstrează actualul ritm de consum, după estimarea Consiliului Energetic Mondial (World Energy Council - WEC). OrganizaŃia estimează ca şi în condiŃiile dublării cererii globale de energie, nu va exista o penurie de resurse deoarece se va apela la metode alternative.

Totuşi resursele ieftine de energie se vor termina peste circa 20 de ani, când obligatoriu se va trece la surse alternative, estimează WEC. În plus, dacă economiile Ńărilor în curs de dezvoltare vor creşte în ritmurile de până acum, până în 2050 pe Terra se va produce suficient petrol pentru satisfacerea nevoilor lor.

Soarele este o sursă prodigioasă de energie, într-o secundă Soarele radiază în spaŃiu mai multă energie decât a consumat omenirea de la apariŃia sa pe Pământ şi anume 3,86 1026 J. O mare parte din aceasta se pierde din spaŃiu, dar totuşi, cantitatea ajunsă asigură necesităŃile energetice ale omenirii.3. În estimarea posibilităŃilor de utilizare a energiei solare în aplicaŃiile terestre trebuie avute în vedere atât avantajele cât şi dezavantajele energiei solare.Utilizarea energiei solare în vederea producerii energiei electrice prezintăurmătoarele avantaje :

• sursă regenerabilă, perenă, gratuită;• diversitatea aplicabilităŃilor;• nu produce poluare asupra mediului ambiant;• perioadă de funcŃionare relativ mare, peste 25 de ani, perioadă de

garanŃie de 20 de ani a modulelor fotovoltaice ;• costuri de instalare, mai reduse faŃă de conectarea la sistemul public,

pentru zonele izolate;• cheltuieli cu mentenanŃa reduse, nu necesită supraveghere permanentă;• frecvenŃa defecŃiunilor sistemului foarte redusă ;

Page 8: Rezumat Teza de Doctorat

8

• instalare rapidă, fără a necesita utilaje şi un număr mare de personal;• modularitate ridicată;• posibilitate de monitorizare a datelor ;• posibilitatea conectării la sistemul electroenergetic public.

Deşi sistemele solare prezintă avantaje, trebuie să Ńinem seama şi de unele dezavantaje:

• pentru puteri mari se solicită suprafeŃe mari de module fotovoltaice ;• sistemul nu produce energie noaptea, în perioadele reci şi înnorate ;• depind de valorile radiaŃiei solare zilnice;

4. În localităŃi mari, la distanŃă de sistemul public de distribuŃie, chiar şi mici cantităŃi de energie electrică devin disponibile, numai la costuri considerabile. În aceste circumstanŃe, sistemele fotovoltaice conjugate cu bateriile de depozitare sunt o soluŃie atractivă şi ieftină.

Pentru moment, folosirea sistemelor fotovoltaice în astfel de locaŃii, poate fi preferată pentru impactul redus asupra mediu, corelat cu creşterea performanŃelor bateriilor de stocare (acumulatori) sau pentru promovarea energiei electrice în alimentarea serviciilor izolate de tip informaŃii şi comunicaŃie (radio, TV, telefon). Cererea de energie pentru iluminarea minimală casnică sau pentru alte servicii de putere electrică scăzută, cum ar fi refrigerarea poate fi satisfăcută de către astfel de sistemele fotovoltaice.5. Este cunoscut faptul că: în anii de început ai aplicaŃiilor cu sisteme fotovoltaice, rata de defect a fost

foarte mare, în mare parte datorită defectării componentelor convenŃionale ; performanŃele slabe obŃinute deseori, se datorează proastei proiectări a

sistemelor .Stadiul actual se poate caracteriza prin : componetele sistemelor au o fiabilitate ridicată ; proiectarea sistemelor şi modelarea lor au fost mult îmbunătăŃite; sistemul privind înmagazinarea energiei (bateriile), este însă

nesatisfăcător. Sisteme conectate la reŃea Diferă faŃă de sisteme independente prin faptul că energia electrică produsă

nu este stocată în baterii (sau doar parŃial pentru servicii proprii), ea este consumată de utilizator, surplusul este injectat în sistemul public, iar noaptea consumatorul preia energia necesară din sistemul public, prin intermediul invertorului. Astfel la sfârşitul lunii se face o balanŃă energetică şi se stabileşte dacă consumatorul are de încasat sau de plătit energie.

6. Cu referire la contextul din România, se poate afirma următoarele:• ProducŃia de energie electrică pe bază de panouri fotovoltaice este oportună

în contextul actual din România.• Conform cadrului legislativ care susŃine energiile regenerabile (4 certificate

verzi plus valoarea energiei electrice produse / MWh produs cu panouri fotovoltaice) perioada de recuperare a investiŃiei este între 5 - 14 de ani.

Page 9: Rezumat Teza de Doctorat

9

• În acest sens este necesară sprijinirea producŃiei de energie electrică pe bază de panouri fotovoltaice în România la nivelul european care este de aproximativ 2 - 3 euro / Wp.

7. Din punct de vedere al eficienŃei sistemelor cu panouri fotovoltaice se poate afirma următoarele:

Considerând sistemele de poziŃionare se poate spune următoarele: din cele studiate reiese că eficienŃa cea mai bună o are instalaŃie cu sisteme de poziŃionare fixat la 30o;

Creşterea numărul unităŃilor fotovoltaice şi totodată a puterii instalată, atrage după sine creşterea cantităŃii de energie electrică livrată în reŃea. În acelaşi timp, dacă comparăm valorile obŃinute din simularea elaborată cu PV-uri de acelaşi tip, însă folosind sistem de poziŃionare fixat, se observă că, în cazul sistemului de poziŃionare de tip uniaxial, se obŃine o mai mare cantitate de energie electrică livrată în reŃea. În concluzie deci, dacă folosim PV-uri de acelaşi tip, dar cu sistem diferit de poziŃionare la soare, varianta uniaxială este mai bună din punct de vedere al obŃinerii cantităŃii de energie electrică.

Sistemul de poziŃionare biaxial cu PV mono-siliciu, este mai eficient din punct vedere al producerii de energie electrică, decât sistemul de poziŃionare uniaxial.

În consecinŃă, se poate afirma că sistemul uniaxial cu poziŃionare de 30o sau45o de grade este mai eficient în privinŃa obŃinerii de energie electrică. Raportul cost beneficiu are valoarea de 0,29, deci este sub valoarea de 1, înseamnă că sistemul nu este profitabil.

Cu ajutorul sistemelor cu PV-urilor poli – Si, cu sistem de poziŃionare fixat se va obŃine energie electrică mult mai mare, decât cu pV-uri mono – Si. După cum se observă, nu există poluarea mediului în cazul utilizării unităŃilor fotovoltaice.

8. Din punct de vedere al producătorului panourilor solare se poate afirma că: energia livrată în reŃea este aceeaşi, în cazul panourilor de aceeaşi capacitate pe unitate, diferenŃa constă în faptul eficienŃei panourilor şi a preŃurilor;

Considerând eficienŃa din punct de vedere al fabricantului şi al numărului de panouri folosite în sistem, se poate afirma, că eficienŃa cea mai mare în cazul producătorului o are sistemul biaxial, considerând şi tipul panoului aceasta este mare la panouri de poli siliciu.

Au fost considerate cazuri când s-a folosit panouri de mică capacitate din simulările efectuate cu acestea, reiese că din punct de vedere economic nu este eficient aplicarea acestora, atunci când cerinŃa cantităŃii de energie electrică livrată este mare.

Referitor la performanŃele sistemului: factorul de disponibilitate/capacitate a sistemelor fotovoltaice conectate, este puternic influenŃat de elementele convenŃionale de producere (clasice).

• În literatura de specialitate se regăseşte tratarea detaliată a problemelor fundamentale şi aplicative legate de energia solară

Page 10: Rezumat Teza de Doctorat

1010

• Principali factori care caracterizează energia solară, sunt locul amplasamentului, starea meteorologică, radiaŃia solară, viteza vântului, umiditatea aerului şi temperatura aerului.

• PotenŃialul energiei solare este impresionant, iar cel valorificabil sub aspect tehnic la nivelul Pământului se estimează la 1,06 kW/m2, ceea ce ar acoperi consumul actual de energie.

• Valorificarea energiei solare nu este competitivă, încă la scară globală sub aspect economic, dar descoperirile tehnologice recente ne îndreptăŃesc să credem că eficienŃa utilizării acestei surse de energie, va fi într-un interval de timp rezonabil comparabilă cu eficienŃa utilizării combustibililor fosili.

• PotenŃialul de energie solară al României este apreciabil şi se structureazăpe zone. Localitatea în care s-au efectuat cercetările experimentale – Oradea– este amplasată în zona II privind radiaŃia solară, unde intensitatea solarăeste între 1300 – 1350 kWh/m2/an.

1. Efectul fotovoltaic este bazat pe conversia energiei solare în energie electrică sau termică. Energia solară e o sursă de energie care nu dăunează mediului înconjurător. Energia solară este promiŃătoare şi în ceea ce priveşte producŃia de electricitate de viitor, dar totuşi utilizarea ei faŃă de energia convenŃională e, încă, limitată din considerente economice.

2. Componenta fundamentală a sistemelor de conversie a energiei solare în energie electrică este celula fotovoltaică construită actualmente, în principal din mono - siliciu, poli siliciu, siliciu amorf, CdTe.

3. EficienŃa de conversie este cel mai important parametru al celulelor fotovoltaice, având valori mici (aprox. 10 – 13 %) la celulele clasice, şi valori competitive de 40% la celulele elaborate recent – nefiind comercializate -.

4. Pentru producerea industrială a electricităŃii din energie solară, se realizează panourile solare dintr-un număr de celule FV necesar pentru a obŃine parametrii urmăriŃi şi sistemele de valorificare a energiei solare prin producerea de energie electrică care cuprinde panourile solare şi o serie de echipamente strict necesare: invertorul, bateriile de acumulatoare, controlerul de sarcină şi sistemul de reglare.

1. InstrumentaŃia recomandată pentru măsurarea parametrilor ce caracterizeazăpotenŃialul de energie solară este:

• Pirheliometru• Mavolux 5032 C USB pentru măsurarea intensităŃii luminoase

2. InstrumentaŃia recomandată pentru măsurarea parametrilor energiei electrice produsă de SFV este:

• Fluke 345• Metrix MTX3281B

3. Pentru simularea funcŃionării SFV şi determinarea ponderilor ce caracterizeazăperformanŃele acestora se recomandă utilizarea sistemelor software:

• RETScreen pentru modelarea sistemului din punct de vedere energetic, pentru elaborarea unei analize de cost, studierea gazelor provenite di

Page 11: Rezumat Teza de Doctorat

1111

efectul de seră, pentru calculul financiar şi eventual pentru sensibilitate şi analiza de risc;

• HOMER se utilizează pentru optimizarea proiectării sistemelor energetice conectate sau neconectate la reŃea.

4. Mărimile de intrare ale RETScreen sunt:• Date informative asupra proiectului,• Datele privind locul geometric, şi locaŃia proiectului;• Alegerea sistemului;• Alegerea tipului FV.

Rezultatele obŃinute în urma simulării sunt:• RadiaŃia solară zilnică orizontală;• RadiaŃia solară zilnică înclinată;• Energia electrică livrată în reŃea

În acest capitol sunt prezentate rezultatele măsurătorilor efectuate în perioada.01.07 – 01.09. 2009 şi crearea unei baze de date cu parametrii / factorii măsuraŃi, factorii care influenŃează producerea de energie electrică şi termică.Unghiurile importante: δ - declinaŃia solară, Ψ - azimutul suprafeŃei, β - unghiul de înclinare a suprafeŃei faŃă de orizontală (între 0 – 180o), θ - unghiul de incidenŃă, au rol important în reprezentarea schematică a Soarelui şi care intervin în simulările pe care le-am efectuat în Retcsreen.

Au fost redate, rezultatele măsurătorilor efectuate pe perioada de studiu, reprezentarea grafică a temperaturilor maxime şi minime, precum reprezentarea radiaŃiei solare pentru fiecare zi din perioada studiată. Din cele prezentate rezultă că energia radiaŃiei solare măsurată din jumătate - în jumătate oră, şi cea obŃinută cu ajutorul programului HOMER este foarte apropiată. În acelaşi timp, temperatura măsurată nu afectează radiaŃia solară, acesta are rol numai în conversia fotocurentului în energie electrică, adică dacă temperatura este mare, creşte curentul de scurtcircuit al celulei, pe când curentul de circuit deschis scade.

ContribuŃiile aduse în cadrul capitolul IV de către autoarea acestuia sunt:• Identificarea instrumentaŃiei de măsură cea mai adecvată pentru măsurarea

parametrilor ce caracterizează potenŃialul energiei solare şi respectiv, parametrii energiei electrice produsă de SFV;

• Identificarea sistemelor software care se pretează pentru simularea funcŃionării SFV şi evidenŃierea etapelor şi a mărimilor necesare pentru aplicare;

1. Zona analizată este Oradea, judeŃul Bihor – România, cu următoarele caracteristici geografice şi meteorologice:

latitudine 47o1′ la nord; longitudine 21o9′ la est; indice de claritate medie anuală este de 0,482; radiaŃia zilnică în medie 3,423 kWh/m2

2. În acest capitol sunt prezentate rezultatele măsurătorilor şi evaluărilor

Page 12: Rezumat Teza de Doctorat

1212

efectuate în zona analizată, în perioada.01.07 – 01.09. 2009 structurate într-o bază de date cu parametrii / factorii măsuraŃi, factorii care influenŃează producerea de energie electrică şi termică. Unghiurile importante: δ - declinaŃia solară, Ψ - azimutul suprafeŃei, β - unghiul de înclinare a suprafeŃei faŃă de orizontală (între 0– 180o), θ - unghiul de incidenŃă, au rol important în reprezentarea schematică aSoarelui şi care intervin în simulările pe care le-am efectuat în Retcsreen.

3. Sunt redate, rezultatele măsurătorilor efectuate pe perioada de studiu, reprezentarea grafică a temperaturilor maxime şi minime, precum reprezentarea radiaŃiei solare pentru fiecare zi din perioada studiată.

4. Energia radiaŃiei solare măsurată din jumătate - în jumătate oră, şi cea obŃinută cu ajutorul programului HOMER au valori foarte apropiate în zona analizată este foarte apropiată.

5. Temperatura măsurată nu afectează radiaŃia solară, acesta are rol numai în conversia fotocurentului în energie electrică, adică dacă temperatura este mare, creşte curentul de scurtcircuit al celulei, în timp ce curentul de circuit deschis scade.

1. Cu referire la tensiunea produsă de panoul fotovoltaic testat experimental se constată următoarele:

• Valorile tensiunii urmăreşte nivelul de iluminare• Tensiunea minimă are distribuŃie normală şi se încadrează în intervalul• Tensiunea medie are tot distribuŃie normală şi se încadrează în intervalul• Tensiunea maximă are tot distribuŃie normală şi se încadrează în intervalul2. Din simularea unui SFV aplicând modelul prezentat, rezultă că în cazul

radiaŃiei constante puterea maximă furnizată este valoarea aşteptată. Aceasta înseamnă, că din punct de vedere al producerii energiei electrice, conexiunile utilizate în cadrul simulării sunt cele recomandate.

3. Prin aplicarea programului HOMER a fost simulat un sistem complex de funcŃionare, reprezentând graficele corespunzătoare.

4. În cazul legării modulelor în serie, puterea produsă se reduce faŃă de puterea produsă în caz de iradiere constantă. În cazul conectării în paralel în condiŃii cu modul umbrit, puterea produsă se reduce într-o mai mică măsură faŃă de cazul cu iradiere constantă.

5. În cazul condiŃiilor de iradiere inegală, puterea obŃinută este puternic influenŃată de configuraŃia instalaŃiei. De aceea, pe lângă configuraŃiile arătatemai sus, pot fi făcute şi alte configuraŃii, pentru obŃinerea unor puteri cât mai mari.

6. Puterile maxime ale configuraŃiilor analizate au diferite valori constatându-se faptul că configuraŃia unde modulele sunt conectate în paralel cu un modul umbrit are valoarea cea mai mare a puterii. Pe de altă parte, în această configuraŃie valoarea curentului poate deveni prea mare, de aceea va fi utilizată cu prudenŃă.

Page 13: Rezumat Teza de Doctorat

1313

A. Concluzii privind orientarea panoului solar:

Au fost studiate sistemele de poziŃionare după soare de tip fixat şi uniaxial la 30o, 45o şi 60o, precum şi sistemul biaxial. Din acest studiu rezultă:1. energia electrică obŃinută cu panouri fixe reglate la 30o este mai mare cu 2.08 %

decât energia produsă cu sistem de poziŃionare reglat la 45o, şi cu 6.25% faŃă de sistemul reglat la 60o;

2. folosind panouri uniaxiale se obŃine o mai mare cantitate de energie electrică livrată în reŃea. În concluzie deci, dacă folosim PV-uri de acelaşi tip, dar cu sistem diferit de poziŃionare la soare, varianta uniaxială este mai bună din punct de vedere al obŃinerii cantităŃii de energie electrică.

3. cantitatea energiei electrice produse de sistemul uniaxial este mai mare cu 30%faŃă de cantitatea energiei produse de sistemul fixat;

4. cu sistemul de poziŃionare biaxial energia electrică obŃinută este cu 32,25 %

mai mare decât cantitatea energiei produse cu sistem fixat;5. din punct de vedere al obŃinerii energiei electrice cel mai favorabil sistem de

poziŃionare este sistemul biaxial.

B. Concluzii privind influenŃa tipurilor celulelor FV:1. comparând panoul FV de tip mono siliciu cu cel de tip poli siliciu, rezultă că

panoul poli siliciu produce cantitate de energie electrică mai mare, cu 21,48%, decât celula de mono siliciu, având aceeaşi putere instalată;

2. panoul FV confecŃionat din siliciu amorf produce energie electrică cu 1,62%mai mare decât panoul FV de poli siliciu;

3. cu 0,082% se produce mai multă energie electrică cu panou confecŃionat din siliciu amorf decât din poli siliciu, şi cu 0,081 % decât cu panou din CdTe.

C. Concluzii privind producătorii panourilor solare:

Există o gamă largă de producători de panouri solare de diferite tipuri, demono silciu, poli silciu, şi alte tipuri. Se poate afirma că eficienŃa nu este direct proporŃională cu capacitatea pe unitate şi nici cu suprafaŃa cadrului.BP Solar are gama cea mai mare de produse, privind panourile fabricate din mono siliciu, puterile produselor variind de la 10 W la 210 W. Alpin Solar-ul produce module cu capacităŃi mari 150 – 280 W, eficienŃa fiind la valoarea de 14,4 %. Canadian Solar produce capacităŃi între (100 – 210) W, având eficienŃă maximă de14% la capacitatea de 140 W.

Day4 Energy produce panouri (120 – 185) W, eficienŃă maximă de 15,7 %la capacitatea de 155 W.

Ceea ce priveşte modulele de poli siliciu, se poate afirma că, şi în acest caz există o varietate mare de produse, de exemplu, BP Solar-ul, fabrică panouri de la

Page 14: Rezumat Teza de Doctorat

1414

30 W de eficienŃă 9,7 %, până la 220 W de eficienŃă de 10,4%, însă, eficienŃa maximă de 12,3 % o are un modul de numai 125 W.

În acest domeniu de produse, produsul cu eficienŃa maximă este de 14,9 %, cu putere instalată de 240 W, fabricat de firma Canadian Solar.

Page 15: Rezumat Teza de Doctorat

1515

Panourile fabricate din siliciu amorf, au mai puŃin numeroşi producători. Producătorul Uni – Solar fabrică panoul cu capacitate cel mai din această gamă de produse de tip siliciu amorf, şi anume de 256 W capacitate pe unitate, însă cu eficienŃă destul de redusă, de 5,64 %. În acest domeniu de produse eficienŃa maximă, de 8,2 %, o are produsul fabricat de QCells, de 145 W.

Ceea ce priveşte panourile fabricate din CdTe, sunt produse de 3 producători, capacitatea maximă pe unitate având valoarea de 80 W, cu eficienŃă de 8,6 %, iar eficienŃa eficinŃa maximă de 9 % o are produsul de la Q Cell, de capacitate 65 W.

D. Concluzii privind eficienŃa economică în funcŃie de numărul panourilor:

Se observă că, producătorul Alpin Solar nu are produse de panouri fotovoltaice de tip poli siliciu, de siliciu amorf şi CdTe. Din cele analizate reiese că, valoarea costurilor totale rămâne neschimbată privind panourile fotovoltaice, pentru că la simulările efectuate au fost folosite aceleaşi tipuri de panouri. O altă concluzie ar fi, că cea mai bună eficienŃă este obŃinută la simularea cu panou fotovoltaic cu sistem de tip biaxial, obŃinând o cantitate de energie electrică de 3,73MWh / an la aceeaşi valoare de cost iniŃial ca şi în cazurile cu sistem de poziŃionare fixat şi uniaxial, folosind 20 de unităŃi.

Din simulările prezentate, rezultă un cash-flow-ul monetar pentru cazurile studiate, adică pentru 5, 10, 15 module aduce beneficiu după 9 ani.

După un anumit număr de panouri FV, sistemul FV nu mai este rentabil din punct de vedere economic.

În cazul FV-urilor de mică putere, nu este rentabil din punct de vedere economic folosirea a mai multor celule pentru obŃinerea unei cantităŃi de energie acceptabile, acest lucru reiese şi din analiza financiară a proiectului, la poziŃia economii şi venituri anuale, unde costul-beneficiu este la valoarea zero. ContribuŃiile autoarei în acest domeniu de studiu sunt următoarele:

• Sistematizarea materialului informativ din literatura de specialitate care abordează problemele legate de acest studiu, cum ar fi noŃiunile principale legate de energia solară, conversia energiei solare;

• Identificarea şi evidenŃierea factorilor esenŃiali de influenŃa a potenŃialului energiei solare în zona pentru care s-au efectuat cercetările experimentale.

Identificarea caracteristicilor de impact asupra performanŃelor SFV în zona de analiză:

• Elaborarea unei baze de date privind factori meteorologici;• Măsurarea temperaturilor pe perioada de iulie – iunie 2009;• Reprezentarea grafică a temperaturilor minime şi maxime obŃinute din

măsurătorile efectuate în perioada iulie - august 2009;• Măsurarea radiaŃiei solare în perioada efectuării studiului;• Reprezentarea grafică a valorilor măsurate;• Reprezentarea valorilor radiaŃiei solare obŃinute cu ajutorul programului

Homer;

Page 16: Rezumat Teza de Doctorat

1616

• Compararea valorilor radiaŃiei solare măsurate cu cele obŃinute din simulare;

• Măsurarea tensiunilor minime, medii şi maxime la nivelul unei celule fotovoltaice;

• Modelarea unui sistem fotovoltaic cu ajutorul programului Homer, considerând un sistem compus dintr-un panou fotovoltaic, consumator de25 kWh/ zi, convertor, baterie şi un generator;

Cercetarea experimentală a performanŃelor unui panou FV:• Reprezentarea de energie electrică medie a panoului şi a generatorului;• Măsurarea tensiunii, curentului continuu, a luminozităŃii, temperaturii

panoului FV expus la soare;• Calculul puterii obŃinute din datele măsurate;• Prezentarea unui model matematic pentru determinarea producŃiei de

energie electrică în cazul radiatiei variabile a unui sistem compus din 4 panouri;

ContribuŃiile aduse în cadrul capitolul IV de către autoarea acestuia sunt:• Identificarea instrumentaŃiei de măsură cea mai adecvată pentru măsurarea

parametrilor ce caracterizează potenŃialul energiei solare şi respectiv, parametrii energiei electrice produsă de SFV;

• Identificarea sistemelor software care se pretează pentru simularea funcŃionării SFV şi evidenŃierea etapelor şi a mărimilor necesare pentru aplicare;

ContribuŃiile aduse în cadrul capitolului V• Stabilirea metodologiei de efectuare a măsurătorilor şi constituirea bazei de

date;• efectuarea măsurătorilor pentru parametri ce caracterizează potenŃialul de

energie solară al zonei analizată• trasarea pe baza valorilor obŃinute a caracteristicilor parametrilor specifici

potenŃialului de energie solară al zonei analizată, interpretarea rezultatelor;• comparaŃia valorilor experimentale obŃinute cu cele rezultate din

simulare cu ajutorul programului Homer şi concluzii.• efectuarea măsurătorilor• trasarea graficelor pe baza valorilor obŃinute• comparaŃia valorilor obŃinute cu cele rezultate din simulare cu ajutorul

programului HomerTestarea a 2 panouri FV de uz general, determinarea performanŃelor acestuia în condiŃiile de funcŃionare specifice locaŃiei aleasă pentru efectuarea analizelor experimenrtale.Simularea funcŃionării unui SFV în mediul de program HOMER.Măsurarea tensiunilor, curenŃilor în cazul unui PFV, în funcŃie de intensitatea radiaŃiei solare, determinarea valorii puteri în funcŃie de temperatură şi intensitate solară.

Page 17: Rezumat Teza de Doctorat

1717

• Simularea, prin utilizarea unor sisteme software, consacrate a performanŃelor unor module şi sisteme FV, RETScreen pentru studierea sistemelor fotovoltaice, considerând o reŃea izolată, pentru următoarele situaŃii: Determinarea energiei electrice livrate în cazul sistemului fixat la

30o, 45o, 60o; Determinarea cantităŃii energiei electrice obŃinute în cazul utilizării

unui sistem uniaxial de poziŃionare la soare; Determinarea cantităŃii energiei electrice obŃinute în cazul utilizării

unui sistem biaxial de poziŃionare la soare; Determinarea cantităŃii energiei electrice obŃinute aplicând panouri

fotovoltaice din celule de mono-siliciu, poli-siliciu, siliciu amorf, CdTe;

Determinarea cantităŃii energiei electrice obŃinute considerând fabricantul;

Studierea sistemelor din punct de vedere economic în funcŃie de numărul unităŃilor aplicate.

• Proiectarea unui parc fotovoltaic pentru un amplasament concret şi evidenŃierea performanŃelor energetice şi economice.

Bibliografie

1. A.K, Athienitis , M. Santamouris , 2002, Thermal Analysis and design of Passive Solar Buildings, James and James, London, UK, p,8 – 11

2. Altas I.H., A.M. Sharaf, A photovoltaic array simulation model forMatlab-Simulink, GUI environment, IEEE 2007

3. E. Barla, G. Badea, Predictions on PV Technology Development In the Light of Kyoto Protocol, The 5th International World Energy System Conference, Mai, 2004

4. Barla E., Badea G.E., Porumb C, Photovoltaic Potential From SolarDatabase Evaluation, CIE 2010 Mai

5. Felea I., Barla E., Modelling the previsional reliability of small scale hydroelectric plants by reporting of its states, Annals of DAAAM For2009 & Proceedings Of 20th DAAAM International Symposium, Proc. ISI

6. Chenni R., M. Maklouf, T. Kerbache, A. Bouzid, A detailed modelling for photovoltaic cells, Solar Energy 32, 2007

7. Evaluation of hourly tilted surface radiation models. Solar Energy 45 (1), 9–17. Solar Spectra, 2007. Air Mass Zero.

8. Goetzberger A, Hebling C, Schock H-W, Materials Science andEngineering 40 (2003) p. 1–46

9. Goetzberger A. V.U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer Series in Optical Sciences, 2005

Page 18: Rezumat Teza de Doctorat

1818

10 Kalogirou S., 2009, Solar Energy Engineering: processes and systems, Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights Department in Oxford, UK

11 M. Chaabene, M.B. Ammar, A. Elhajjaji, Fuzzy based Energy management of a Domestic Photovoltaic Panel, American Journal of Applied Sciences 4 (2): 60-65, 2007, ISSN Science Publications

12 Nussbaumer H, Herstellung und Eigenschaften rekristallisierterSiliziumschichten, Dissertation, University of Konstanz (1996)

13 Photon das Solar Magazine, nr.1, 200914 Ragwitz, M., Held A. - Assessment and Optimisation of Renewable

Energy Support Schemes in the European Electricity Market, Karlshruhe, February 2007

15 Sørensen Bent Renewable Energy, Its physics, engineering, use, environmental impacts, economy and planning aspects, Third Edition, Roskilde University Energy & Environment Group, Institute 2, Universitetsvej 1, P O Box 260 DK-4000 Roskilde, Denmark.Elsevier Science, 2004

16 T. Markvart, L. Castaner, Technical Handbook of Photovoltaics, Fundamentals and Applications, Elsevier, Ltd, 2003

17 Zekai Sen, Solar Energy Fundamentals and Modeling Techniques, Springer, 2008

18 Weiss. W,, Bergmann, 1. and Faninger, G. - Solar Heat Worldwide - Markets and Coniribution to the Energy Supply, 2006