Sistemele Fotovoltaice Si Modelarea Lor [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea „Aurel Vlaicu” Arad Facultatea de Inginerie Profil : Automatică şi Informatică Aplicată

LUCRARE DE LICENŢĂ Sisteme fotovoltaice si modelarea lor

Coordonator: Conf. Univ. Dr. Ing. Marius Bălaş Student : Man Daniel Marius 2010

Universitatea ,,Aurel Vlaicu’’ Arad Facultatea de Inginerie Catedra AAMR+DP

Aprobat

Şef de catedra.................. (semnătura)

PLAN TEMATIC Pentru proiectul de diplomă Numele şi prenumele studentului……………………………………………………………….. 1.Tema proiectului……………………………………………………………………………… 2.Termenul de predare a proiectului……………………………………………………………. 2.Elemente iniţiale pentru proiect………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………... ..…………………………………………………………………………………………… 4.Conţinutul notei explicative de calcul(enumerarea problemelor care vor fi rezolvate) …………………………………………………………………………………………………... …………………………………………………………………………………………………... ……………………………………………………………………………………….... 5.Enumerarea materialului graphic( cu indexarea precisă a desenelor obligatorii) ………………………………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………………………….... 6.Consultaţii pentru proiect ( cu indicarea părţilor de proiect pentru care se solicită consultarea) ……………………………………………………………………………............ ………………………………………………………………………………………………….. 7.Data eliberării temei………………………………………………………………………….

Tema a fost primită pentru îndeplinire STUDENT …………………………….. (semnătura)

Data……………………..

CONDUCĂTOR ……………………………… (semnătura)

Universitatea ,,Aurel Vlaicu’’ Arad Facultatea de Inginerie Catedra AAMR+DP

REFERAT

CU PRIVIRE LA PROIECTUL DE DIPLOMĂ AL Absolventului ………………………………………………………………………................. Promoţia……………………………………………………………………………....……….. 1. Tema proiectului………………………………………………………................................ 2. Nr.de pagini al memoriului………………………………………....................................... 3. Nr.de planşe ale proiectului…………………………………….......................................... 4. Aprecieri asupra proiectului………………………………................................................. ………………………………………………………………………………..…..…………….. ………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………..…………………………………………………… …………………………..……………………………………………………………..……….. ………… 5. Concluzii generale ………………………………………………........................................ …………………………………………………………………………………………………... 6. Calificarea(respins, admis,calificativul)………………….................................................. …………………………………………………………………………………………………... 7. Data…………………… Proiectul poate fi susţinut în faţa comisiei pentru examenul de diplomă.

Şef de catedră Prof.dr.ing. Ion Copaci

CONDUCĂTOR ……………………………

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010 CUPRINS CAP 1.

INTRODUCERE ÎN LUMEA FOTOVOLTAICĂ

1.1

Evoluţie şi energie

5

1.2

Energia Solară

8

1.3

Celula şi sistemele fotovoltaice

12

1.4

Fotovoltaicele în ţară

19

1.5

Ce doresc să realizez?

20

CAP 2.

TEHNOLOGIA FOTOVOLTAICĂ – DETALII

2.1

Efectul fotovoltaic

21

2.2

Eficienţa tehnologiei fotovoltaice

28

2.2.1 Expunerea optimală la radiaţia solară

30

2.2.2 Eficienţa conversiei radiaţiei solare în energie electrică

33

2.2.3

34

2.3

CAP 3.

Calculul parametrilor electrici ai panourilor fotovoltaice

Urmărirea punctului de putere maximă – MPPT

38

STUDIU DE CAZ

3.1

Prezentarea mediului de lucru şi a problemei

45

3.2

Ecuaţia de ieşire a celulei fotovoltaice

47

3.3

Ecuaţia de ieşire a unui panou fotovoltaic

49

3.4

Parametrii modelului

51

3.5

Modelarea celulei

52

3.6

Modelarea celulei (varianta 2)

55

CAP 4.

REZULATE ŞI CONCLUZII

4.1

Rezultatele simulării

61

4.2

Concluzii

65

BIBLIOGRAFIE

67

ANEXE CUPRINS

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

CAP 1. INTRODUCERE ÎN LUMEA FOTOVOLTAICĂ 1.1 Evoluţie şi energie

Umanitatea nu şi-a descoperit cu adevărat menirea pe această lume. Filozofii au apărut, altele sunt pe cale să fie exprimate. Unul dintre scopurile omului este considerată a fi evoluţia şi creaţia, lupta pentru a face o schimbare, lupta de a duce omenirea către perfecţiune. De la foc la roată, la tehnologia aburului, la industrie, la explorarea spaţiului, omul întotdeauna a încercat să îşi depăşească limitele pentru a-şi crea un mod de trai mult mai bun şi pentru a se îndrepta către noi înălţimi. Omul şi-a dat seama din timpuri străvechi că are nevoie de energie, chiar dacă nu s-a gândit atât de direct la concept. El ştia că are nevoie de foc pentru a se încălzi, pentru a-şi găti mâncarea, modela metalul; avea nevoie de vânt pentru a-şi propulsa corăbiile. Una dintre energiile de care omul se temea, încă din momentul în care a apărut omul pe acest pământ, a fost electricitatea, manifestată sub forma fulgerelor. Omul a încercat să cunoască acest fenomen, dar nici în zilele noastre nu este cunoscut pe deplin. Tipul de energie generat de acest fenomen a început procesul de a fi cunoscut abia în secolul 15 şi prin sfârşitul secolului 18 s-a descoperit sarcina electrică negativă şi pozitivă. În 1831, Faraday arată după o serie de experimentări că electricitatea se obţine prin inducţie, prin frecare, pe cale chimică sau termoelectrică, şi mai târziu descoperă principiul cuştii Faraday. În anul 1832 constructorul francez de instrumente electrice Antoine-Hippolyte Pixii, a realizat prima maşina magneto-electrică, fiind vorba de un generator de curent continuu cu magneţi permanenţi. [man09] Mai târziu în anul 1859, fizicianul italian Antonio Pacinotti, a realizat prima maşină electrică de curent continuu cu indusul având înfăşurarea în inel, crestături şi colector. Importante contribuţii la dezvoltarea generatorului de curent continuu au avut şi electrotehnicianul belgian Gramme, precum şi inginerul şi industriaşul german Siemens, acesta fiind şi cel care a experimentat în anul 1879 la Berlin prima linie de tramvai. Existenţa generatoarelor de curent continuu au impulsionat cercetările din domeniul iluminatului electric, rezultând astfel lampa electrică cu filament de cărbune, aparate pentru conectare, măsurare şi protecţie, toate acestea invenţii ale lui Edison. Tot sub conducerea lui, în anul 1882, la New York, s-a construit prima centrală electrică din lume, cu ajutorul căreia sa 5|

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

realizat iluminatul stradal. Însă curentul continuu utilizat de Edison, nu era potrivit transportului la mare distantă. [man09]

Descoperirea utilităţii curentului electric a dus la un boom economico-industrial, un impuls puternic pentru om, determinând o accelerare puternică în evoluţia omului. În ultimul secol au apărut sute de invenţii pe bază electrică care au schimbat complet modul de viaţă a omului.

Fig. 1.1 : Temperaturi globale 1975-2010

Marea parte a centralelor electrice sunt din păcate pe bază termică. Mai exact, arderi care produc în principal dioxid de carbon şi alţi poluanţi. Principalul dăunător este momentan dioxidul, care a determinat în ultimii ani, cea mai mare problemă a omeniei, chiar dacă marea majoritate a oamenilor nu conştientizează asta. Problema constă în încălzirea globală datorită efectului de seră. Încălzirea globală are efecte profunde în cela mai diferite domenii. Ea determină ridicarea nivelului mării, extreme climatice, topirea gheţarilor, extincţia a numeroase specii şi schimbări privind sănătatea oamenilor. Împotriva efectelor încălzirii globale se duce o luptă insuficient de intensă, al cărei aspect central este ratificarea de către guverne a Protocolului de la Kyoto privind reducerea emisiei poluanţilor care influenţează viteza încălzirii. Datorită oamenilor de ştiinţă cu spirit ecologist, care au trăit şi trăiesc cu frica că familiile lor vor avea de suferit datorită acestui fenomen, s-a căutat metode de generare a energiei electrice şi de propulsare a mijloacelor de transport fără a se produce cantităţi imense de poluanţi.

6|

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

S-au încercat multe metode, multe sunt folosite, multe nu. Ce-a mai încercată şi nereuşită variantă este dezvoltarea unui principiu de perpetuum-mobile, care în definiţie este

un dispozitiv care îşi menţine o mişcare ciclică permanentă încălcând legile de conservare acceptate, sau încălcând ireversibilitatea fenomenelor din natură, ireversibilitate de asemenea acceptată. există diverse perpetuum-mobile, numai că sunt dispozitive care nu funcţionează:roata dezechilibrată, planuri înclinate, cupa lui Boyle, etc.

Fig. 1.2 : Exemple de perpetuum mobile

Există şi pseudo perpetuum mobile. Acestea sunt sisteme care aparent funcţionează, iar explicaţia de ce funcţionează şi ce fel de surse de energie folosesc, uneori mascate, a fost dată. Exemple: mişcarea electronilor în jurul nucleului, mişcarea planetelor, pasărea care bea apă, ceasul care se trage singur, pompele de căldură. În paralel cu aceste încercări de a păcăli fizica, s-au creat şi metode de generare a energiei mai uşor de convertit şi folosit, energia electrică. Hidrocentralele sunt cele mai răspândite la momentul actual, dar râurile sunt cam saturate deja. O altă variantă este centrala nucleară, care produce, din păcate, resturi poluante extrem de periculoase, dar totuşi în cantităţi mici, care amplasate corect şi etanșare nu afectează nici o fiinţă vie. Problema cu aceste centrale este că sunt greu controlabile, stingerea/aprinderea ţine cam o luna, şi în caz de urgenţă devine instabilă şi reaminteşte de dezastrul de la Cernobîl, care după 24 de ani, încă îşi lasă simţită prezenţa. S-a trecut în ultimii ani la resurse regenerabile de energie: puterea vântului prin centrale eoliene, puterea valurilor, puterea căldurii interne a pământului, puterea soarelui, alte resurse regenerabile. Una dintre centralele interesante este cea pe bază de gunoi menajer, despre care în 2008 s-a anunţat că şi România va avea o astfel de centrală, planul era ca pe sfârşitul anului 2009 să fie funcţionabilă. Nu ştiu care este stadiul actual.[11] Marea Britanie se va dota cu prima sa centrală electrică pe bază de iarbă care va furniza energie pentru 2.000 de locuinţe. Centrala de doi megawaţi şi cu un cost de 6,5 milioane de lire sterline (9,425 milioane de euro), va fi amplasată în Staffordshire (centrul 7|

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Angliei), şi va fi alimentată cu iarbă de 170 de agricultori. Combustibilul care va fi utilizat este "iarba elefantului", de origine africană. Centrala va funcţiona 8.000 de ore pe an şi va economisi o tonă pe oră de dioxid de carbon care ar fi ajuns altfel în atmosferă dacă ar fi fost vorba de o uzină pe bază de energie fosilă. Statul scandinav va construi primul prototip din lume al unei centrale electrice care va funcţiona pe bază de apă de mare, având ca scop impunerea unei noi forme de energie regenerabilă, a anunţat grupul energetic Statkraft, ce se află la originea proiectului. O centrală "osmotică" utilizează diferenţa de presiune dintre apa sărată şi apa dulce: dacă două mase de apă, una sărată şi cealaltă dulce, sunt separate de o membrană semipermeabilă, cea de-a doua se va deplasa spre prima, generând o suprapresiune care va putea fi transformată în energie cu ajutorul unei turbine.[11] 1.2 Energia solară Soarele reprezintă sursa de energie a Pământului, contribuind la menținerea temperaturii planetei. Fără acesta, pământul ar avea o temperatură de aproape 0 grade Kelvin, temperatură la care încetează orice mişcare (inclusiv a electronilor). Soarele este o sursă, aproape inepuizabilă, de energie, în sens că radiaţia soarelui ne va mai încălzi şi oferi energie încă 4-5 miliarde de ani de acum încolo. într-un singur an, el trimite spre pământ de 20.000 de ori energia necesară întregii populaţii a globului, mai exact, primim de la soare anual o cantitate de energie de 15177*1014 kWh. [wikie]

Fig. 1.3 : Interacţiunile dintre energia solară, atmosfera şi suprafaţa terestră [rev03]

8|

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Pentru studiul radiaţiei solare este important să definim constanta solară, care reprezintă fluxul de energie unitară primită de la Soare. Aceasta este măsurată, cu ajutorul

sateliților pentru cercetări ştiinţifice, în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcţia razelor solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1366W/m2 [wikie], reprezentând o valoare medie anuală globală, maximele depăşind 6kWh/m2 în zilele de vară. Atmosfera terestră şi suprafaţa Pământului interacţionează cu radiaţia solară, producând o serie de transformări acesteia. Atmosfera terestră are grosime de 690km (până la trecerea în exosferă) [wikie]. Filtrarea radiaţiei solare începe de la 100km altitudine, nivelul fiind numit linia Karman, astfel, fluxul de energie solară care ajunge la suprafaţa Pământului este mai mic decât constanta solară. Absorbția, difuzia şi reflexia sunt fenomenele care duc la reducerea radiaţiei solare. În atmosferă este absorbită aproape total radiaţia X şi o parte din radiaţia ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon şi alte gaze existente în atmosferă, contribuie la absorbţia radiaţiei solare. Prin absorbție energia se transformă în căldură, iar radiaţia difuză este retrimisă în toate direcţiile. Radiaţia globală ajunsă de la Soare la nivelul solului într-o o zi senină, reprezintă suma dintre radiaţia directă şi radiaţia difuză. Radiaţia solară directă depinde de orientarea suprafeţei receptoare. Radiaţia solară difuză poate fi considerată aceeaşi, indiferent de orientarea suprafeţei receptoare.

Fig. 1.4 : Diferenţa dintre radiaţia difuză şi directă (la sol) [rev03]

9|

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Interesant este faptul că radiaţia difuză are o pondere mai mare decât cea directă, din radiaţia totala ajunsă la sol. Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeţei Pământului, perpendicular pe direcţia razelor solare, pentru condiţiile în care cerul este perfect senin şi lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale şi Europei

de Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2 [7]. Această valoare reprezintă suma dintre radiaţia directă şi difuză.

Fig. 1.5 : Cantitatea de radiaţii solare care ajung la sol şi ar putea fi colectate de panouri solare [7]

Radiaţia solară este influenţată de modificarea unghiului format de direcţia razelor soarelui cu planul orizontal, unghiul de înclinare a axei Pământului şi latitudinea geografică. După cum se vede în figura 1.4, radiaţia solară diferă semnificativ de la o zonă geografică la alta. Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta, de la o zi la alta, diferă din oră în oră, în aceeaşi localitate şi cu atât mai mult de la o localitate la alta. În Europa, radiaţia solară medie anuală variază între 800kWh/m2 în zonele nordice îndepărtate şi ajunge până la 2200kWh/m2 în zonele sudice ale Spaniei, În Malta, Sicilia, Creta. După cum se vede, zona ideală în Europa pentru construirea unei centrale electrice fotovoltaice este jumătatea sudică a Spaniei, unde radiaţia solară este între 1900-2200 kWh/m2 [7]. Radiaţia solară este influenţată de modificarea permanentă a câtorva parametrii importanţi, cum sunt: •

Înălţimea soarelui pe cer (unghiul format de direcţia razelor soarelui cu planul orizontal)

•

10 |

Unghiul de înclinare a axei Pământului; Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Modificarea distanţei Pământ - Soare (aproximativ 149 milioane km pe o

•

traiectorie eliptică, uşor excentrică.) Latitudinea geografică.

•

Aceştia sunt factori care influenţează însorirea la nivel generalisim/global. Sunt şi factori care influenţează la nivel local. Gradul de poluare a zonei respective determină gradul de însorire a zonei respective. Poluarea este un factor puternic în difuzia luminii şi în reflexia acesteia. Claritatea aerului şi gradul de seninătate a cerului influenţează iarăşi scăderea radiaţiei directe.

Fig. 1.6 : Variaţia radiaţiei solare în funcţie de direcţia razelor solare pentru diferite situaţii atmosferice [rev03]

România este o ţară cu un potenţial energetic solar acceptabil. Există zone în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450... 1600kWh/m2/an, în zona litoralului Mării Negre şi Dobrogea, ca şi în majoritatea zonelor sudice. În majoritatea regiunilor ţării, fluxul energetic solar anual, depăşeşte 1250.. 1350kWh/m2/an [7]. Aceasta indică un potenţial energetic care ar justifica folosirea energiei solare pentru a produce energie utilizabilă. Mai exact, s-ar merita construirea unor centrale electrice solare. În figura 1.7 [rev03] este prezentată schematic repartizarea energiei solare care ajunge la suprafaţa solului în ţara noastră. Din această cauză s-au început câteva proiecte în vederea folosirii acestei energii, unul dinte ele fiind Casa verde, care a fost programat să înceapă în 01.06.2010. 11 |

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Fig. 1.7 : Harta schematică a radiaţiei solare în România

1.3 Celula şi sistemele fotovoltaice Fenomenul de apariţie a unei tensiuni electromotoare în materiale solide, sub acţiunea energiei solare este denumit efect fotovoltaic [bal07]. Acesta a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839. Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafaţa acestuia interacţionează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acţiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele, a căror funcţionare se bazează pe efectul fotovoltaic, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Materialul cel mai utilizat pentru fabricarea de celule solare pe bază de semiconductori este Siliciul. Dacă la început pentru producerea celulelor solare se utilizau deşeuri rezultate din alte procese tehnologice pe bază de semiconductori, astăzi se apelează la materiale special în acest scop fabricate. Pentru industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape ideal. Este ieftin, se poate produce întru-un singur cristal la un înalt grad de puritate, şi se poate impurifica (dopa) în semiconductor de tip “n” sau “p”. Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoare subţiri. Totuşi lărgimea zonei interzise fac siliciul mai puţin potrivit pentru exploatarea directă a efectului fotoelectric. Celule solare pe bază pe siliciu cristalin necesită o grosime de strat de cel puţin 100µm pentru a putea absorbi lumina solară eficient. La celulele cu strat 12 |

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

subţire de tip semiconductor direct, ca de exemplu, GaAs sau chiar siliciu cu structură cristalină puternic perturbată, sunt suficiente 10µm.

Siliciu este al doilea element chimic din compoziţia scoarţei terestre în privinţa cantităţii. Se regăseşte în compuşi chimici cu alte elemente formând silicat sau cuarţ. Siliciul brut numit şi siliciu metalurgic se obţine din cuarț prin topire în furnal. Reducerea siliciului se petrece cu ajutorul carbonului la o temperatura de cca 1700°C, rezultând la fiecare tonă de siliciu metalurgic de puritate de cca 98-99 % în jur de 1,5 tone de CO2. Prin acest procedeu în 2002 s-au produs 4,1 tone de siliciu. Mare parte din acesta este utilizat de industrie la fabricare a oţelului şi în industria chimică şi numai o mică parte în microelectronică şi la fabricarea de celule fotovoltaice. [wikir] Din siliciul brut printr-un proces de fabricaţie în trepte bazat pe triclorsilan se obţine siliciul policristalin de cea mai mare puritate. Până în prezent (2006) în producţie se recurge la o tehnologie Siemens bazat pe un procedeu de tip CVD condensare de vapori de siliciu, procedeu elaborat şi optimizat pentru ramura de microelectronică. În microelectronică cerinţele de calitate sunt total diferite de cele din fabricarea de celule fotovoltaice. Pentru fabricarea de celule solare este foarte importantă puritatea plăcii de siliciu în toată masa ei pentru a asigura o cât mai mare durată de viaţă pentru purtătorii de sarcină, pe când în microelectronică cerinţa de foarte înaltă puritate se rezumă în principiu la stratul superior până la o adâncime de 20-30µm [10]. Deoarece între timp, consumul de siliciu de înaltă puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a întrecut pe cel pentru microelectronică, actualmente se fac cercetări intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai ieftine optimizate pentru celule solare. Cu toate că procesul de producţie a siliciului pur este foarte energofag (consumatoare de multă energie), energia consumată la fabricarea celulelor solare, în funcţie de tehnologia utilizată, se poate recupera în 1,5 până la 7 ani. Dacă se ia în considerare că durata de viaţă a panourilor solare este de peste 20 ani, bilanţul energetic rezultat este pozitiv [10]. Siliciul pur, în continuare, poate fi prelucrat în mai multe feluri, în urmă căreia, rezultă diferite aspecte, eficienţe, costuri finale. Se disting 3 tipuri principale de celule fotovoltaice pe bază de siliciu, folosite la scară mare din punct de vedere comercial:

13 |

-

monocristaline;

-

policristaline;

-

amorfe. Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Monocristalinele se obţin sub formă de bară prin turnarea siliciului pur. Aceste bare sunt feliate în plăci foarte subţiri cu un fierăstrău special constând dintr-o sârmă lungă pe care s-au aplicat particule de diamant şi care este înfăşurată pe cilindri ce se rotesc. Un bloc este complet secţionat în plăcuţe de cca 0,18…0,28 mm la o singură trecere. Praful rezultat în urma debitării este inutilizabil şi reprezintă până la 50 % din material. Acest proces tehnologic asigură cel mai ridicat nivel de eficienţă a conversiei fotoelectrice, dar este şi cea mai costisitoare variantă. Pentru obţinerea de plăcuţe de siliciu la început se utiliza materia primă excedentară rezultată din fabricarea de circuite integrate, care nu corespundea calitativ dar era potrivită pentru fabricarea celulelor solare. Datorită cererii mult crescute a producţiei de panouri solare, această sursă are o importanţă nesemnificativă. Celulele monocristaline prezintă o suprafaţă omogenă. [10]

Fig. 1.8 : Celulă din siliciu monocristalin [9]

Policristalinele se obţin în urma unui proces de producţie mai puţin ieftin. Siliciul pur se topeşte într-un cuptor cu inducţie după care se toarnă într-un recipient de formă pătrată în care se supune la un proces de răcire cât mai lent posibil în cursul căruia vor apare cristale cât mai mari posibil. Recipientul are dimensiunile 50*50 cm, masa solidificată având înălţimea de 30 cm. Blocul, astfel solidificat, se taie în mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. La marginea cristalelor se poate observa unele defecte, diferenţe între cristale. Ca urmare a acestor defecte, celulele fotovoltaice fabricate prin această metodă sunt mai puţin eficiente decât cele monocristaline, cel puţin teoretic. Un alt mod reprezintă turnare continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe suport la dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminarea pierderilor rezultate din tăiere. Procedeul numit după Percy Williams Bridgman este aplicat în procesul de fabricare a siliciului policristalin. Siliciul pur se topeşte tot într-un cuptor cu inducţie dar procesul de răcire în urma căruia în masa topită se formează mari zone ocupate de câte un cristal are loc chiar în cuptor. Materialul se supune unei încălziri progresive pornind de la bază astfel încât în momentul topirii stratului superior, la bază deja se produce întărirea materialului. 14 |

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Dimensiunile blocurilor obţinute sunt mai mari (60*60 cm –70*70 cm) cu înălţimea de 20-25 cm, şi se procedează la tăierea lor în blocuri mai mici având lungimea de 20-25 cm. [10]

Fig. 1.9 : Celulă din siliciu policristalin [9]

Structura amorfă se obţine prin depunerea unui film extrem de subţire de siliciu pe o suprafaţă de sticlă, sau pe un substrat realizat dintr-un alt material. În acest caz, solidificarea atomilor nu se realizează într-o structură cristalină ci sub forma unei reţele atomice cu dispunere neregulată, denumită structură amorfă. În această reţea atomică apar şi numeroase defecte, care diminuează performanţele electrice ale materialului. Grosimea stratului amorf de siliciu, obţinut prin această metodă este mai mică de1μm. Pentru comparaţie grosimea unui fir de păr uman este de 50…100 μm.

Costurile de fabricaţie ale siliciului amorf sunt foarte

reduse, datorită cantităţii extrem de reduse de material utilizat, dar eficienţa celulelor fotovoltaice care utilizează siliciu amorf este mult mai redusă decât a celor care utilizează structuri cristaline de material. Datorită costului redus, celulele fotovoltaice cu siliciu amorf se utilizează preponderent la fabricarea echipamentelor cu putere redusă, cum sunt ceasurile sau, calculatoare de buzunar. Aceste celule ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25 % în primul an de funcţionare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din documentele de însoţire nu se dă puterea atinsă la fabricaţie ci puterea de după procesul de îmbătrânire. Ca urmare, acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumpărare decât cele din documente. Îmbătrânirea se produce sub acţiunea luminii şi este rezultatul aşa numitului efect Staebler-Wronski (SWE). În cadrul acestuia, siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H) metastabil trece printr-o fază de creştere concentraţiei defectelor cu un ordin de mărime, paralel cu scăderea conductivităţii şi deplasarea nivelului Fermi către mijlocul distanţei dintre banda de valenţă şi banda de conducţie. După circa 1000 ore de expunere la soare, celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil. [10]

15 |

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Fig. 1.10 : Celulă din siliciu amorf [9]

Celulele cu GaAs (GaliuArseniu) au randament mare, care este foarte stabil la schimbările de temperatură, la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu. Este robust vizavi de radiaţia ultravioletă. Este totuşi o tehnologie mai scumpă şi din această cauză este utilizează de obicei în industria spaţială. [10] Celulele cu CdTe utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD (depunere de staturi subţiri pe suprafeţe mari în mediu cu pH , temperatură şi concentraţie de reagent controlate); în laborator s-a atins un randament de 16 %. [10] Alte tehnologii : CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs de firma Würth Solar în Marbach am Neckar, Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell în Berlin, CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în staţie pilot în Uppsala/Suedia [bal07].

Fig. 1.11 : Tipuri de celule fotovoltaice des folosite şi randamentele lor

Celulele fotovoltaice au de obicei o suprafaţă foarte mică. Curentul şi tensiunea generate de o singură celulă sunt mici. Celulele fotovoltaice sunt conectate în serie pentru a genera o tensiune suficient de mare pentru a se putea lucra uşor cu ele, astfel formând module fotovoltaice. Acestea sunt legate la rândul lor în paralel pentru a genera curenţi cât mai mari. 16 |

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Mai multe module formează un panou fotovoltaic. Un panou fotovoltaic poate ajunge să genereze puteri de ordinul waţilor la ordinul sutelor de waţi, în funcţie de numărul de celule şi

de eficienţa tehnologiei folosite. Cele mai utilizate/comercializate panouri fotovoltaice sunt cele cu 36-38 celule în total. Acestea generează în general o tensiune de între 12-24V. Aceste panouri sunt uşor utilizabile datorită faptului că trebuie doar stabilizată tensiunea şi astfel se stochează uşor în baterii. Acesta trebuie să facă faţă unor condiţii de lucru neprielnice, pentru aceasta, panourile sunt încapsulate în materiale rezistente la condiţii meteo neplăcute, ceea ce înseamnă totul de la îngheţ la încălzire extremă, ploaie şi grindină. Aceste sisteme sunt componentele de bază ale instalaţiilor, adică, de obicei se cumpără panouri individuale, mai repede decât module sau celule individuale.

Fig. 1.12 : Panouri fotovoltaice formând o matrice de panouri

În figura 1.13 este prezentat un sistem clasic complet fotovoltaic insular, mai exact, întregul sistem electric, alimentat strict fotovoltaic, al casei este complet izolat de reţeaua electrică naţională. Sistemul este alcătuit din următoarele componente: •

panouri fotovoltaice

•

regulatorul de încărcare al bateriilor (convertor Buck sau Boost)

•

grupul de baterii de 12, 24 sau 48 V

•

invertor, ce transformă curentul continuu CC in curent alternativ CA, şi conţine şi un transformator pentru a obţine 220V.

17 |

•

consumator CC

•

consumator CA

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Fig. 1.13: Sistem fotovoltaic insular complet şi izolat [9]

Aceasta configurație este destul de complexă. Sunt folosite baterii pentru stocarea energiei electrice produse in timpul zilei. Alimentarea consumatorilor se face direct in curent continuu si alternativ in mod permanent zi si noapte, datorită reţelei de CC şi invertorului. Capacitatea sistemelor pot atinge ușor valori de zeci de kilowați. Situaţiile unde s-ar putea folosi acest tip de sistem sunt: •

unele case

•

cabane turistice

•

aplicații industriale, comerciale, agricultură, alimentare staţii izolate cu diverse destinaţii

18 |

•

iluminat public

•

alimentare panouri publicitare

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

1.4 Fotovoltaicele în ţară

La noi în ţară conceptul de alimentarea locuinţelor sau întreprinderilor prin intermediul panourilor fotovoltaice nu este nou. În schimb nu am reuşit până acum să construim o centrală care să folosească această tehnologie. S-a propus acum ceva timp în parlament începerea unui proiect de subvenţii provenite din buget care se alocau celor care doreau să achiziţioneze sisteme ecologice de generare a curentului electric, statul achitând (prin subvenţii) în jur de 70-80% din costurile totale. Proiectul am înţeles ca s-a abandonat deodată cu criza financiară. Potenţialul energetic cel mai mare în tara noastră o au zonele sudice şi zonele sudestice: Dobrogea, Câmpia Română. Cu toate acestea, recent s-au demarat mai multe proiecte de amplasare a unor centrale fotovoltaice prin întreaga ţară: -

Clujul va fi primul judeţ din ţară alimentat exclusiv din surse alternative de energie. Cum Uniunea Europeana va finanţa aproape integral proiectele verzi. Se promite că în câţiva ani curentul electric va fi generat cu energie solară. Investiţia este estimată la 100 de milioane de euro. Parcul solar se va întinde pe 100 de hectare în apropierea localităţii Floreşti, judeţul Cluj [11].

-

Primăria Piatra Neamţ are în plan un proiect pentru construcţia unei centrale fotovoltaice cu o putere de 3 MW. Costurile centralei fotovoltaice sunt estimate la 20 de milioane de euro. Pentru realizarea studiului de fezabilitate şi a proiectului tehnic, obţinerea avizelor şi acordurilor necesare, dar şi pentru asistenţă tehnică, sunt necesare alte 19 milioane de euro. Construcţia va fi amplasată pe o suprafaţă de 4 hectare, la periferia municipiului Piatra Neamţ [11].

-

Judeţul Ialomiţa va produce zilnic 10MW de energie electrică pe principiul fotovoltaic. Aproximativ 10 milioane de euro va costa implementarea unui proiect prin care se va amenaja un parc solar fotovoltaic, în zona comunei Gura Ialomiţei. Terenul pe care se propune amplasarea acestuia are o suprafaţă de 5ha, terenul având un potenţial agricol foarte scăzut, fiind cea mai apropiată locaţie de staţia de medie tensiune de la Gura Ialomiţei. Aceasta va implica o cheltuială minimă pentru conectarea la sistemul energetic naţional [11]

-

În judeţul Arad, localitatea Vinga, primăria plănuieşte construcţia unei centrale electrice fotovoltaice pe un teren aflat între localitate şi calea ferată, zonă părăsită

19 |

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

în ruine. Diverse firme au pregătit proiecte pentru acea zonă şi acum aşteaptă

licitaţia. O firmă din Vladimirescu a pregătit un proiect în care centrala se presupune că va genera 0,45MW zilnic. Costul iese în jur de 2,5Euro/W. -

Tot în Arad s-a anunţat pe data de 20.04.2010 că iluminatul public va fi alimentat cu panouri fotovoltaice amplasate pe stâlpii de iluminat.

Acestea nu sunt singurele proiecte, dar nu sunt făcute toate publice. Una din cele mai ambiţioase proiecte fac referire la o zonă în câmpia Bărăgan care se va întinde pe câteva hectare, dar mai mult de atât nu am aflat. 1.5 Ce doresc să realizez? Teoretic, urmăresc să realizez o centrală electrică, într-un viitor, sper, nu foarte îndepărtat. Pentru această lucrare îmi propun să o iau pas cu pas şi să modelez o celulă fotovoltaică şi funcţionarea acesteia, în mediul de lucru Matlab/Simulink. Problema de bază în modelările în acest mediu este lipsa unui bloc care să integreze funcţionarea unei celule. Eu îmi propun să încerc să modelez: -

un panou fotovoltaic cu Ns celule legate în serie şi Np legate in paralel

Dacă voi reuşi, voi avea un model folosibil a unei celule fotovoltaice care să mă ajute pe viitor în simulările ce vor urma în ceea ce priveşte reîncărcarea unui acumulator de autovehicul electric.

20 |

Cap 1 – Introducere în lumea fotovoltaică

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010 CAP 2. TEHNOLOGIA FOTOVOLTAICĂ – DETALII 2.1 Efectul fotovoltaic Def.: Efectul de apariţie a unei tensiuni electromotoare într-un material solid aflat sub acţiunea luminii este denumit efect fotovoltaic [bal07]. Numele efectului provine de la termenul grecesc phos (lumină) şi de la numele fizicianului care a realizat prima baterie electrică din lume, Allesandro Volta. Datorită polarizării electrice a materialului, în urma eliberării de electroni şi goluri, ce are loc odată cu expunerea la lumină, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis.

Fig. 2.1 : Structura energetică a materialelor semiconductoare

Electronii se învârt în jurul nucleelor atomilor la diferite nivele energetice. Nivelele se numesc benzi sau straturi. Acestea sunt nivele sunt accesibile pentru electroni în orice moment, dar sunt separate de către alte benzi energice „interzise”, aceste zone fiind recunoscute ca „bariere energetice” pentru electroni. Una dintre benzile accesibile se numeşte banda de valenţă. Următorul nivel accesibil, dar în general goală, este banda de conducţie. Fiecare material are nivele energetice diferite la banda de valenţă, banda de conducţie şi implicit la bariera energetică. Diferenţa dintre valorile energiilor benzilor ΔE reprezintă valoarea energetică a barierei energetice dintre cele două benzi. ΔE = EC − EV 21 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzisă ΔE are valori între 0,2 şi 2,3 eV. Pentru siliciul monocristalin, valoarea lui ΔE este aproximativ 1eV, iarîn

cazul siliciului amorf poate să ajungă la 1,7eV, din această cauză, siliciul amorf este mai puţin eficient, electronii necesitând o energie mai mare pentru a devenii conductori. Energia undelor electromagnetice este: E = h∗ν

h – constanta universala a lui Plank h = 6,626 * 10-34 Js ν – frecvenţa de oscilaţie a luminii, care reiese din: λ - lungimea de undă a luminii

𝑐= λ ∗ ν

c – viteza luminii, 299.792.458 m/s Folosind un sistem de 2 ecuaţii cu o necunoscută, se poate determina că pentru intervalului energetic 0,2 – 2,3 eV îi corespunde intervalul de lungimi de undă 6,2 – 0,5 μm, deci fotonii din domeniul vizibil şi infraroşu sunt cei ce determină tranziţia. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valenţă pentru ca aceştia să devină liberi, în urma trecerii lor pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de lumină, pot transmite electronilor de pe banda de valenţă, energia necesară ΔE pentru a depăşi bariera energetică şi a trece pe banda de conducţie. Acest fenomen este esenţial pentru funcţionarea celulelor fotovoltaice. În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, siliciul pur, sub diverse forme şi tipuri de cristale, este dopat cu diferite elemente chimice pentru a duce la creşterea numărului de sarcini electrice negative (electroni) sau pozitive (goluri). Se obţin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcţie de tipul sarcinilor electrice care predomină. Siliciul dopat este un semiconductor mai bun decât cel pur. Doparea cu Fosfor, spre exemplu, induce în siliciu sarcini suplimentare negative, siliciul astfel dopat devenind siliciu tip n ( Fosforul are valenţa 5 şi siliciul are valenţa 4, astfel, astfel orice impuritate cu valenţa mai mare decât cea a siliciului este capabil să doneze electroni suplimentari. Doparea siliciului cu Bor duce la formarea unui semiconductor de siliciu tip p, acesta având un exces de sarcini pozitive. Prin alăturarea a două straturi diferite de semiconductor, caracterizate prin predominanţa diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact dintre straturi, se obţine o joncţiune de tip p-n. Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact, electronii de valentă şi cei adăugaţi prin dopare din stratul n, prezintă tendinţa de 22 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

migraţie în stratul p, care are un deficit de electroni. Analog, golurile din stratul p, prezintă tendinţa de a migra în stratul n. Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două

straturi ale joncţiunii p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu va avea loc realizarea unei reechilibrări la nivelul sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Efectul rezultat este redistribuirea sarcinilor electrice în zona joncţiunii p-n. [bal07]

Fig. 2.2 a) Tendinţa de migrare a sarcinilor

b) Joncţiunea p-n cu sarcinile redistribuite

În urma redistribuirii sarcinilor electrice în zona joncţiunii, apare o diferenţă de potenţial la nivelul joncţiunii. Această diferenţă internă de potenţial reprezintă o barieră, care împiedică o deplasare ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p şi a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre extremităţile opuse joncţiunii p-n a acestor straturi. Dacă notăm cu n 0 şi p 0 concentraţiile electronilor şi golurilor în lipsa iluminării la echilibru termic, sub acţiunea unui câmp electric E apare un curent de drift cu densitatea [curs1]: 𝚥⃗ = ���⃗ 𝚥𝑛 + ���⃗ 𝚥𝑝 = 𝑛0 𝑒𝑣 ����⃗ ����⃗𝑝 𝑛 + 𝑝0 𝑒𝑣

Ţinând cont de legătura dintre vitezele vn şi vp şi mobilităţile μn şi μp (vn= μn E, vp=μp E), se obţine: 𝑗 = 𝑒�𝑛0 𝜇𝑛 + 𝑝0 𝜇𝑝 �𝐸 = 𝜎0 𝐸

σ0 este coeficientul de conductivitate iniţială.

Este cunoscut faptul că lumina are un caracter dual, având caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, şi, în acelaşi timp, caracteristici corpusculare, conform teoriei fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic, este mai important să privim lumina ca având un caracter corpuscular.

23 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Dacă joncţiunea p-n este supusă radiaţiei solare, fotonii care au un nivel energetic

suficient de ridicat (această energie a fotonilor crescând odată cu creşterea intensităţii luminii), sunt capabili să transfere energie electronilor aflaţi pe straturile de valenţă ale atomilor, astfel încât să poată trece pe straturile de conducţie şi să devină electroni liberi.

Dacă în urma iluminării concentraţiile electronilor şi golurilor se modifică cu Δn şi Δp, Δn = Δp , schimbarea conductivităţii va fi [curs1]:

Notăm b=µn /µp şi reiese:

∆𝜎 ∆𝑛𝜇𝑛 + ∆𝑝𝜇𝑝 = 𝜎0 𝑛0 𝜇𝑛 + 𝑝0 𝜇𝑝 ∆𝜎 ∆𝑛 (1 + 𝑏) = 𝑛0 𝑏 + 𝑝0 𝜎0

Notăm cu α coeficientul de absorbţie definit ca raportul dintre cantitatea de energie absorbită de unitatea de volum în unitatea de timp şi energia incidentă pe unitatea de suprafaţă în unitatea de timp. Se poate arăta că atunci când αdl, intensitatea radiaţiei la distanţa z în probă este [curs1]: 𝐼 (𝑧) = 𝐼 (1 − 𝛽)𝑒 – 𝛼𝑧

unde β este coeficientul de reflexie la suprafaţa iluminată. În consecinţa va apare un gradient de concentraţie care va determina apariţia unor curenţi de difuzie pentru goluri şi electroni. Considerând o variaţie liniară a concentraţiei, densităţile curenţilor de difuzie sunt: 𝜕𝑛 𝜕𝑧 𝜕𝑝 𝑗𝑝 = −𝑒𝐷𝑝 𝜕𝑧 𝑗𝑛 = 𝑒𝐷𝑛

unde Dn şi Dp sunt coeficienţi de difuzie. Curentul total va fi suma dintre curentul de drift în prezenţa iluminării şi cel de difuzie:

𝑗𝑧 = 𝑒�𝑛𝜇𝑛 + 𝑝𝜇𝑝 �𝐸𝑧 + 𝑒 (𝐷𝑛

𝜕𝑛 𝜕𝑝 − 𝐷𝑝 ) 𝜕𝑧 𝜕𝑧

Ţinând cont că: n = n0 + Δn , p = p0 + Δp şi Δn = Δp , rezultă că densitatea : 𝑗𝑧 = 𝑒�𝑛𝜇𝑛 + 𝑝𝜇𝑝 �𝐸𝑧 + 𝑒 (𝐷𝑛 − 𝐷𝑝 )

𝜕∆𝑛 𝜕𝑧

Sub acţiunea diferenţei interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa stratului n al joncţiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atraşi spre zona 24 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa acestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de conducţie, lasă în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub acţiunea radiaţiei solare nu apar doar electroni liberi, ci perechi de sarcini electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri). Sub acţiunea diferenţei interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al joncţiunii, iar golurile care se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul p, sunt respinşi spre suprafaţa acestui strat. Datorită deplasării sarcinilor electrice pozitive şi negative în cele două straturi se produce o polarizare electrică la nivelul suprafeţelor exterioare ale joncţiunii. Diferenţa de potenţial dă naştere unei tensiuni. În circuit deschis, unde jz=0, între faţa iluminată şi cea neiluminată a unei celule fotovoltaice apare un câmp electric de forma: 𝐸𝑧 =

𝜕∆𝑛 𝜕𝑧 𝑛𝜇𝑛 + 𝑝𝜇𝑝

(𝐷𝑛 − 𝐷𝑝 )

Astfel, avem de a face cu o diferenţă de potenţial V. Dacă Dn=Dp (atunci când μn = μp) atunci Ez=0 şi V=0. Într-o joncţiune p-n, ca urmare a difuziei electronilor din domeniul n în domeniul p şi difuziei golurilor în sens invers, apare un câmp electric în stratul de baraj şi corespunzător o diferenţă de potenţial .

Fig. 2.3 Apariţia unei diferenţe de potenţial în urma variaţiei concentraţiilor de electroni şi goluri [curs1]

25 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Acest câmp electric împiedică continuarea difuziei şi în acelaşi timp duce la apariţia unor curenţi de drift care se opun celor de difuzie. În stare de echilibru, curenţii de difuzie vor fi egali cu cei de drift, astfel încât curentul rezultant va fi nul. Dacă joncţiunea p-n este iluminată, se vor crea perechi electron-gol în exces. Dacă αd>>l, fluxul de fotoni va varia exponenţial cu adâncimea. Electronii în exces creaţi în regiunea p pot difuza prin joncţiune şi coboară bariera de potenţial spre zona n. Golurile în exces create în zona n pot difuza şi ele prin joncţiune. Apare astfel o sarcină pozitivă pe faţa p

şi una negativă pe faţa n. Aceste densităţi de sarcină micşorează diferenţa de potenţial de la j0 la j0 – V. Ecuaţia de curent tensiune este [curs1]: 𝑒𝑉

𝑗 = 𝑗0 �𝑒 𝑘𝑇 − 1� + 𝑗𝐿

j0 – densitatea curentului invers la saturaţie în absenţa iluminării V – tensiunea aplicată joncţiunii k – constanta lui Boltzmann jL – curentul de generare independent de V şi direct proporţional cu intensitatea iluminării (determinat de perechile de electron-gol generate de lumina incidentă) Ecuaţia de curent tensiune este ilustrată în fig. 2.4, pentru iluminări diferite ale joncţiunii.

Fig. 2.4 : Relaţia curent tensiune pentru diferite expuneri [curs1]

Pentru j=0 se obţine din ecuaţia curent-tensiune, tensiunea în circuit deschis Voc: 𝑉𝑂𝐶 =

𝑘𝑇 𝑗𝐿 ln (1 − ) 𝑒 𝑗0

Curentul de scurt-circuit se obţine punând condiţia V=0 şi rezultă: 𝑗𝑆𝐶 = 𝑗𝐿 26 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Fig. 2.5 Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice şi funcţionarea acesteia [22]

Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii sunt acoperite cu câte un strat metalic, fiecare reprezentând câte un electrod, între aceştia se va avea loc o diferenţă de potenţial, care într-un circuit închis va produce un curent electric. Diferenţa de potenţial şi curentul electric se pot menţine la un nivel constant atâta timp cât se manifestă radiaţia solară la un nivel constant. Este evident că variaţia intensităţii radiaţiei solare va produce şi variaţii ale tensiunii şi mai ales ale intensităţii curentului electric, datorită faptului că electronii de valenţă nu mai primesc suficientă energie că să părăsească zona de valenţă şi să intre în banda de conducţie, astfel, trecând un număr mai mic de electroni şi producându-se un număr mai mic de goluri. Joncţiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă fotovoltaică sau o celulă electrică solară. Pentru a se proteja celula de eventuale coroziuni, celula fotovoltaică mai este îmbrăcată într-un strat de material transparent, izolator şi cu grad de reflexie aproape nul. Rolul cel mai important a acestui strat este de a împiedica reflexia radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată electronilor de valenţă din cele două straturi semiconductoare. Grosimea totală a unei celule fotovoltaice pe bază de siliciu monocristalin este de aprox. 0,3mm, iar grosimea stratului n, este de circa 0,002mm [bal07]. La începutul comercializării panourilor solare, celulele aveau o formă rotundă, păstrând forma barelor de siliciu din care au fost debitate. Această formă, azi, este rar utilizată locul ei fiind preluat de formele dreptunghiulare de cele mai multe ori pătrate având colţurile mai mult sau mai puţin teşite. Până la sfârşitul anilor 1990 celulele solare aveau cel mai des mărimea de fabricaţie de

27 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

100x100 mm (în jargonul de specialitate numite celule de 4 ţoli). După aceea au fost introduse pe scară tot mai largă celulele cu latura de 125 mm, şi de prin anul 2002 şi celulele cu latura de 150 mm se utilizează tot mai des în modulele standard şi se prevede că nici celulele de 200x200 nu vor fi excluse a fi folosite în viitor.

2.2

Eficienţa tehnologiei fotovoltaice

Primele celule fotovoltaice au fost utilizate în 1958 pe satelitul Vanguard I, care nu a ajuns în spaţiu. Eficienţa de conversie a energiei radiaţiei solare în electricitate era de 10%. Puterea totală a acelor celule a fost de aproximativ 0,1Wh [bal07]. Pentru un satelit deadreptul insuficient, dar totuşi, a fost ceva mai mult demonstrativ şi făcut pe fugă. Momentan, eficienţa celulelor fotovoltaice actuale pe bază de siliciu monocristalin este de aproximativ 31% în condiţii de laborator. Eficienţa celulelor fotovoltaice depinde de doi factori: •

Intensitatea radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei

•

Eficienţa procesului de conversie a radiaţiei solare în energie electrică

Eficienţa celulelor fotovoltaice este critică, dar nu suficientă. Întregul sistem fotovoltaic necesită optimizări. Trecerea de la panou la consumator nu se face direct. Curentul variază, în primul rând, funcţie de gradul de iluminare momentan al panoului. Această variaţie poate fi de multe ori de valoare mare, astfel încât să afecteze grav consumatorii sau acumulatorii în care trebuie stocată energia convertită. Stocarea energiei în acumulatori este esenţială, datorită faptului că noaptea nu se poate produce energie electrică. Din considerentul că un curent continuu care poate avea fluctuaţii mari, tensiunea şi amperajul trebuie stabilizate, de către un regulator/convertor. Pentru a putea fi folosită energia din acumulatori, curentul continuu, generat de aceştia, trebuie inversat pentru a deveni curent alternativ, aparatura casnică necesitând, de cele mai multe ori, o tensiune de 220V în curent alternativ. Astfel, mai avem nevoie de: •

Convertoare buck şi boost.

•

Baterii eficiente (mici cu capacitate mare)

•

Invertoare de bună calitate

Eficienţa unei celule fotovoltaice, sau randamentul acesteia, este o constantă dată de la producător. Randamentul este, de fapt, raportul dintre puterea generată şi puterea colectată. Acest randament este determinat pe cale atât teoretică cât şi experimentală. Notat cu η, 28 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

randamentul celulei fotovoltaice este definit ca raportul dintre MPP (maximum power point) şi produsul dintre expunere E şi suprafaţa celulei A.

În cazul calcului de randament, se respectă anumite condiţii standard de măsurare: intensitate luminoasă de 1000W/mp, temperatură de 25oC şi AM1.5.

η=

𝑃𝑀𝑃𝑃 𝐴∗𝐸

AIM – coeficientul masic de aer - caracterizează spectrul solar după ce radiaţia solară a trecut prin atmosferă, este folosit la caracterizarea performanţelor celulelor solare în condiţii standardizate definite de simbolul AM şi un număr. AM1.5 este universal folosit de a caracteriza puterea generată de panourile solare. Radiaţia solară traversând atmosfera reacţionează cu anumiţi compuşi chimici care adsorb anumite lungimi de undă din spectru. Absorbţia ultravioletelor de către ozon în atmosfera superioară reduce dramatic cantitatea de lungimi scurte de undă care ar trebui sa ajungă pe pământ. O componentă mult mai activă sunt vaporii de apă care adsorb spectrul solar pe diverse lungimi de undă. Oxigenul, bioxidul de carbon şi azotul contribuie la adsorbţia radiaţiei solare, prin urmare spectrul solar ce ajunge la suprafaţa pământului este restrâns între infraroşu îndepărtat şi ultraviolet apropiat. Pentru o grosime l0 a atmosferei funcţie de unghiul de incidenţă a radiaţiei θ, ea parcurge un drum mai lung, care poate fi calculat după următoarea formulă [13]: 𝑙 = 𝑙0 /𝑐𝑜𝑠𝜃

Raportul l / l0 este coeficientul masic al aerului 1. Spectrul solar în afara atmosferei corespunzător radiaţiei corpului negru va avea AM0 / zero atmosfere. Celulele folosite pentru tehnologia spaţială, cum ar fi comunicaţiile prin satelit, sunt în general caracterizate folosind AM0. Spectrul solar la nivelul apei mării când soarele este perpendicular coeficientul este AM1 ceea ce semnifică o atmosferă [13]. Celulele solare pe bază de siliciu nu sunt sensibile la spectrul pierdut în atmosferă. Ele sunt dependente de lărgimea benzii interzise, care este corespondentă energiei fotonilor din spectrul vizibil. Prin urmare celulele solare sunt mai eficiente la AM1 decât la AM0. Panourile solare în general operează sub o anumită grosime a atmosferei dacă soarele este incident sub un unghi de vizibilitatea diferit de cel de la ecuator. Deoarece dezvoltarea celulelor solare este concentrată în SUA, Japonia, Europa se ia în considerare standardul AM1.5, adică 1.5 grosimea atmosferei ceea ce corespunde un unghi de zenit solar de 480. Este considerat standardul terestru de caracterizare a panourilor solare. 1

Peter Würfel (2005). The Physics of Solar Cells. Weinheim: Wiley-VCH

29 |

Cap 2 - Tehnologia fotovoltaică – Detalii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Panourile solare ce operează la poli va trebui să fie folosit AM2 iar cele care operează la altitudini mari atunci AM> IS şi dacă ignorăm mica diodă şi scurgerea spre masă a curentului, I SC se poate aproxima cu valoarea lui I PH . 𝐼𝑃𝐻 = 𝐼𝑆𝐶

Pe cealaltă parte, parametrul V OC se obţine prin presupunerea că curentul de ieşire este egal cu 0. Cu valoarea lui V OC dată la temperatura de referinţă şi prin ignorarea pierderii de curent prin rezistenţa de şunt, curentul de saturaţie inversă I RS la temperatura de referinţă poate fi obţinut cu o aproximaţie din relaţia[mod1]: 𝐼𝑅𝑆 = 51 |

𝐼𝑆𝐶 𝑉 exp �𝑁 𝑂𝐶 �−1 𝑆 ∗ 𝑉𝑡

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

În plus, se mai poate exprima şi valoarea din punctul de putere maximă astfel[mod1]: 𝑃𝑀𝑃𝑃 = 𝑉𝑀𝑃𝑃 𝐼𝑀𝑃𝑃 = 𝛾𝑉𝑂𝐶 𝐼𝑆𝐶

γ – este un factorul de umplere a celulei care este un factor de calitate. 3.5 Modelarea celulei Un model a unui modul fotovoltaic cu complexitate moderată, care include temperatura, curentul de saturaţie a diodei şi rezistenţa serie, este considerat să fie bazată pe ecuaţia diodei Shockley. Este important să se construiască un model generalizat care să se potrivească unei celulei, modul sau matrice fotovoltaice pentru a putea fi folosită în sistemele de urmărire a punctului de maximă putere. Un model bun poate fi construit folosind Matlab/Simulink, şi astfel se poate determina caracteristica I-V şu cea P-V. Folosind ecuaţiile de mai sus, am încercat să modelez o celulă fotovoltaică.

Fig. 3.7 : Modelul celulei realizat în Matlab

Se observă foarte bine fiecare bloc din figură ce reprezintă. Celula din figură este în sine o mască a unui subsistem care reprezintă implementarea modelului generalizat ideal al celulei. Tensiune In este un bloc care „delimitează” voltajul la care dorim să analizăm curentul de la ieşire. Expunerea se poate modifica pentru a se calcula eficienta la celulei funcţie de expunere, si analog, blocul de temperatura pentru a se vedea modificarea curentului funcţie de temperatură. Osciloscoapele P şi I sunt pentru monitorizarea ieşirii celulei în ceea ce priveşte

52 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

puterea debitată şi curentul generat. Am mai introdus în printre aparatele de măsură, un bloc de desenare a unui grafic care să traseze caracteristica I-V a celulei.

Subsistemul este mascat, astfel încât la dublu-click apare o fereastră de dialog în care se pot introduce unii parametrii de funcţionare a celulei fotovoltaice.

Fig. 3.8 : Fereastră dialog subsistem celula

Astfel se vor introduce parametrii K i , A, V OC , I SC , N S şi N P . La iniţializarea blocului se vor iniţializa constantele k=1.38*10^(-23) şi q=1.6*10^(-19). În cadrul subsistemului Celula, se regăsesc numeroase blocuri fiecare cu un scop bine definit.

Fig. 3.9 : Subsistemul Celula, implementarea ecuaţiei I-V

53 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Subsistemul are 3 intrări şi 3 ieşiri. Intrarea 1 coincide cu ieşirea 3, reprezentând

semnalul de tensiune. Intrarea 2 reprezintă expunerea λ la care este supusă celula, exprimat în waţi, ieşirea fiind urmată de un bloc de Gain care are rolul de a converti W în kW. Constanta din gain este 1/1000. Intrarea 3 reprezintă temperatura actuală a celulei/joncţiunii, care afectează în plus sau în minus performanţele celulei. Ieşirea 1 este semnalul de putere generată şi ieşirea 2 curentul generat. Majoritatea subsistemului este destinat implementării ecuaţiei: 𝐼 = 𝑁𝑃 𝐼𝑃𝐻 − 𝑁𝑃 𝐼𝑆 �𝑒𝑥𝑝 �

𝑉 � − 1� 𝑁𝑆 ∗ 𝑉𝑡

Formula este implementată în părţi, prima dată calculându-se valoarea curentului ce poate fi generat I PH , apoi a tensiunii termodinamice V t şi apoi a curentului de saturaţie I S . Abia după calcularea acestor parametri am trecut la calcularea curentului efectiv debitat de modulul fotovoltaic. Calculul curentului care poate fi debitat de celulă I PH este calculat după formula menţionată mai devreme, uşor schimbată: 𝐼𝑃𝐻 = [(𝐼𝑆𝐶 ⁄𝑁𝑝 ) − 𝐾𝐼 �𝑇𝐶 − 𝑇𝑅𝑒𝑓 �]𝜆

Diferenţa faţă de formula implementată şi cea menţionată la începutul studiului de caz este diferenţa de semn (înmulţire cu – a unui termen) şi faptul că curentul de scurtcircuit a modulului care poate fi dat este împărţit la numărul de module serie pe care îl conţine, din cauză că producătorul dă curentul de scurtcircuit a întregii matrice de celule, nu a unui modul serie. Implementarea formulei de mai sus are loc în blocurile din figura 3.10.

Fig. 3.10 : Blocurile de determinare a curentului I PH

În subsistem mai apar 3 blocuri similare, dar diferite, de tip Function. Fiecare dintre blocuri face un anumit calcul spre a reda V t , I S şi I, funcţie de formula din interiorul blocului şi de intrările sale.

54 |

Cap 3 – Studiu de caz

Calc V t

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

– are rolul de a calcula valoarea tensiunii termodinamice V t funcţie de T C . Ecuaţia de implementare este : (A*20*k*u(1))/q

Calc I S

– are rolul de a calcula valoarea curentului de saturaţie a diodei funcţie de V t şi ISC . Ecuaţia de implementare este : u(1)/(exp(Voc/(Ns*u(2)))1)

Calc I

– are rolul de a calcula valoare curentului efectiv debitat de celulă la un moment dat şi la o tensiune dată, funcţie de V, I PH , I S , V t . Ecuaţia de implementare a modelului formulat în prima parte a paginii 54 este : Np*u(2)-Np*u(3)*(exp(u(1)/(Ns*u(4)))-1)

Ieşirea din blocul Calc I este înmulţită cu valoarea tensiunii, implementând astfel calculul puterii : P = V * I

3.6 Modelarea celulei (varianta 2) Am hotărât să încerc o a doua modelare, după o abordare diferită, bazându-mă pe unele principii şi studii realizate[mod2]. Al doilea model este mai complex, şi ţine cont de mai mulţi factori, implementând modelul simplei diode reale. În acest caz se modelează direct o celulă, sau un modul fără să se tină cont de numărul de celule. Ecuaţia[mod2] de curent generală este : 𝐼𝑃ℎ − 𝐼𝐷 −

𝑉𝐷 − 𝐼𝑃𝑉 = 0 𝑅𝑃

I PV

- curentul efectiv debitat de celulă

I Ph

- curentul debitabil în condiţii ideale

ID

- curentul ce trece prin diodă

VD

- tensiunea pe diodă (egală cu V)

RP

- rezistenţa în paralel, rezistenţa de şunt

În studiile realizate în [mod2] s-a urmărit realizarea unei celule fotovoltaice care nu ţine cont de influenţa temperaturii asupra performanţelor celulei. Astfel am urmărit crearea unui model de modul fotovoltaic cu celule numai serie, care să funcţioneze mult mai bine decât modelul anterior. Blocul celulei este legată la două plottere care au drept scop trasarea caracteristicilor I-V şi P-V. Pentru a evidenţia diferenţa între caracteristici la diferite tensiuni electrice şi diferite expuneri, s-a dat ca intrare la celulă 2 semnale, unul de tip scară care simbolizează 55 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

variaţia intensităţii luminii şi una de tip zimţi de ferăstrău, care se repetă sincron cu semnalul scară.

Fig. 3.11 : Modelul #2 al celulei realizat în Matlab

A treia intrare este temperatura actuală a joncţiunii p-n. La dublu-click pe blocul PV1 apare o fereastră de dialog unde se pot introduce parametrii modelării.

Fig. 3.12 : Fereastră dialog subsistem PV1

Se poate observa o diferenţă substanţială fată de fereastra de dialog a primului model a celulei. De multe ori, ne putem confrunta cu faptul că în specificaţiile date, de producătorul celulei, găsim numai tensiunile de mers în gol şi de MPP şi curenţii de scurt-circuit şi de 56 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

MPP. Pentru astfel de situaţii este extrem de util modelul acesta. Subsistemul beneficiază de

un cod de iniţializare [mod2], care iniţializează valorile celorlalţi parametrii necesari modelului:

Ns = round(Voc/0.61);

% numărul implicit de celule în serie

Vt = 26e-3;

% tensiunea termodinamică

G = 1/1000;

% conversie expunere de la W la kW

Vmpc = Vr/Ns;

% tensiunea/celulă la MPP

Vocc = Voc/Ns;

% tensiunea de mers în gol/celulă la MPP

Rmpp = Vmpc/Ir;

% rezistenţa internă a celulei la MPP

Rp = 100*Vocc/Isc;

% valoarea rezistenţei de şunt

Vdm = Vocc;

% valoarea iniţială a tensiunii maxime

% soluţie iterată pentru parametrii de model: Io, Rs, Rp for i=1:10 Idm = Isc - Ir - Vdm/Rp;

% curentul diodei la MPP

Io = (Isc-Vocc/Rp)/(exp(Vocc/Vt)-1);

% curentul de saturaţie a celulei

Vdm = Vt*log(Idm/Io+1);

% tensiunea diodei la MPP

Rs = (Vdm-Vmpc)/Ir;

% rezistenţa serie a unei celule

Rd = (Rmpp - Rs)*Rp/(Rp-Rmpp+Rs);

% rezistenţa recalculată a diodei

Idm = Vt/Rd;

% curentul diodei la MPP calculat după rezistenţa recalculată

Rp = Vdm/(Isc-Ir-Idm);

% recalcularea rezistentei de şunt

end. Acest cod determină iniţializarea celulei şi funcţionarea acesteia. Acest cod face parte din masca subsistemului. Codul Matlab compilează codul, inclusiv acel FOR, calculând parametrii de circuit în fiecare moment dat. Parametrii care variază[mod2] mereu sunt curentul de saturaţie I S , rezistenţa internă a celulei R S şi rezistenţa de şunt R P , care determină pierderea de curent. Parametrii menţionaţi şi toţi ceilalţi care sunt necesari la implementarea funcţiilor din blocuri sunt determinaţi de primii patru parametrii introduşi în fereastra de dialog a blocului: ISC , I r , V OC , V r .

57 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Fig. 3.13 : Subsistemul PV1

Modelul de bază este făcut pe principiul unei celule căruia i se modifică curentul pentru a se determina tensiunea aferentă. Blocul de constrângere algebrică are rol de a calcula I PV funcţie de tensiunea care iese din modulul fotovoltaic[mod2]. În blocul de însumare se calculează diferenţa dintre temperaturile T C şi T Ref pe care o numesc ∆T.

Fig. 3.14 : Sub-subsistemul principal al modulului fotovoltaic.

În acest subsistem avem 3 intrări (IPV , expunerea λ în W, ∆T – diferenţa de temperatură faţă de referinţă) şi 2 ieşiri (V PV şi P PV ). După cum se poate observa, calculul tensiunii se face recursiv, incremental, prin reacţie negativă, devenind o buclă de reglare pentru soluţia găsită de blocurile SOLVE. Acest bloc primeşte un semnal la intrarea sa, pe care o drept o funcţie f(z). Ca să poată determina pe z, care este ieşirea blocului, egalează de mai multe ori f(z) cu 0, şi caută o soluţie pentru această ecuaţie. Blocul, pentru a funcţiona corespunzător, necesită o buclă de reacţie negativă 58 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

care să prelucreze semnalul z, şi astfel, în funcţie de variaţia intrării, acesta poate „învăţa”

funcţia şi scoate la ieşire valoarea corectă a lui z. În acest caz, în sub-subsistem, f(z) este curentul debitat de celulă, care se întoarce prin recalcularea termenilor care îl determină. Toată implementarea teoremei 1 a lui Kirchhoff, menţionată mai devreme are loc în zona celor trei blocuri sumatoare. Semnalul I PH întră într-un bloc sumator, din acesta scăzându-se valoarea lui IPV , apoi se scade valoarea sumată a termenilor, din teoria lui Kirchhoff, V d /R P şi ID .

Fig. 3.15 : Implementarea teoriei 1 a lui Kirchhoff

Faţă de [mod2] eu am mai adăugat în sistem variaţia funcţie de temperatură şi am eliminat dioda de by-pass, care nu îşi avea rostul în aplicaţie.

Fig. 3.16 : Calcularea curentului I PH

Aceasta este contribuţia mea efectivă la îmbunătăţirea sistemului din [mod2], printre multe alte îmbunătățiri. 59 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

În această parte din sistem se implementează ecuaţia: 𝐼𝑃𝐻 = [𝐼𝑆𝐶 − 𝐾𝑖 ∗ ∆𝑇]𝜆

Blocul „curent prin diodă” calculează valoarea curentului ce trece prin diodă calculat prin funcţia implementată : Io*(exp(u/Vt)-1) ; unde u este intrarea V d La ieşirea din ultimul bloc sumator avem valoarea V d a unei singure celule din întregul modul, astfel valoarea aceasta se înmulţeşte cu valoarea N S calculată în codul de iniţializare a blocului. Datorită blocurilor [mod2] amplasate la intrarea blocului PV1 şi a celor de la ieşire, din sistemul principal, se pot trasa caracteristicile I-V şi P-V la diferite valori ale expunerii, prezentate în capitolul următor.

60 |

Cap 3 – Studiu de caz

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010 CAP 4. REZULTATE ŞI CONCLUZII 4.1 Rezultatele simulării Pentru modelul celulei varianta 1 am testat cu valori aleatorii pentru parametrii, şi apoi cu valori pentru panoul Solarex MSX 60 care are următoarele specificaţii la condiţii STC[mod1]: − Puterea maximă : 60W − Voltaj la puterea maximă : 17.1V − Curent la puterea maximă : 3.5A − Curent de scurtcircuit : 3.8A − Tensiunea de mers în gol : 21.1V − Coeficientul termic al curentului de scurtcircuit : 3mA/oC − Efectul aproximativ al temperaturii asupra puterii : -0.38W/oC − Temperatura nominală de funcţionare : 49OC − Factor ideal : 1.1 Cu aceşti parametrii, la expunerile 1000, 800, 600 W/m2, la temperatura de 25oC a rezultat următorul grafic:

Fig. 4.1 : Caracteristica I-V pentru Solarex MSX 60 – model celulă 1

61 |

Cap 4 – Rezultate şi Concluzii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Se poate observa pe grafic comportamentul linear a curentului până la 17V. Valoarea curentului se stabilizează aproape de valoarea curentului de scurtcircuit, aceasta datorită

ignorării rezistenţei de şunt, care determină scurgerea unei părţi din curent către masă. Tensiunea maximă la care celula mai generează curent este egală cu tensiunea de mers în gol, datorită ignorării rezistenţei serie.

Fig. 4.2 : Caracteristica P-V a panoului Solarex MSX 60 la 1kW/m – model celulă 1 2

Datorită faptului că nu avem pierderi de curent sau tensiune, celula fiind teoretic ideală, puterea maximă la expunere de 1000W/m2 ajunge peste cea specificată de producător, ajungând până la 67W, cu 7W mai mult decât real.

Fig. 4.3 : Caracteristica I-V a panoului Solarex MSX 60 – temperaturi diferite – model celulă 1

62 |

Cap 4 – Rezultate şi Concluzii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Şi în cazul unui model ideal, se poate observa că temperatura are clar o influenţă asupra performanţele echipamentelor. Modelul fiind ideal, tensiunea maximă nu suferă mari variaţii, în schimb, se poate observa scăderea valorii lui VMPP şi, totodată, scăderea curentului. Nu tot timpul poţi spune că producătorul specifică toţi parametrii modulului. În majoritatea fişelor de caracteristică a modulelor fotovoltaice nu apar decât câţiva parametrii, printre care se numără VOC, ISC, VMPP, IMPP, PMPP, TREF. Pentru aceste situaţii am ales metoda #2 de modelare a unei celule, bazându-mă pe studiile din [mod2]. Pentru a se putea face o comparaţie între cele două variante, voi folosi acelaşi modul MSX 60.

Fig. 4.4 : Caracteristica I-V la diferite expuneri a MSX 60 – model celulă 2

În cazul celei de-a doua modelări, se ţine cont de rezistenţa internă RS şi de cea de şunt RP, şi de aici rezultă neliniaritatea caracteristică celulei în ceea ce priveşte curentul efectiv debitat de aceasta. Se poate observa că valoarea curentului ajunge la ISC numai când V=0, în restul momentelor, curentul scade uşor până în momentul în care ajunge aproape de punctul de putere maximă unde începe să scadă puternic. Această scădere continuă până curentul ajunge la valoarea zero, unde dăm de tensiunea de mers în gol, care este atinsă doar în condiţii STC. În acest grafic, fiecare caracteristică a fost trasată la o diferită expunere: 1000, 800, 600, 400, 200 W/m2. Se poate observa cum valoarea curentului ISC scade mult mai puternic decât valoarea tensiunii VOC. Acest rezultat este foarte aproape de realitate.

63 |

Cap 4 – Rezultate şi Concluzii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Fig. 4.5 : Caracteristica P-V a panoului Solarex MSX 60 la diferite expuneri – model celulă 2

La fel ca în situaţia caracteristicii I-V, funcţie de aceleaşi expuneri diferite, se observă o scădere enormă de putere odată cu radiaţia solară. Spre deosebire de modelul 1, modelul real prezintă puterea maximă a celulei, la 1kW/m2, ca fiind egală cu 60W, exact cât specifica producătorul.

Fig. 4.6 : Caracteristica I-V a panoului Solarex MSX 60 – temperaturi diferite – model celulă 2

64 |

Cap 4 – Rezultate şi Concluzii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

În figura 4.6 sa trasat din nou caracteristica I-V, ca expunerea de 1kW/m2, dar la temperaturile 15, 25, 40, 70 şi 100oC. caracteristica cu cea mai mare putere este cea trasată la temperatura de 15oC. În această situaţie, curentul ajunge uşor peste 3.8A, curentul ISC specificat de producător. Aceasta dovedeşte faptul că la temperaturi foarte mici, panourile funcţionează mult mai bine. 4.2 Concluzii Majoritatea concluziilor le-am trasat în capitolul 3 şi subcapitolul 3.1. Principala realizare este reuşita modelării funcţionării celulelor în două moduri diferite, ţinând cont de diferite elemente, şi observarea veridicităţii afirmaţiei că funcţionarea unei celule fotovoltaice este neliniară. O a doua mare realizare este dobândirea unor cunoştinţe noi, prin studiul sistemelor fotovoltaice. Modelarea #1 a fost făcută ţinând cont de mulţi parametrii, pe care nu este sigur că producătorul le va asigura. Totodată, modelarea #1 se bazează pe modelul diodei ideale ale celulelor, obţinut prin echivalarea celulei cu un circuit electric simplu, care nu ţine cont de rezistenţa internă a celulei şi nici de rezistenţa de şunt, care apare în paralel cu dioda. Din această cauză, şi rezultatele modelării sunt uşor ireale, curentul nemenţinând în realitate o valoare egală cu cea a ISC, şi nici puterea neputând să ajungă la valori mult mai mari decât cele specificate de producător, în condiţii STC. Modelarea #2 a fost făcută ţinând cont de parametrii cei mai des întâlniţi în cataloagele de produse a marilor producători de sisteme fotovoltaice. Această modelare nu se bazează pe modelul diodei simple, ci pe modelul diodei extinse, sau reale, în care apare atât o

rezistenţă internă a celulei RS, cât şi o rezistenţă de şunt RSH sau RP. Astfel, şi rezultatele simulării funcţionării celulei prin metoda 2 sunt semnificativ mai bune, mai reale şi mai line decât cele rezultate prin metoda 1. Rezistenţele îşi fac simţită prezenţa, chiar dacă valorile lor sunt relativ nesemnificative. Valorile specificate de producător sunt atinse cu o acurateţe incredibilă. Modelul diodei extinse este mult mai complicat de modelat, dar poate duce la o modelare a unui supersistem cu o acurateţe mult mai mare şi poate ajuta la calcularea rapidă a parametrilor fotocelulei. Caracteristicile I-V şi P-V variază semnificativ atât în cazul variaţiei intensităţii radiaţiei solare λ, cât şi în cazul variaţiei temperaturii joncţiunii p-n. Datorită studiilor realizate [eee07], mai multe module ,care se dovedesc a fi neliniare, cum ar fi şi normal, legate în paralel şi care suferă umbriri parţiale sau totale, 65 |

Cap 4 – Rezultate şi Concluzii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

determină o scădere per total a întregului sistem. Din această cauză este importantă modelarea sistemelor de MPPT individuale pe panouri, care să ducă la o creştere eficienţei sistemelor

fotovoltaice. Modelarea unui sistem MPPT în mediu Simulink va face cel mai probabil obiectivul unei viitoare lucrări a subsemnatului. Un sistem fotovoltaic bine gândit, are o importanţă enormă în viitorul nostru, că privim viitorul nostru individual sau colectiv. În ceea ce priveşte individualul, putem vorbi despre utilizarea casnică a tehnologiei. În utilizarea casnică panourile solare au o importanţă mai mare în cazul locuinţelor izolate fără racord la reţeaua de curent alternativ. În general în sistemele mai evolute, opţional pe lângă panouri se mai montează şi sisteme alternative de curent, cum ar fi un generator electric pe combustibil fosil sau sisteme electrice eoliene, care au o eficienţă foarte mare. Dacă vorbim despre beneficiile tehnologiei fotovoltaice la nivel de colectiv, vorbim despre utilizarea industrială. Panourile solare pot fi şi sunt utilizate pe scară tot mai largă la producerea de curent electric, ca surse principale/secundare de curent electric în cazul clădirilor sau uzinelor. Centrale solare sunt un alt mod de a ne gândi la nivel de colectiv. Am prezentat această tematică în subcapitolul 1.4. Avantajul cel mai semnificativ al tehnologiei îl reprezintă faptul că, cel puţin teoretic, celulele au durata de viaţă nelimitată, însă putem lua în considerare şi ca au un cost de întreţinere foarte scăzut. Investiţia iniţială este marele dezavantaj al tuturor sistemelor energetice alternative, şi inclusiv a celor bazate pe panouri fotovoltaice. Însă aceasta se amortizează în timp, astfel încât pe mai mulţi ani, instalarea unui astfel de sistem este un lucru recomandat, şi poate va fi imediat avantajos, prin scăderea costurilor de producţie şi creşterii eficienţei. Cu toate că avem tehnologia, noi trebuie să ne gândim bine cum să o folosim în scopuri bune şi cum să o îmbunătățim mereu şi cât mai repede , pentru a trăi din ce în ce mai bine. Pentru aceasta, noi trebuie să fim:

IMPREUNĂ PENTRU O LUME MAI BUNĂ !!!

66 |

Cap 4 – Rezultate şi Concluzii

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010 BIBLIOGRAFIE

1. [mod1] Development of generalized photovoltaic model using Matlab/Simulink, 2008, San Francisco, USA - Huan-Liang Tsai, Ci-Siang Tu, and Yi-Jie Su, Member, IAENG 2. [tys] Design and simulation of photovoltaic super system using Simulink - Tyson DenHerder 3. [salim09] GCREEDER 2009, Amman-Jordan, March 31st – April 2nd 2009 1, Efficiency Model Of DC/DC PWM Converter Photovoltaic Applications, Salima. Kebaili, Department of Electrical Engineering, Oum El Bouaghi University, Algeria;Achour. Betka, Department of Electrical Engineering, Biskara University, Algeria 4. [bal07] Prof. dr. ing. Mugur Bălan, Universitatea Tehnică din Cluj Napoca , UT PRES in anul 2007, cap 2; cap 5 5. [wikie] http://en.wikipedia.org/wiki/ 6. [wikir] http://ro.wikipedia.org/wiki/ 7. [7] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm 8. [8] http://www.energianoastra.ro/index.php?id=19 9. [9] http://www.lpelectric.ro/ro/support/cell_solar_ro.html 10. [10] http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83 11. [11] http://www.naturenergy.ro 12. [12] http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell 13. [13] http://www.3nanosae.org/?section=22, 3nanosae.pdf, Efectul fotovoltaic şi Celule solare, pag 18-19. 14. [14] http://facultate.regielive.ro/cursuri/energetica/surse_regenerabile-63174.html 15. [15] http://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/AE_I-V_curve.html 16. [eee07] Topology Study of Photovoltaic Interface for Maximum Power Point Tracking, Weidong Xiao, Student Member, IEEE, Nathan Ozog, Student Member, IEEE, and William G. Dunford, Senior Member, IEEE, 2007 17. [mod2] PV Module – Simulink Models, ECEN 2060, Srping 2008 18. [man09] De la energie solară la energie electrică, Energii neconvenţionale, Man Daniel Marius, 2009 19. [rev03] Revista Tehnica Instalaţiilor nr. 5/2003

BIBLIOGRAFIE

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

20. [curs1] Studiul dispozitivelor optoelectronice bazate pe efectul fotovoltaic, Laboratoare, Universitatea

tehnică

"Gh.

Asachi",

Facultatea

de

fizică,

Iaşi,

Romania,

http://www.phys.tuiasi.ro/Laboratoare/ac/lab10.pdf 21. [curs2] Curs Solar, autor necunoscut, http://facultate.regielive.ro/cursuri/energetica/surse_regenerabile-63174.html 22. [22] http://www.beyondoilsolar.com/pvorientation.htm 23. [23] Catalog produse solare Suntech - STP005S-12Db 24. [24] Marius M. Balas, Valentina E. Balas – The Fuzzy Interpolative Control for Passive Greenhouses, H.-N. Teodorescu, J. Watada, and L.C. Jain (Eds.): Intelligent Systems and Technologies,

SCI

217,

Vol.

217,

pp.

http://www.springer.com/engineering/book/978-3-642-01884-8.

BIBLIOGRAFIE

219–231,

2009,

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010 ANEXE ÎNCADRAREA PANOURILOR FOTOVOLTAICE ÎN SISTEMELE CU ENERGII REGENERABILE

A1

Sisteme cu energii regenerabile

Un sistem cu energii regenerabile nu apelează la infrastructurile energetice convenţionale, reţele electrice, de gaze, etc. utilizând doar sursele de energie regenerabile: solară, eoliană, geotermală, etc. Importanţa acestor sisteme este evidentă, întrucât energiile regenerabile sunt practic gratuite si nepoluante. Totuşi, cu excepţia energiei geotermale, energiile regenerabile ridică probleme mari în utilizare din cauza caracterului lor inconstant. Soluţia fundamentală de rezolvare a cestei probleme o reprezintă sistemele cu mai multe surse de energie neconvenţionale, de preferinţă complementare. Pentru energia solară sursa complementară cel mai des utilizată este energia eoliană, dar numărul de arhitecturi posibile creşte in continuu, ca rezultat al cercetărilor care se desfăşoară continuu [24]. Uns sistem cu energii regenerabile binecunoscut, aflat în acest moment in plină dezvoltare tehnologică şi economică este casa pasivă. Casa pasivă utilizează în principal energia geotermală a apelor freatice reci, care poate fi exploatată cu ajutorul pompelor de căldură. Pe lângă pompa de căldură casa pasivă mai poate include panouri solare termice sau fotovoltaice, generatoare eoliene, arzătoare cu biogaz şi alte surse de energie. Un sistem asemănător în principiu, propus şi cercetat în cadrul Universităţii „Aurel Vlaicu” din Arad, este sera pasivă [24]. Serele pasive, ca şi casele pasive, sunt independente de orice sursă convenţională de energie: gaz, combustibili fosili, electricitate, apă caldă, etc. Ele se bazează exclusiv pe surse de energie regenerabilă: soare, vânt, geotermala, biogaz, etc. Structura unei sere pasive se observă în figura următoare. Principala sursă de căldură este pompa de căldură, în varianta constructivă cu două puţuri. Pompa preia apa freatică din puţul 1 (cald), extrage din ea o cantitate de căldură care îi scade temperatura cu câteva grade, după care o evacuează în puţul 2 (rece). Energia extrasă este transferată unui circuit intern închis în care cantitatea de apă este mai mică, iar temperatura suficientă pentru a încălzi interiorul serei. Pompa de căldură poate funcţiona şi în regim invers, de răcire a serei. a|

ANEXE

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Fig. 1 : Sera pasivă

Energia geotermală este preluată de apa freatică pe măsură ce parcurge traseul dintre puţul 2 şi puţul 1. Această variantă constructivă cu circuit extern deschis este aleasă deoarece sera are nevoie de apa freatică şi pentru udarea plantelor. În cazul caselor pasive, cel mai adesea circuitul extern este închis, adică realizat dintr-o reţea de tuburi îngropate în sol, prin intermediul căreia se face schimbul de căldură dintre sol şi pompa de căldură. Pentru a se obţine circulaţia agentului termic din circuitul intern este necesară prezenţa unei pompe electrice de recirculare. Pentru alimentarea acestei pompe se cheltuiesc 15-20% din energia extrasă de pompa de căldură. Pentru a se putea obţine o seră pasivă această energie va trebui furnizată tot de către surse de energie neconvenţionale. În cazul serei pasive aceste surse sunt generatorul eolian şi panourile fotovoltaice, la care se poate opţional adăuga un arzător cu gaz/biogaz. Arzătoarele cu gaz sunt deseori utilizate şi în serele convenţionale, cu dublu rol: sursă de încălzire suplimentară în momentele în care sursa principală este insuficientă şi mai ales sursă de bioxid de carbon, care este materia primă din care plantele sintetizează ţesutul vegetal, prin procesul de fotosinteză. Prin creşterea concentraţiei de carbon din atmosferă se obţin creşteri de producţie semnificative. Pentru stocare şi gestionarea energiei electrice sera pasivă dispune de o baterie de acumulatori de curent continuu.

b|

ANEXE

A2

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Rolul panourilor fotovoltaice în sera pasivă

Rolul principal al panourilor fotovoltaice în sistemele energetice este acelaşi ca şi în cazul serei pasive: captarea energiei solare. În cazul serei energia se utilizează la recircularea apei din circuitul extern al pompei de căldură. Pe lângă acesta, energia electrică este necesară şi alimentării echipamentelor pentru funcţii auxiliare de conducere automată, monitorizare şi telecomunicaţie care sunt necesare operării serei. Acest rol este împărţit cu generatorul eolian. Problema cheie ridicată de panourile voltaice este reprezentată de costurile ridicate ale investiţiei. În cazul serei pasive doar maximum 20-25% din energia maximă necesară serei trebuie furnizată de panouri, astfel că investiţia devine posibilă, dar optimizarea ei este în orice caz necesară, în sensul alegerii cât mai adecvate a numărului şi a tipurilor de panouri utilizate. Pentru optimizare este necesară modelarea şi simularea sistemului pentru diferite situaţii care pot apărea în exploatare. Pe lângă furnizarea de energie, panourile solare pot însă îndeplini şi un al doilea rol: umbrirea plantelor în momentele în care intensitatea radiaţiei solare este foarte mare. Din experienţa utilizatorilor serelor, se cunoaşte că efectul de seră poate ridica temperatura din seră cu peste 10-15 oC faţă de temperatura mediului. Dacă pe durata perioadelor de frig acest fenomen este benefic, în cea mai mare parte a anului supraîncălzirea serei trebuie evitată, deoarece în regim de supraîncălzire plantele îşi opresc dezvoltarea şi se pot chiar îmbolnăvi.

Fig. 2 : Acoperiş rabatabil şi perdea de protecţie în poziţie retrasă

c|

ANEXE

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

O soluţie clasică pentru evitarea supraîncălzirii este reprezentată de instalarea unei

perdele mobile semitransparente deasupra plantelor. Ea umbreşte parţial plantele şi evită supraîncălzirea. Dimineaţa şi seara perdeaua mobilă este retrasă. Ea se desfăşoară şi pe durata nopţilor reci, pentru a contribui la formarea unui strat de aer izolator în vecinătatea plantelor. Instalând panouri solare în locul perdelei mobile se obţine un efect asemănător, de

evitare a supraîncălzirii. Pentru aceasta panourile solare trebuie să fie orientabile, adică să fie montate pe suporturi mobile, care să permită atingerea a două poziţii de funcţionare: - panouri desfăşurate, astfel încât ele să umbrească plantele şi să capteze cât mai multă energie solară; - panouri retrase, astfel încât să permită o iluminare cât mai bună a plantelor. Prin exploatarea acestui efect panourile solare pot contribui la reglarea temperaturii din seră. Este de remarcat că în acest fel reglarea temperaturii serei pe perioadele de temperaturi normale sau crescute, nu consumă ci produce energie. Pentru ilustrarea acestei posibilităţi se prezintă în figurile următoare evoluţia naturală a efectului de seră în cazul unor temperaturi ambiante medii şi modul în care el poate fi controlat prin metode pasive energetic: umbrirea cu panouri solare şi ventilarea naturală. Te [grd. C]

30 20 10 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4

400

Ls [W/m 2 ]

4.5 x 10

200

0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4

40

Ti [grd. C]

4.5 x 10

20

0

0

0.5

1

1.5

2 2.5 time [s]

3

3.5

4

4.5 4

x 10 Fig. 3 : Efectul de seră în cazul unor temperaturi ambiante medii (date reale – Toulon)

d|

ANEXE

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

3

F

2 1 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4

SPAC

1

x 10

0.8 0.6 0.4

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5 4

30

Ti [grd. C]

4.5

x 10

20 10 0

0

0.5

1

1.5

2.5 2 time [s]

3

3.5

4

4.5 4

x 10 Fig. 4 : Reglarea temperaturii prin umbrirea plantelor cu panouri solare şi ventilaţie naturală

În simularea din figură [24] este prezentat cazul unei sere pasive identice cu sera Universităţii din Toulon, la care în prima fază apare o supraîncălzire importantă datorată efectului de seră. La o temperatură ambiantă de aproximativ 20 oC în seră se ajunge până la 38 oC, ceea ce este inacceptabil. În ipoteza că plantele pot fi umbrite printr-un regulator adecvat (SPACT) şi că ventilaţia naturală poate fi de asemenea pornită sau oprită (F), putem menţine o temperatură de cca. 20 oC în seră doar prin ventilaţie naturală şi apoi prin umbrire (desfăşurarea panourilor solare) atunci când ventilaţia nu mai este suficientă. Regulatoarele utilizate sunt secvenţiale, de tip releu, care pot fi implementate cu uşurinţă fie prin circuite de electronice specializate fie prin automate programabile (PLC). Dimensionarea precisă a panourilor fotovoltaice precum şi optimizarea funcţională şi economică a întregului sistem se pot realiza cu ajutorul modelării matematice şi a simulărilor pe calculator, pentru diferite scenarii semnificative în funcţionarea sistemului. Dispunând de modelul panourilor fotovoltaice si de modelul serei pasive, devine posibilă dimensionarea optimă a surselor de energie regenerabilă, astfel încât investiţia să fie minimă iar funcţionarea adaptată climatului locaţiei serei. e|

ANEXE

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010

Principalele reguli de conducere a acestui sistem cu energii regenerabile sunt următoarele:

1. Când temperatura exterioară este mai mică decât temperatura impusă în seră pompa de căldură trebuie pornită. 2. Când temperatura exterioară este mult mai mare decât temperatura impusă în seră, pompa de căldură trebuie pornită în regim de răcire. 3. Când temperatura exterioară este scăzută iar temperatura internă mai mică decât temperatura impusă, ventilaţia trebuie oprită. 4. Când temperatura exterioară este medie iar în interior este prea cald ventilaţia trebuie pornită. 5. Când vântul este puternic iar acumulatorul nu este încărcat generatorul eolian este conectat pentru a încărca acumulatorul. 6. Dacă radiaţia solară nu este prea puternică panourile solare trebuie poziţionate astfel încât plantele să fie luminate. 7. Când temperatura exterioară este mai mare decât temperatura impusă iar iluminarea naturală puternică, panourile fotovoltaice trebuie să umbrească plantele, situaţie în care panourile întră în funcţiune ca generatoare la potenţialul maxim care poate fi atins funcţie de expunere. Dacă luăm în calcul datele reale de la Toulon, puterea maxim generabilă de un modul Solarex MSX60, la ora 14, este de 24W, dar un panou având o suprafaţă de 0,55m2, folosindu-se suficiente panouri pentru umbrire, se poate ajunge la o putere de ordinul kW. 8. Dacă temperatura exterioară este scăzută iar temperatura internă mai mică decât temperatura impusă iar vântul este puternic şi acumulatorul încărcat, generatorul eolian încălzeşte sera. Aceasta este o situaţie de urgenţă.

f|

ANEXE

Sisteme fotovoltaice si modelarea lor 2010 DATE TEHNICE PANOU SOLAR SOLAREX MSX 60 (+ MSX 64) DIN DATASHEET

g|

ANEXE

Universitatea ,,Aurel Vlaicu’’ Arad Facultatea de Inginerie Secţia: Automatică şi Informatică Aplicată

DECLARAŢIE

Subsemnatul …………………………………………..….., absolvent al Facultăţii de Inginerie, din cadrul Universităţii „ Aurel Vlaicu” din Arad, specializarea „Automatică şi Informatică Aplicată” declar pe propria răspundere că acest proiect de diplomă, cu titlul ………………………………………………………………………………………………….. a fost realizat în întregime de mine şi cuprinde: Pagini scrise: Capturi imagine: Tabele: Coduri sursă: Diagrame:

Arad …………………….

Semnătura ………………………………