CENTRALE ELECTRICE FOTOVOLTAICE

1. Generalitati

Notiuunea de Centrala Electrica Fotovoltaica poate fi asociata ca fiind un sistem de producere a energiei electrice numai cu panouri solare (fotovoltaice).

Astfel o centrala electrica fotovoltaica este compusa din mai multe parti si anume :

panouri solare ( reprezinta sursa de energie a centralei PV );

invertor DC / AC ( efectueaza conversia DC -> AC

baterii ( folosite pentru inmagazinarea energiei electrice produse, pentru utilizarea ulterioara a acesteia in caz de nefunctionare a panourilor PV )

controler de incarcare a bateriilor (protejeaza bateria/acumulatorul impotriva supraincarcarii sau descarcarii excesive )

componente de natura electica pentru distibutia energiei, pentru protectie, etc.

( ex : tablou electric, sigurante fuzibile, declansatoare, etc)

O schema bloc care sa prezinte iin mare o centrala fotovoltaica ar fi urmatoarea:

In general un sistem de energie fotovoltaic (centrala fotovoltaica) este compus din 3 subsisteme:

1) Partea generarii de energie, formata din dispozitivul fotovoltaic

2) Partea folosirii energiei produse, reprezentata de sarcina

3) Un al trilea subsistem dispus intre cele doua prti menit sa alimenteze sarcina la parametrii imusi

Astfel figura urmatoare prezinta elementele necesare aducerii energiei create de un sistem PV la sarcina consumatoare ( in cazul de fata o casa ).

Sistem PV autonom

Cea de-a doua varianta posibila de realizare a une configuratii este reprezentata de sistemul PV racordat la reteaua electrica cu posibilitatea de generare in sistem a surplusului de energie produsa.

Sistemul PV poate produce electricitate, (convertita in curent alternativ CA de un invertor) in timpul zilei. Surplusul de energie poate fi vandut retelei in timpul zilei, iar reteaua poate i n schimb sa asigure electricitate noaptea sau in conditii meteo improprii.

Structura mai contine structurile de montare a panourilor si invertoarelor care ajusteaza si transforma curentul continuu in curent alternativ necesar .

2. Electricitate de la sisteme PV nelegate la retea

Aprovizionarea cu energie electrica a zonelor rurale este adesea asociata cu preturi ridicate din partea distribuitorilor decat daca aceasta energie ar proveni de la surse hibride. Reteaua electrica in zonele rurale, izolate, ar fi ineficienta din punct de vedere economic datorita consumului redus. Sistemele izolate de retea, cu o singura sursa sau hibride, pot fi in unele cazuri alternativa economica la retelele electrice.

Energia electrica izolata de retea poate fi generata de sisteme cu o singura sursa folosind celule fotovoltaice, generatoare eoliene, centrale hidroenergetice mici sau de generatoare diesel, sau combinate cu doua sau mai multe din aceste tipuri de surse formand sisteme hibride. Sistemul adesea contine dispozitive de inmagazinare cum ar fi bateriile plumb-acid. Un sistem hibrid izolat de retea poate oferii energie de tensiune continua sau alternativa, sau chiar pe amandoua. Pentru a transforma unul din tipurile de energie, continua sau alternativa, in celalalt se folosesc convertoare. Dispozitive de

control pe componente sau pe intreg sistemul sunt folosite pentru a regla operatiile generale.

Un tip de sistem izolat de retea este un sistem solitar, care este nelegat la reteaua electrica, astfel evitand posibilitatea lipsei energiei in momentul in care reteaua electrica pica. Energia generata poate fi inmagazinata in baterii pentru a fi folosita pe timp de noapte sau in zilele fara soare.. Pentru aplicatiile fotovoltaice, marimea sistemului izolat este in general de pana la 50kW, si pentru sistemele eoliene nelegate la retea aplicatiile sunt in general de 100kW sau mai putin.

2.1 Sisteme izolate de retea

Energia, alaturi de apa, transport, educatie si alti factori care sunt necesare dezvoltarii, reprezinta o parte din serviciile, adesea, necesare in zone izolate pentru a contribuii la dezvoltarea rurala.

Pretul surselor conventionale de energie in zone izolate, cum ar fi lumanari, parafina, gaz, carbune, baterii, este adesea mult mai scump decat in zonele urbane datorita izolarii. Mai mult costul serviciului electric este mult mai scump decat la orase

Mai sunt si alti factori legati de distributia clasica de energie in zonele izolate, cum ar fi, adesea lung, transportul necesar pentru a obtine combustibilii necesari si pericolul utilizarii si depozitarii lor.

3. Prezentarea componentelor unei Centrale Fotovoltaice

3.1. Structurile de montare ale panourilor solare si panourile PV

Panourile trebuiesc montate pe structuri stabile si durabile care le pot sustine greutatea si sa reziste vantului, ploii si altor conditii adverse. Cateodata structurile sunt proiectate sa urmareasca miscarea soarelui. Dar structurile fixe sunt mai folosite, impreuna cu sistemele plate.     Aceste structuri inclina panoul PV la un unghi fix determinat de latitudinea locatiei, cererea sarcinii si de disponibilitatea soarelui. Printre variantele de structuri pentru montare fixa, montarea pe gratar poate fi cea mai versatila si se poate construi usor si instalate pe sol sau pe acoperisuri inclinate sau drepte.

Eemplu de montare panouri pe sol

Eemplu de panou solar

Celulele panoului solar care sunt montate in siruri in serie sunt prevazute cu diode de deviere.Rolul acestor diode este faptul ca daca o singura celula este umbrita din motive variate, curentul prin intreg sirul va fi limitat, acesta va fi dat de curentul prin celula acoperita (care este evident mic). Un alt motiv ar fi degradarea celulelor datorita fie socurilor mecanice (se sparg) fie datorita asa ziselor puncte fierbinti cauzate de umbrire. Aceste 2 cauze transforma celula din generatoare in consumatoare, astfel ca se incalzeste.

Diodele de ocolire permit trecerea curentului prin cat mai multe celule neumbrite posibil. Caracteristica I - V a sirului este afectata de umbrire. Daca nu ar exista diode de ocolire atunci caracteristica ar arata ca in Figura (ROSU). Daca se monteaza diode de ocolire graficul se schimba (VERDE) fatta decaracteristica neumbrita (NEGRU) - Figurile 1,2,3,4

Figura 1. Sir de celule in sarcina

Figura 2. Sir de celule in sarcina - umbrite - fara diode de ocolire

Figura 3. Sir de celule in sarcina - umbrite - cu diode de ocolire

Figura 4. Caracteristicile I-V

Dispozitive de acumulare a energiei electrice

Sistemele de acumulare a energiei pentru alimentarea caselor izolate sunt cele electro-chimice.

Cu acumulare interna (exemplu Pb, NiCd, Li-Ion)

Cu acumulare externa

Acumulare in gaze (electroliza, celule de combustie)

Acumulare cu electrozi lichizi (vanadium redox)

Baterii primare cu regenerare externa (Zn-Aer)

Aceste tipuri de acumulatoare sunt convertoare reversibile de energie. Pot converti energia electrica in energiei chimica si invers. Energia este inmagazinata in ingrediente chimice. Ingredientele pot fi depozitate in interiorul convertorului sau intr-un container separat.

Exemple de acummulatori pentru stocarea energie produse

3.2.1.Acumulatori cu inmagazinare interna (bateriile chimice)

Bateriile chimice cum ar fi cele plumb-acid, nichel-metal-hibrid, lithium-ion si cele nichel-ion-polimer, apartin unui grup de acumulatori cu inmagazinare interna. Conversia energiei si inmagazinarea ei nu pot fi separate fizic in aceste tipuri de baterii. O bariera intre materialul activ su electrolitul reprezinta echivalentul unui convertor.

Principiul de functionare este asemanator la toate bateriile. Bateria este formata din celule conectate in serie. Celulele sunt alcatuite din doi electrozi si materialul activ, care sunt imersate in electrolit. Bateriile difera unele fata de altele prin materialul electrozilor si tipul de electrolit. Procesul de incarcare poate fi inteles in general ca o acumulare de material activ in jurul electrozilor. Energia este eliberata apoi prin procesul de descarcare.

In functie de materiale, celulele difera in numarul de cicluri, densitatea energetica, timpul de incarcare, rezistenta interna, pretul, etc. Alegerea tipului bateriei care va fi folosit in fiecare loc in parte va fi facuta in functie de conditiile de lucru si cele economice.

3.2.2 Baterii plumb-acid

Aceste tipuri de baterii se folosesc de peste 100 de ani pentru acumularea energiei electrice. Sunt cele mai utilizate tipuri de acumulatoare. Diverse tipuri de proiecte au fost create pentru diversele aplicatii. Aceste tipuri de baterii sunt cele mai ieftine in comparatie cu altele care au aceleasi caracteristici. Un dezavantaj major al bateriilor plumb-acid este continutul scazut de energie gravimetrica datorita densitatii mari plumbului.

Schita unei celule plumb-acid

Bateriile plumb-acid in starea de incarcare contin ca materiale active un electrod pozitiv cu dioxid de plumb (PbO2) si un electrod negativ cu plumb (Pb). Ambii electrozi sunt acoperitii de o grila din aliaj de plumb. Electrolitul folosit este acidul sulfuric (H₂SO₄).

Ecuatiile de reactie urmatoare descriu reactia principala.

Electrodul pozitiv

PbO₂ + 3H₊ + HSO₄^-+ 2e→ PbSO₄ + 2H₂O (7)

Electrodul negativ

Pb + HSO₄ → PbSO₄ + H⁺ +2e^-     (8)

Reactia celulei

Pb + PbO₂ +2H⁺ +2HSO₄ → 2PbSO₄ + 2H₂O     (9)

Valoarea normala a unei baterii plumb/acid este de 2V , iar valoare in circuit deschis a unei astfel de baterii este de 2,1V, functie de concentratia electrolitului. Potentialul pozitiv in circuit deschis al unui acumulator incarcat la maxim este de aproximativ +1,75V.

Bateriile plumb-acid sunt ieftine, sigure, si sunt reciclabile. Desii sunt ieftine, sunt foarte grele si limiteaza valoare energetica functie de greutate. Astfel nu pot fi folosite la alimentare unui vehicul in locul benzinei deoarece sunt foarte grele.

Bateriile plumb-acid nu ar trebui descarcate sub 80% din capacitatea de descarcare (DOD). Daca se scade sub aceasta valoare duce la scaderea vietii bateriei.

3.2.3 Baterii nichel-cadmiu

Bateriile nichel-cadmiu se gasesc pe piata de cativa zeci de ani. Au proprietati bune privind durata de viata si numarul de cicluri de incarcare/descarcare. Bateriile standard NiCd pot fi folosite la temperaturi de -20 si 0C. Totusi aceste baterii NiCd contin cadmiu care este un material nociv mediului inconjurator.

In comert se gasesc diverse tipuri de baterii NiCd cu diferente in tehnologia placilor si tratamentul gazelor. Reactia de baza este asemanatoare pentru toate bateriile NiCd.

2NiOOH + 2H₂O + Cd → 2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂     (10)

Electrolitul este hidroxidul de potasiu (KOH). Nu-si modifica concentratia

sau densitatea semnificativ in timpul incarcarii sau a descarcarii. Doar apa participa la reactie. Bateriile NiCd se gasesc cu electrolit lichid si sunt inchise ermetic.

Tensiunea nominala a unei celule NiCd este de 1,2V. Bateriile NiCd se pot descarca pana la valori mai mari, fara ca valoare accesibila sa scada cu mult sub capacitatea nominala. Chiar pentru o rata de descarcare de 5 C/5, o baterie de capacitate ridicata poate oferii 60% pana la 80% din capacitatea nominala. De asemenea influenta temperaturii asupra capacitatii este mica in comparatie cu bateriile plumb-acid. Totusi temperaturi de peste 400C ar trebui evitate. Atunci, eficienta incarcarii scade foarte mult si rata de autodescarcare creste semnificativ. Rata de autodescarcare la 200C este de aproximativ 20%/luna.Eficienta energetica este intre 60% si 70%, care este semnificativ mai mica decat la ce specifica bateriilor plumb-acid.

Celulele NiCd au o rezistenta interna mica. Valoare specifica a unei rezistente de curent continuu este de cativa ohmi. In conditii normale de functionare, o baterie NiCd poate ajunge pana la 2000 cicluri de descarcare la 100%. Durata de viata poate fi intre 8 si 25 de ani. Desii au proprietati electrice bune, piata acestor tipuri de baterii este mica pentru alimentarea sistemelor autonome datorita pretului ridicat. Bateriile NiCd au un pret aproximativ de trei ori mai mare decat bateriile plumb-acid.

3.2.4 Baterii Nichel-metal-hibrid

Materialul activ al electrodului pozitiv al unei baterii nichel-metal-hibrid (NiMeH sau NiMH) in starea incarcata este NiOOH, acelasi material ca si la bateriile NiCd. Materialul activ negativ in starea incarcata este hidrogenul ca si componenta a materialului hibrid.

Reactia pentru procesul reversibil de incarcare/descarcare este:

NiOOH + MH ↔ Ni(OH)₂ + M (11)

In celula, oxigenul poate fi transportat de la electrodul pozitiv la cel negativ si este recombinat acolo cu hidrogenul pentru a forma apa. Astfel, celulele pot fi folosite ca celule uscate si pot fi instalate in orice pozitie dorita. Tensiunea in circuit deschis este intre 1,25 - 1,35V/celula, si tensiunea nominala este de 1,2V. Eficienta este de aproximativ 80 - 90%. Puterea maxima este mai mica decat la bateriile NiCd. Autodescarcarea la 250C este de asemenea la aproximativ 20%/luna dar la 450C este de 60%/luna. Bateriile Nichel-metal-hibrid inlocuiesc bateriile NiCd pentru aplicatiile portabile datorita compatibilitatii mai bune cu mediul si a densitatii energiei gravimetrice mai mari.

Totusi nu se gasesc comercial pentru capacitati mai mari. Costul lor este de aproximativ cinci ori mia mare decat al bateriilor plumb-acid.

3.2.5 Baterii Lithiu-ion si Lithiu-ion-polimer

Bateriile lithiu sunt cele mai evidentiate baterii in ultimii anii. In prezent bateriile lithiu-ion si lithiu-polimer acapareaza piata dispozitivelor mobile. Nu se folosesc pentru sisteme energetice, chiar daca eficienta si rata de incarcare/descarcare este foarte buna, datorita pretului foarte ridicat pentru aceste sisteme unde densitatea energetica mare nu este importanta.

Reactia pentru procesul reversibil de incarcare/descarcare este:

Li1-xCoO2+CnLix → LiCoO2+Cn (tip cobalt) (12)

Li1-xMn2O4+CnLix → LiMn2O4+Cn (tip mangan) (13)

Bateriile lithium-ion moderne comerciabile in zilele noastre au o tensiune nominala de 3,6V. Electrolitul este un solvent organic cu saruri de lithiu solubile.

Comparativ cu bateriile NiCd sau NiMH, un dezavantaj al bateriilor lithiu-ion este acela ca sunt mai putin tolerante la lucrul cu intensitatii ridicate. Descarcarea la curenti mari este dificila. Nu au nici aceleasi cicluri de viata fata de bateriile NiCd sau NiMH.

Bateriile pe baza de lithiu necesita valorii constante pentru curentul sau tensiunea de incarcare. Comportamentul la reincarcare este foarte bun. Incarcarea bateriei in totalitate pentru a obtine durata de viata adecvata nu este necesara ca la bateriile plumb-acid. Dar valorile maxime ale tensiunii de incarcare trebuie urmarite foarte atent. Valoare maxima a tensiunii de incarcare este de 4,1V si nu trebuie depasita cu mai mult de 50mV. Mai mult, descarcare bateriilor pe baza de lithiu trebuie limitata la valoarea specifica materialului.Valoarea maxima de descarcare este de 2,3V-celula pentru cobalt si de 2,7Vcelula pentru mangan. Valoarea maxima a curentului de descarcare este de

aproximativ 2xC/5.

Un dispozitiv de acumulare a energiei cuprinde: bateriile, invertorul, chargerul, transformatorul, distribuitorul de curent alternativ si incinta care le va inmagazina.

Acumularea de energie cu bateriile are cateva avantaje. Deoarece sistemele pe baterii pot fi adaugate cu valori mici, astfel putand urmarii cresterea necesarului.

Acumularea de energie cu bateriile are beneficii dinamice datorita controlului tensiunii si frecventei si cresterii sigurantei sistemului. Pentru ca sunt mici si pentru ca sunt compatibile cu mediul pot fi amplasate langa surse astfel reducand pierderile sistemului.

Ca dezavantaj il reprezinta costul initial foarte ridicat. In prezent bateriile necesita inlocuiri la fiecare 8 pana la 10 ani.In prezent singura baterie pentru aplicatiile de acumulare a energiei in cantitate foarte mare este cea plumb-acid. Eficienta tipica este de aproximativ 72%, cu baterii de eficienta 78% si sisteme de conditionare e energiei de 94%.

3.3 Invertorul

Invertorul este dispozitivul care face conversia curentului continu DC in curent alternativ AC asigurand calitatea frecventei la 50Hz, deci ele fac conversia tensiunii de12V,24Vsau 48 V, provenita de la baterii, in tensiune 220Vca. In general exista  doua tipuri de invertoare:

 -  cu unda perfect sinusoidata (perfomante mult superioare in comparatie cu reteaua conventionala de energie)

-  cu unda sinusoidala modificata (unda este alternativa dar nu este sinusoidala, sunt mai ieftine )

Modelul SW este cel mai popular invertor pentru sisteme independente. Disponibil in modele de 24V/48V furnizeaza energie de calitate pentru cele mai multe echipamente electrocasnice.Acest echipament ofera foarte multe posibilitati de programare inclusiv pornirea/oprirea  automata a generatorului si sesizare automata a sarcinii. Are o costructie solida , complet automat , incarcarea bateriei in 3 trepte si a fost conceput pentru a incarca bateriile la maximum in timpul folosirii unui generator de rezerva extern.

Facilitati

Disponibil in variante de 3000 si 4500W

Curent electric superior celui furnizat din retea cu forma de unda sinusoidala

Costruit pentru functionare durabila in conditii extreme

Incarcare in 3 trepte ( incarcare in plin , absortie, incarcare de mentinere ) si egalizare de baterie. Avand sensor extern de temperatura pentru cresterea performantelor.

Modul de control programabil cu display LCD si indicatoare LED

Consum in asteptare mic (<1W) conservand energia cand in lipsa sarcinii.

Pornire silentioasa pentru sarcini cu consum ridicat.

Control integrat a pornirii pentru generatoare cu 1 si 3 faze

Cuplare in paralel pentru mai multa putere (se foloseste in echipament aditional) 

Configuartie in 3-faze disponibila pentru aplicatii industriale.

Invertorul din seria SW

Seria de invertoare DR furnizeaza current electric cu unda sinusoidala modificata pentru birouri, case, cabane si locatii isolate. Disponibile in modele de 1500W si 2400W si poate alimenta cele mai multe tipuri de aparate electrocasnice ce de exemplu lampi, televizoare, masini de calcul, frigidere, masini de spalat si unelte electrice. Invertoarele DR au toate functiunile automatizate.

Facilitati

• Silentios si mare eficienta in timpul utilizarii
• Panou frontal cu indicatoare LED si comutator ajustabil
• Posibiliatate de selectie pentru baterii cu acid, gel sau AGM (absorbed glass mat)
• Incarcare in 3 trepte ( incarcare in plin , absortie si incarcare de mentinere ) si egalizare de baterie.
• Circuit de protectie la supraincarcare , descarcare completa sau supra temperatura.
• Comutare rapida bidirectionala intre baterie si generatorul de rezerva
• Control distant si indicator (RC8)
• Senzor de temperatura BTS a bateriilor

Invertor din seria DR

3.4 Regulatrul de incarcare

Alegerea tehnologiei

Regulatorul de incarcare are rolul de a mentine bateria incarcata la capacitatea maxima si sa o protejeze impotrive descarcarii, dar nu poate gestiona si problemele de descarcare accidentala. Un astfel de regulator este deci suficient, daca nu exista riscul decarcarilor accidentale.

In cazul aplicatiilor casnice, de cele mai multe ori este necesar un regulator de incarcare-descarcare, deoarece utilizatorii pot frecvent depasi consumul prevazut. De aceea, este bine ca uneori sa se renunte la utilizarea unei parti a consumatorilor, pentru a permite bateriei de a se reincarca.

Alegerea tehnologiei regulatorului (serie, paralel sau MPPT) este in primul rand determinata de puterea sistemului fotoelectric si de tipul bateriei tampon. Regulatorul paralel, care disipa energia debitata de panouri in cazul supraincarcarii bateriei, este recomandabil in cazul sistemelor mici, regulatoarele serie fiind recomandate in cazul sistemelor de putere mare.

Dupa alegerea tehnologiei, regulatorul va fi dimensionat in functie de urmatoriiparametri:

- tensiunea nominala (12, 24 sau 48 Vc.c.): este tensiunea nomnala a campului fotoelectric;

- curentul de intrare: este curentul de incarcare maxim, pe care modulele il pot debita la un moment dat. Acesta trebuie sa poata fi suportat de regulator fara probleme.

De asemenea, pentru regulatoarele care asigura protectia la descarcare:

- curentul de iesire: curentul maxim total ce poate fi absorbit de consumatori, simultan. Depinde de modul de utilizare a consumatorilor.

Din punct de vedere al securitatii, se pot alege anumite optiuni, care nu sunt indispensabile, dar sunt recomandabile:

- o sonda independenta de temperatura, daca bateria de acumulatoare si regulatorul nu sunt la aceeasi temperatura.

- o masura suplimentara de tensiune, daca regulatorul si bateria de acumulatoare sunt distantate.

- o indicatie a tensiunii bateriei de acumulatoare si a curentului debitat de campul fotoelectric, pentru o mai buna monitorizare a instalatiei.

In faza de proiectare a sistemului, trebuie acordata atentie cablarii sistemului, pentru asigurarea unei anumite coerente. Practic, caderile de tensiune pe cabluri, pot determina neajunsuri in exploatarea instalatiei.

De asemenea, trebuie sa se verifice ca sectiunea cablurilor este compatibila cu diferitele componente alese. In caz contrar, se pot amplasa panouri intermediare de conexiuni.

Inainte de calculul sectiunilor cablurilor, trebuie realizata o schema electrica globala a instalatiei. De asemenea, trebuie sa se cunoasca destul de precis amplasarea fizica a componentelor, pentru a se reduce distantele intre componentele sistemului fotoelectric.

Pentru alegerea sectiunii cablurilor, se poate utiliza calculul caderii de tensiune, dat de legea lui Ohm:

ΔV = R * I,

in care

R = ρ * (l / s),

cu:

R - rezistenta [Ω];

I - lungimea cablului [m];

s - sectiunea [mm] conductorului;

ρ - rezistivitatea conductorului; pentru cupru, aproximativ 20 mΩ*mm/m.

3.5 Elementele electrice de distributie, protectie si legatura

Aceste elemente sunt reprezentate de : tabloul electric de distributie catre consumatorii casnici,sigurante fuzibile, conductoare din cupru pentru legaturi, prize, iintrerupatoere.