Sistem fotovoltaic

SISTEM FOTOVOLTAIC

1. Module fotovoltaice, [14]

Cea mai mica instalatie electrica formata din celule fotovoltaice interconectate in serie si/sau in paralel, incapsulate pentru a obtine o rezistenta mecanica mai mare si a proteja celulele impotriva mediului se numeste modul fotovoltaic Un numar de module fotovoltaice asamblate mecanic ca o unitate mai mare si conectate electric, se numeste panou sau camp de module.

Fig. 1. Constructia modulului fotovoltaic (a)

si incapsularea celulei fotovoltaice (b)

1 - suport; 2 - gauri pentru asamblare in panouri; 3 - cutie de borne

La proiectarea modulelor fotovoltaice se ia in consideratie folosirea frecventa a acestora pentru incarcarea acumulatoarelor electrice, tensiunea carora este de 12 12,5 V.

Constructia modulului fotovoltaice figura 1.a este, de obicei, dreptunghiulara, suportul se confectioneaza din aluminiu anodizat si separat de structura laminata a celulelor cu captuseala, care nu permite patrunderea umezelii. Celulele sunt protejate de actiunea conditiilor nefavorabile, care pot interveni pe parcursul exploatarii: ploaie, grindina, zapada, praf, etc., de un sistem ce consta dintr-un strat de sticla si minimum din doua straturi (din fata si din spate) din etilen vinil acetat EVA sau polivinil butirol PVB figura 1.b.

Pentru a obtine tensiunea si puterea necesara consumatorului de energie electrica modulele fotovoltaice pot fi conectate in serie, paralel sau serie-paralel figura 2. a, b, c.

La conectarea in serie a doua module fotovoltaice identice, curentul debitat consumatorului ramane acelasi, iar tensiunea creste de doua ori. In figura 2 a modulele fotovoltaice MF1 si MF2 conectate in serie incarca bateria de acumulatoare B_c. Punctul de functionare a sistemului module MF-B_c este punctul de intersectie M a caracteristicilor respective: a doua module conectate in serie si a bateriei de acumulatoare.

Diodele D1 si D2, numite diode de ocolire sau by-pass se conecteaza in paralel cu fiecare modul sau cu un grup de module conectate in paralel figura 2.a. In regim de functionare normala diodele D1 si D2 nu consuma energie.

Ele limiteaza incalzirea celulelor fotovoltaice si nu permite micsorarea intensitatii curentului daca un modul din circuitul consecutiv este mai putin performant sau este umbrit. Evident tensiunea circuitului in serie se va micsora.

Dioda D12, numita anti-retur se conecteaza in serie cu sarcina. Aceasta dioda evita situatia, cand modulul fotovoltaice poate deveni receptor, daca tensiunea generata va fi mai mica decat a acumulatorului.

Este evident ca ea introduce o cadere de tensiune de circa 0,5 V si corespunzator pierderi de energie. In figura 2.b se prezinta conectarea in paralel a doua module identice. Tensiunea generata ramane aceiasi, iar curentul creste de doua ori. Punctul de functionare al sistemului module fotovoltaice - rezistenta R este punctul de intersectie M a caracteristicilor amper-volt ale modulelor si consumatorului.

Fig. 2. Interconexiunea modulelor fotovoltaice

a - in serie; b - in paralel; c - in serie - paralel

Diodele anti-retur VD11 si VD12 nu permit ca un modul sau un grup de module unite in paralel sa treaca in regim de receptor, atunci, cand nu sunt identice sau cand sunt umbrite.

In schema din figura 2 c modulele PV1-PV2, PV3-PV4 si PV5-PV6 sunt unite in serie, dar intre ele - in paralel. Astfel, se obtine majorarea de doua ori a tensiunii si de trei ori a curentului. Evident, puterea instalatiei creste de sase ori. Diodele VD1-VD6 sunt diode de ocolire, iar VD12, VD34, VD56 - anti-retur.

Parametrii unui modul PV sunt determinati de parametrii celulelor din care este confectionat.

2. Sisteme fotovoltaice, [14]

2.1. Structura unui sistem fotovoltaic

Pentru asigurare continua a consumatorului cu energie electrica multe sisteme fotovoltaice contin acumulatoare de energie electrica.  Modulul fotovoltaic prezinta un generator de curent continuu (c.c.), dar adesea consumatorul de energie este de curent alternativ.

Energia electrica produsa pe cale fotovoltaica are un caracter variabil, alternanta zi/noapte, cer senin/ser acoperit provoaca variatia intr-o gama mare a fluxului de energie si a tensiunii generate de modulul fotovoltaic.

Astfel, apare necesitatea conditionarii fluxului de energie, folosind convertoare electronice: c.c./c.c., care indeplineste si functia de monitorizare a procesului incarcare/descarcare a acumulatorului, c.c./c.a pentru transformarea curentului continuu in curent alternativ.

Pentru a evita supradimensionarea generatorului fotovoltaic, adesea se foloseste o sursa auxiliara de energie, fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiar reteaua electrica publica. Toate aceste componente trebuie sa fie interconectate, dimensionate si specificate pentru a functiona intr-un sistem unic, numit sistem fotovoltaic. In figura 3 este prezentata structura unui sistem fotovoltaic.

Principalele componente sunt:

modulul, panoul, campul de module sau, altfel spus, generatorul fotovoltaic;

bateria de acumulatoare;

subsistemul pentru conditionarea energie electrice, care includ inclus si elemente de masurare, monitorizare, protectie, etc.;

sursa auxiliara de energie, de exemplu, un grup electrogen (back-up generator), care functioneaza pe benzina sau motorina. In acest caz sistemul fotovoltaic se mai numeste sistem fotovoltaic hibrid.

Sistemele fotovoltaice se divizeaza in doua categorii principale: conectate la retea (grid-connected) sau care functioneaza in paralel cu reteaua electrica publica si sisteme fotovoltaice autonome (stand - alone PV system).

Fig. 3. Structura unui sistem fotovoltaic

Sistemele fotovoltaice conectate la retea pot fi divizate in cele, in care reteaua electrica publica joaca rolul de sursa auxiliara de energie (grid back-up), cele, in care excesul de energie produsa pe cale fotovoltaica este furnizata in retea (grid interactive PV system) si centrale electrice solaro-electrice (multi MW PV system) furnizata in retea (grid interactive PV system) si centrale electrice solaro-electrice (multi MW PV system) care furnizeaza toata energia produsa in retea.

2.2. Acumulatoare pentru stocarea energiei electrice

Bateria de acumulatoare serveste pentru stocarea energie produsa de modulul fotovoltaic. Stocarea energiei este necesara atunci cand exista decalajul in timp intre cererea de energie si aportul energetic al soarelui. Intr-o instalatie PV bateria indeplineste urmatoarele trei functii importante:

1. Autonomie - se realizeaza alimentarea cu energie electrica independent de variatia
   radiatiei solare;
2. Sursa de curenti de suprasarcina - bateria de acumulatoare poate furniza pe o durata
   scurta de timp un curent de suprasarcina care depaseste cu mult curentul generat de
   modulul PV. O astfel de situatie apare la   pornirea motoarelor electrice, fie de c.c. sau ca.;
3. Stabilizator de tensiune - bateria asigura o tensiune constanta si o buna functionare a consumatorilor.

Regimuri de incarcare  a acumulatoarelor. Viteza proceselor electrochimice care au loc in acumulatoare depinde de marimea curentului de incarcare si respectiv de descarcare. Un acumulator descarcat admite un curent de incarcare mai mare la prima etapa, apoi odata cu cresterea gradului de incarcare curentul trebuie sa fie micsorat.

Variatia optimala a curentului pe durata de incarcare trebuie sa fie invers proportionala cu gradul de incarcare, figura  

Fig.  Variatia optimala a curentului pe durata de incarcare

In dispozitivele uzuale alimentate de la retea se realizeaza urmatoarele trei metode de incarcare a acumulatoarelor:

1.     incarcarea cu curent constant pe intreaga perioada de incarcare. In acest scop se regleaza manual sau automat tensiunea sursei de curent. incarcarea poate fi efectuata si in cateva trepte, de obicei doua, trei. Pe durata fiecarei  trepte curentul de incarcare se mentine constant. Avantajul acestei metode consta in posibilitatea incarcarii acumulatorului pana la capacitatea nominala, dezavantajul - degajare abundenta de gaze si pericolul supraincarcarii.

2.     incarcarea la o tensiune constanta a sursei de alimentare se caracterizeaza prin
mentinerea tensiunii constante pe intreaga perioada de incarcare. Curentul de incarcare
se micsoreaza o data cu cresterea gradului de incarcare. Avantaje: decade necesitatea reglarii, dispare degajarea abundenta de gaze si pericolul supraincarcarii. Dezavantajul principal - gradul maximal de incarcare care poate fi atins este de 95-97 %.

3.     metoda combinata de incarcare in care la prima etapa incarcarea se realizeaza cu
curent constant, iar la etapa a doua - cu tensiune constanta.

2.3. Functionarea in sarcina a modulului PV

Celula fotovoltaica, respectiv modulul fotovoltaic, are cele mai bune performante in punctul M unde puterea debitata pe sarcina este maximala.

Totodata, variatia radiatiei globale si a temperaturii provoaca modificarea caracteristicii I-U a modulului. De asemenea, diferiti consumatori poseda diferite caracteristici I-U. Ca rezultat, punctul de functionare a subsistemului modul fotovoltaic - sarcina (punctul de intersectie a caracteristicilor I-U ale modulului si sarcinii) nu va coincide cu punctul M.

In figura 5 sunt prezentate caracteristicile I-U a trei din cei mai raspanditi consumatori: rezistor, motor de c.c. cu magneti permanenti si un acumulator.

Fig. 5. Caracteristica I-U a modulului fotovoltaic si diferitilor consumatori

Se prezinta si caracteristica unui consumator ideal pentru care punctul de functionare intotdeauna coincide cu punctul optimal M. Caracteristicile I-U se descriu cu urmatoarele expresii analitice:

rezistor:

Motor de c.c.:

Acumulator:

U - tensiunea modulului fotovoltaic, [V];

k - constanta motorului;

Φ - fluxul de excitatie, [W];

Ω - viteza de rotatie, [rad/s];

R_i - rezistenta indusului, [W

E_Bc0 - tensiunea la mers in gol a acumulatorului, [V];

R_intBc - rezistenta interioara a acumulatorului [W

Din figura 5 se constata ca sarcina de tip rezistor sau motor de c.c. nu va functiona in punctul optimal la variatia radiatiei. Va trebui sa modificam caracteristica I-U a modulului fotovoltaic sau a sarcinii pentru a urmari punctul de functionare optimala.

In acest scop se folosesc convertoare electronice c.c./c.c. numite MPPT (din engleza Maximum Power Point Tracker). MPPT se conecteaza intre modulul fotovoltaic si sarcina si el modifica tensiunea la iesire astfel ca sa se asigure urmarirea punctului optimal de functionare.

2. Convertoare c.c./c.c. pentru realizarea tehnologiei MPPT

Adaptorul de sarcina sau blocul de urmarire a punctului maximal de putere MPPT se realizeaza pe baza convertorului de c.c./c.c. In figurile 6 si 7 se prezinta doua scheme simplificate - prima asigura micsorarea tensiunii (buck converter) si respectiv majorarea curentului, a doua -majorarea tensiunii si respectiv micsorarea curentului (boost converter).

Fig. 6 Schema convertorului c.c./c.c. de coborare (buck converter)

Trebuie sa mentionam, ca aici nu sunt folosite transformatoare, fie de coborare sau ridicare, in ambele scheme se foloseste principiul de modulatie in durata a impulsurilor (Puise Width Modulation - PWM). Tranzistorul VT conecteaza sau deconecteaza cu frecventa mare (de circa 20 kHz) inductanta L la iesirea modulului PV. Apoi energia acumulata este cedata sarcinii R conectata in paralel cu condensatorul C.

Fie ca pe durata de timp t_d tranzistorul VT este deschis (vezi figura 6). Modulul PV este conectat la sarcina prin intermediul inductantei L. Curentul care curge prin circuitul este notat cu i_Ld.

O parte din energia livrata de modulul PV este acumulata in campul magnetic al inductantei L, in condensatorul C, care se incarca, iar restul cedata sarcinii R.

Pe durata de timp t_i tranzistorul VT este inchis (blocat), curentul prin inductanta L continua sa curga prin circuitul KD-L-ramura C-R. Tensiunea la iesire (pe condensatorul C, respectiv pe sarcina R) se determina ca tensiunea la intrare u_PV minus tensiunea de autoinductie a    inductantei L.

Fig. 7. Schema convertorului c.c./c.c. de ridicare (boost converter)

In convertorul din figura 7 tranzistorul VT este conectat in paralel cu sarcina. Pe durata de timp t_d tranzistorul VT este deschis, tensiunea intre punctele a si b este egala cu zero, curentul i_Ld curge prin inductanta L, energia produsa de modulul PV se inmagazineaza in campul magnetic. Cand tranzistorul VT se inchide (durata de timp f_t) curentul i_Li generat de modulul PV curge prin dioda VD si sarcina R incarcand condensatorul C. Energia acumulata in inductanta L, de asemenea, este cedata sarcinii.

In schemele analizate duratele de timp t_d si t_t sunt modificate in dependenta de curent si tensiune. Frecventa sau perioada T ramane constanta. Blocul de comanda BC este dotat cu microprocesor si traductoare de curent si tensiune.

Convertoarele analizate pot fi utilizate ca regulatoare pentru monitorizarea gradului de descarcare si respectiv incarcare a acumulatorului. in schemele 6 si 7 acumulatorul substituie circuitul R-C. Descarcarea excesiva este prevenita prin monitorizarea tensiunii acumulatorului.

2.5. Invertorul

Invertorul face parte din subsistemul de conditionare a energiei electrice al sistemului PV si este componenta principala a convertorului c.c./c.a. Invertorul transforma energia de c.c, generata de modulele PV sau stocata in acumulatoare, in energie de ca. de o frecventa prestabilita.

Deja exista convertoare care asigura parametrii de calitate ai energiei electrice la acelasi nivel ca si retelele publice: frecventa si tensiune stabila, forma sinusoidala a undei de tensiune si curent. In dependenta de cerintele impuse de sarcina privind forma undei de tensiune, factorul de suprasarcina, randament sunt disponibile diferite tipuri de invertoare.

Tabelul 1. Parametrii de performanta a principalelor tipuri de invertoare

La alegerea invertorului este important sa cunoastem caracteristica randamentului ca functie de sarcina. Motoarele electrice necesita un curent de pornire cu mult mai mare decat cel nominal. Este important ca factorul de suprasarcina a invertorului sa corespunda acestei necesitati. Invertorul cu unda dreptunghiulara are cea mai simpla schema, o eficienta relativ buna, este cel mai ieftin, dar provoaca o distorsiune armonica cea mai mare, ceea ce cauzeaza supraincalzirea motoarelor.

Acest tip de invertor se recomanda in sisteme PV de mica putere pentru iluminare, incalzire la tensiuni diferite de cea de c.c, de asemenea in componenta convertoarelor c.c./c.c, actionari electromagnetice. Invertorul cu unda cvasi - sinusoidala este mai complicat, dar relativ eficient. Modularea impulsurilor in durata este o tehnologie mai noua, schema de comanda a invertorului este cu mult mai complicata, costul invertorului este mai mare, dar asigura eficienta inalta si distorsiuni armonice minimale.