Ilum

inare

-led.

ro

Cuprins 1. Istoria iluminatului public ..................................................................................................................... 3

2. Mărimi radiometrice şi fotometrice ...................................................................................................... 4

2.1. Radiometria.................................................................................................................................. 5

2.1.1. Energia radiantă.................................................................................................................... 5

2.1.2. Fluxul radiant (Puterea radiantă)........................................................................................... 5

2.1.3. Densitatea de flux radiant (Iradianţa şi Excitanţa radiantă).................................................... 6

2.1.4. Radianţa ............................................................................................................................... 7

2.1.5. Intensitatea radiantă ............................................................................................................ 9

2.2. Fotometria ..................................................................................................................................10

2.2.1. Intensitatea luminoasă ........................................................................................................11

2.2.2. Fluxul luminos (Puterea luminoasă) .....................................................................................12

2.2.3. Energia luminoasă................................................................................................................12

2.2.4. Densitatea de flux luminos (Iluminanţa şi Excitanţa luminoasă) ............................................12

2.2.5. Luminanţa ...........................................................................................................................12

3. Componentele sistemului de iluminat public de sine stătător ..............................................................13

3.1. Lampa cu LED ..............................................................................................................................13

3.1.1. Tehnologia LED ....................................................................................................................13

3.1.2. Iluminatul cu LED .................................................................................................................14

3.1.2.1. Ledurile SSL şi beneficiile acestora................................................................................14

3.1.2.2. Eficienţa luminoasă ......................................................................................................14

3.1.2.3. Durata de viaţă ............................................................................................................16

3.1.3. Avantajele iluminatului cu LED .............................................................................................16

3.2. Panoul fotovoltaic .......................................................................................................................17

3.2.1. Celula solară ........................................................................................................................17

3.2.1.1. Clasificarea celulelor solare ..........................................................................................18

3.2.1.2. Moduri de construcţie ..................................................................................................19

3.2.1.3. Principiul de funcţionare ..............................................................................................20

3.2.1.4. Celule solare pe bază de siliciu .....................................................................................20

3.2.1.5. Îmbătrânirea ................................................................................................................22

3.2.2. Panoul fotovoltaic ................................................................................................................22

3.2.2.1. Elementele constructive ale unui panou solar ..............................................................22

3.2.2.2. Procesul de fabricaţie a panoului solar .........................................................................23

3.2.2.3. Rolul diodei by-pass .....................................................................................................23

3.2.3. Captarea energiei solare pe teritoriul Romaniei ...................................................................24

Ilum

inare

-led.

ro

2

3.3. Bateriile .......................................................................................................................................25

3.4. Charger-ul ...................................................................................................................................29

3.4.1. Charger-ul MPPT ..................................................................................................................30

3.5. Clasele de iluminare pentru iluminatul căilor de circulaţie ...........................................................32

4. Sistemul de iluminat public de sine stătător ........................................................................................34

4.1. Dimensionarea sistemului de sine stătător ..................................................................................34

4.1.1. Programul DIALUX ...............................................................................................................34

4.1.2. Crearea unui proiect ............................................................................................................34

4.1.2.1. Crearea unui nou proiect ..............................................................................................35

4.1.2.2. Adăugarea unei noi lampi .............................................................................................35

4.1.2.3. Modificarea parametrilor .............................................................................................36

4.1.2.4. Calcularea solutiei ........................................................................................................37

4.1.3. Lampa de iluminat ...............................................................................................................38

4.1.4. Alegerea bateriilor ...............................................................................................................39

4.1.5. Alegerea panoului ................................................................................................................42

4.1.6. Alegerea chargerului ............................................................................................................44

4.1.7. Concluziile dimensionării .....................................................................................................45

4.2. Studiul de caz ..............................................................................................................................45

4.2.1. Dimensionarea în DIALux .....................................................................................................45

4.2.2. Stâlpul de iluminat ...............................................................................................................48

4.2.3. Lampa de iluminat ...............................................................................................................50

4.2.4. Dimensionarea panoului fotovoltaic ....................................................................................50

4.2.5. Chargerul .............................................................................................................................52

4.2.6. Bateriile ...............................................................................................................................52

4.2.7. Concluzii şi rezultate ............................................................................................................53

5. Concluzii generale ...............................................................................................................................54

6. Bibliografie..........................................................................................................................................55

7. Anexe..................................................................................................................................................56

7.1. Monitorizarea Sistemului de Iluminat Public de Sine Stătător ......................................................56

Ilum

inare

-led.

ro

3

1. Istoria iluminatului public

Pentru prima oară se foloseau lămpi în civilizaţiile romană şi greacă, unde scopul principal era de securitate, atât pentru a proteja trecătorii de eventuale obstacole pe drum cât şi pentru a proteja casele de hoţi. Pe atunci lămpile cu ulei erau folosite predominant întrucât acestea dădeau o flacără moderată de lungă durată. Romanii aveau un cuvânt „laternarius”, care era termenul ce desemna sclavul respnsabil cu aprinderea lămpilor din faţa vilei. Această sarcină a continuat să fie păstrată pentru o singura persoană până în Evul Mediu, când asa-numitii „băieţi de legătură” escortau oamenii dintr-un loc în altul prin străzile întunecate şi sinuoase ale oraşelor medievale.

Înaintea lămpilor incandescente, iluminatul cu gaz s-a implementat în oraşe. Primele lămpi erau aprinse de un lampagiu care făcea turul orasului la lăsatul serii aprinzând fiecare lampă în parte, însa ulterior au apărut mecanisme automate de aprindere. Primele lămpi stradale moderne, care foloseau kerosen, au fost introduse în Lviv în anul 1853, pe vremea când oraşul făcea parte din Imperiul Austriac.

Primele lămpi stradale electrice funcţionau cu arc, modelul iniţial fiind „Lumânarea electrica” sau „Lumânarea Yablochkov” dezvoltată de rusul Pavel Yablochkov în anul 1875. Aceasta era o lampă cu arc care funcţiona cu curent alternativ, ceea ce asigura consumul egal al electrozilor. Lumânările Yablochkov au fost primele folosite pentru a lumina Grands Magasins du Louvre din Paris, unde s-au montat 80 – această îmbunătăţire este unul din motivele pentru care Parisul şi-a câştigat renumele de „Oraş al luminilor”.

Prima stradă din Regatul Unit care a fost iluminată electric a fost Mosley Street din oraşul Newcastle-upon-Tyne. Strada a fost iluminată de lampa incandescenta a lui Joseph Swan pe 3 februarie 1879. Prima din Statele Unite, şi a doua din toate timpurile, a fost sistemul rutier Public Square din Cleveland, Ohio pe 29 aprilie 1879. Wabash, Indiana este al treilea oraş din lume, văzând lumina electrica pe 2 februarie 1880. Patru lampi cu arc Brush de 3000 candela erau suspendate deasupra tribunalului luminând piaţa oraşului ca la orele prânzului. Kimberley, Africa de Sud, a fost primul oras din Emisfera Sudica şi Africa cu strazi iluminate electric (de la 1 septembrie 1882). În America Latina, San Jose, Costa Rica, a fost primul oraş iluminat electric, sistemul fiind lansat la 9 august 1884 cu 25 de lămpi alimentate de o centrală hidroelectrică.

Pe 15 decembrie 1882 Primăria oraşului Timişoara a încheiat un contract de concesionare cu societatea Anglo-Austrian Bruch Electrical Company Ltd. în vederea iluminării electrice a oraşului. Lămpile incandescente care iluminau oraşul erau cu electrozi de cărbune.

În seara zilei de 12 noiembrie 1884 au fost puse în funcţiune 731 de lămpi de iluminat electric în Timişoara pe o lungime de 59 de kilometri, făcând din Timişoara primul oraş iluminat electric din Europa continentală.

Iluminatul cu arc avea două dezavantaje majore. În primul rând, se emite o lumina intensă şi aspră care deşi era utilă pe şantierele industriale, nu era potrivită pentru străzile oraşelor. În al doilea rând, necesită mentenanţă intensivă, întrucât electrozii de carbon se consumă rapid.

Odată cu dezvoltarea becurilor incandescente luminoase la sfârşitul secolului al 19-lea, iluminatul cu arc nu s-a mai folosit pentru străzi, însă a mai fost util o perioadă în zona industrială.

Lămpile incandescente au fost principalele surse de iluminat stradal până la apariţia lămpilor cu descărcare în gaz. Acestea erau operate în circuite serie de înaltă tensiune. Circuitele serie erau populare întrucât voltajul mai mare în acestea producea mai multă lumină pentru fiecare watt consumat. Mai mult, înaintea inventării controlului fotoelectric, un singur întrerupător sau ceas putea controla toate luminile dintr-un întreg district.

Ilum

inare

-led.

ro

4

În ziua de astăzi, iluminatul stradal foloseşte în mare parte lămpi cu descărcare, în cele mai multe cazuri lampi cu sodiu la înaltă presiune(HPS). Astfel de lămpi furnizează cea mai mare cantitate de iluminare fotopică pentru cel mai mic consum de energie. Totuşi, la calcularea luminii scotopice/fotopice, se poate observa faptul că lămpile HPS nu sunt foarte potrivite pentru iluminatul nocturn. Sursele de lumina albă sunt mult mai eficiente. De exemplu, vederea periferică se dublează şi reacţia de frânare a şoferului creşte cu cel putin 25%. Astfel, la calculele acestea se reduce performanţa lămpilor HPS cu o valoare minimă de 75%.

Un studiu care compară lămpile cu halogen cu cele cu sodiu la înaltă presiune a arătat că la niveluri egale de lumină fotopică, o stradă iluminată noaptea de un sistem cu halogen a fost văzut mult mai luminos şi sigur în comparaţie cu aceeaşi scenă iluminată de un sistem HPS.

Noile tehnologii de iluminat stradal, cum sunt lampile cu LED şi lumina prin inducţie, emit o lumină albă care furnizează nivele înalte de lumeni scotopici asigurând lumină stradală cu consum de putere mai mic şi un nivel mai scăzut de lumeni fotopici pentru a înlocui luminile stradale existente. Totuşi, nu au existat specificaţii formale privind ajustările fotopice/scotopice pentru diferite tipuri de surse de lumină, cauzând multe municipalităţi şi departamente stradale să nu se grăbească cu implementarea acestor noi tehnologii până când standardele nu sunt aduse la zi.

Sistemele de iluminat cu lămpi cu LED alimentate cu panouri fotovoltaice incep să devină din ce în ce mai răspândite datorită eficienţei energetice şi a durabilităţii sistemului în timp.

2. Mărimi radiometrice şi fotometrice

Lumina este „radiaţie electromagnetică”. Ceea ce vedem ca lumina vizibilă este numai o mică fracţiune a spectrului electromagnetic, care se întinde de la unde radio de frecvenţe foarte mici, prin microunde, infraroşu (I.R.), vizibil (VIS) şi ultraviolet (UV) la raze X si raze gama ultraenergetice. Ochiul uman răspunde la lumina vizibilă; detectarea radiaţiei din restul spectrului necesită un întreg arsenal de instrumente, de la receptoare radio, la numărătoare cuantice.

Radiometria se ocupă cu măsurarea radiaţiei optice, care este radiaţia electromagnetică în intervalul de frecvenţe de la 3x1011÷3x1016 Hz. Acest domeniu corespunde lungimilor de undă între 0,01 şi 1000 micrometrii şi include regimurile denumite ultraviolet-UV, vizibil-VIS şi infraroşu-IR. În afara multor unităţi tipice două sunt acoperitoare

2w m şi fotoni/secundă-steradian

Fotometria se ocupă cu măsurarea luminii, care este radiaţie electromagnetică ce poate fi detectată de ochiul uman. Aceasta este astfel restricţionată la domeniul lungimilor de undă de la 360 la 830 nm. Fotometria este la fel cu radiometria cu excepţia că totul este normat de răspunsul spectral al ochiului. Fotometria vizuală foloseşte ochiul ca un detector de comparaţie, în timp ce fotometria fizică foloseşte atât detectoarele de radiaţie optică construite pentru a mima răspunsul spectral al ochiului cât şi spectroradiometria cuplată cu calcule adecvate pentru ponderarea răspunsului ochiului. Unităţi fotometrice tipice includ lumenul, luxul, candela şi altele.

Singura diferenţă reală între radiometrie şi fotometrie este aceea că radiometria include întregul spectru al radiaţiei optice, în timp ce fotometria este limitată la spectrul vizibil, aşa cum este definit de răspunsul ochiului.

Ilum

inare

-led.

ro

5

2.1. Radiometria

Radiometria este ştiinţa măsurării luminii în orice porţiune a spectrului electromagnetic. În practică, termenul este uzual limitat la măsurătorile luminii în domeniile IR, VIS şi UV folosind instrumente optice. Radiometria este privită sub două aspecte: teorie şi practică. Practica presupune instrumente ştiinţifice şi materiale folosite la măsurarea luminii, incluzând termocuple de radiaţie, bolometre, fotodiode, coloranţi şi emulsii fotosensibile, tuburi foto cu vid, dispozitive CCD etc. Dar, teoria este partea care ne interesează.

2.1.1. Energia radiantă

Lumina este energie radiantă. Radiaţia electromagnetică (care poate fi considerată atât undă cât şi particulă, depinzând de modul în care se măsoară) transportă energie prin spaţiu. Când lumina este absorbită de un obiect fizic, energia ei este convertită într-o altă formă (de energie). Un cuptor cu microunde, de exemplu, încălzeşte un pahar cu apă când moleculele de apă absorb radiaţia de microunde. Energia radiată a microundelor este convertită în energie termală (căldură). Similar, lumina vizibilă cauzează apariţia curentului electric într-un exponometru fotografic când energia radiaţiei este transferată electronilor ca energie cinetică. Energia radiantă (notată cu Q) este măsurată în Joule.

Energia radiantă spectrală

O sursă de bandă largă, aşa cum este Soarele, emite radiaţie electromagnetică aproape în totalitatea spectrului electromagnetic, de la unde radio la raze gama. Totuşi, cea mai mare parte a energiei radiante este concentrată în interiorul porţiunii vizibile a spectrului. Un laser cu o lungime de undă singulară, pe de altă parte, este o sursă monocromatică; toată energia radiantă, în acest caz, este emisă pe o lungime de undă specifică. Ca o consecinţă a acestor situaţii, se poate defini energia spectrală, care este cantitatea de energie radiantă pe unitatea de interval al lungimilor de undă λ. Energia radiantă spectrală se defineşte astfel:

dQQdλ λ

= (2.1)

Aceasta se măsoară în Joule pe nanometru.

2.1.2. Fluxul radiant (Puterea radiantă)

Energia pe unitatea de timp este putere, care se măsoară în Joule pe secundă sau Watti. Un fascicul laser, de exemplu, este caracterizat de câţiva mW sau W de putere radiantă. Lumina se propaga prin spaţiu şi astfel, puterea radiantă este adesea denumită ca fiind „rata de timp de propagare a energiei radiante” sau fluxul radiant care se defineşte astfel:

dQdt

φ = (2.2)

unde Q este energia radiantă şi t este timpul.

În termeni de măsurare a luminii vizibile cu un exponometru, amplitudinea instantanee a curentului electric este direct proporţională cu fluxul radiant. Cantitatea totală a curentului măsurat

Ilum

inare

-led.

ro

6

într-un interval de timp este direct proporţională cu energia radiantă absorbită de exponometru în intervalul de timp dat. Acesta este modul de realizare a unei măsurători a flash-ului fotografic care determină cantitatea totală a energiei radiante recepţionată de la un flash. Propagarea luminii prin spaţiu poate fi reprezentată de raze de lumină asemănătoare acelora din tuburile catodice folosite ca display. Ele pot fi gândite ca un desen de linii infinitezimal de subţiri, în spaţiu, care indică direcţia de parcurs a energiei radiante (a luminii). Şi acestea sunt speculaţii matematice chiar dacă cel mai îngust fascicul laser are o secţiune transversală finită. Fără îndoială, ele asigură o cale suplimentară de însuşire a teoriei radiometrice. Fluxul radiant se măsoară in W.

Fluxul radiant spectral (putere radiantă spectrală)

Fluxul radiant spectral este fluxul radiant pe unitatea de interval de lungimi de undă λ şi se defineşte astfel:

ddλφφλ

= (2.3)

Fluxul radiant spectral se măsoară în W/nm.

2.1.3. Densitatea de flux radiant (Iradianţa şi Excitanţa radiantă)

Densitatea de flux radiant este fluxul radiant pe unitatea de arie într-un punct pe o suprafaţă, unde suprafaţa poate fi reală sau imaginară (adică un plan matematic).

Există două condiţii posibile. Fluxul poate ajunge la suprafaţă (Fig. 1-1a), în care caz densitatea de flux radiant se cheamă iradianţă. Fluxul poate ajunge din orice direcţie deasupra suprafeţei, aşa cum indică sensul săgeţilor razelor.

Matematic, iradianţa este definită astfel:

dEdAφ

= (2.4)

unde φ este fluxul radiant sosit „în punct” şi dA – diferenţiala ariei care se învecinează cu punctul.

Fluxul poate părăsi suprafaţa ca urmare a emisiei şi/sau reflexiei (Fig. 2-1b). Densitatea de flux radiant în acest caz se numeşte excitanţă radiantă. Ca şi în cazul iradiaţiei, fluxul poate părăsi suprafaţa deasupra şi în orice direcţie.

Excitanţa radiantă se defineşte astfel:

dMdAφ

= (2.5)

unde φ este fluxul radiant care părăseşte suprafaţa punctiformă şi dA – diferenţiala ariei care se învecinează cu suprafaţa punctiformă.

Ilum

inare

-led.

ro

7

Fig. 2-1. a) Iradiaţia, b) Excitanţa radiantă.

Importanţa unei suprafeţe „reale sau imaginare” nu poate fi ignorată. Asta înseamnă că densitatea fluxului radiant poate fi măsurată oriunde în spaţiul tridimensional.

Aceasta include pe suprafaţa obiectelor fizice, în spaţiul dintre ele (de exemplu, în aer sau vid) şi în interiorul mediului transparent precum apa şi sticla.

Densitatea fluxului radiant este măsurată în 2W

m.

Densitatea fluxului radiant spectral

Densitatea fluxului radiant spectral este fluxul radiant pe unitatea de interval al lungimilor de undă λ. Când fluxul radiant ajunge la suprafaţă, acesta se numeşte iradianţa spectrală şi se defineşte astfel:

dEEdλ λ

= (2.6)

Când fluxul radiant părăseşte suprafaţa, acesta se numeşte excitanţă radiantă spectrală şi se defineşte ca fiind:

dMMdλ λ

=

Densitatea fluxului radiant spectrul este măsurat în 2W

m nm⋅

2.1.4. Radianţa

Radianţa este cel mai bine înţeleasă prin vizualizarea ei mai întâi. Să ne imaginăm o rază de lumină care soseşte sau părăseşte un punct, de pe o suprafaţă, într-o direcţie dată. Radianţa este simplu cantitatea infinitezimală de flux radiant conţinută în această rază.

O definiţie mai formală a radianţei cere ca să gândim despre o rază ca fiind într-un con infinit îngust cu maximul său la un punct pe o suprafaţă reală sau imaginară. Acest con are un unghi solid diferenţial dω care este măsurat în steradiani.

Trebuie, de asemenea, de notat că raza intersectează suprafaţa la un unghi. Dacă aria intersecţiei cu suprafaţa are o arie a secţiunii transversale diferenţiale dA, aria secţiunii transversale a razei este dAcosθ, unde θ este unghiul dintre rază şi normala la suprafaţă, aşa cum se poate

a) b)

Ilum

inare

-led.

ro

8

observa în Fig. 1-2 (aria secţiunii transversale dAcosθ se numeşte aria proiectată a ariei intersecţiei rază-suprafaţă dA. Acelaşi termen este folosit când se face referire la ariile finite ∆A).

Cu cele prezentate mai sus, în minte, se poate imagina un con elementar dω care conţine o rază de lumină care soseşte sau părăseşte o suprafaţă (Fig. 2-3 a şi b).

Prin urmare, definiţia radianţei este:

( )2dL

dA d cosφ

ω θ= (2.8)

unde φ este fluxul radiant,

dA - aria diferenţială din vecinătatea punctului,

dω - unghiul solid diferenţial al conului elementar şi

θ - unghiul între raza şi normala la suprafaţă în acel punct.

Fig. 2-2. O rază de lumină care intersectează o suprafaţă.

Spre deosebire de densitatea de flux radiant, definiţia radiaţiei nu face distincţie între fluxul care soseşte sau care părăseşte o suprafaţă. În fapt, definiţia formală a radianţei (ANSI/IES 1986) stabileşte că lumina „poate părăsi, se propagă prin sau soseşte pe” suprafaţă.

Fig. 2-3. a) Radianţă (sosire); b) Radianţă (părăsire).

O altă cale de a privi radianţa, este să se noteze că densitatea fluxului radiant într-un punct pe o suprafaţă, determinată de o rază singulară de lumină, sosind sau părăsind suprafaţa la un unghi θ cu normala la suprafaţă este ( )

ddAcos

φθ . Radianţa în acel punct pentru acelaşi unghi este

( )2d

dA d cosφ

ω θ , sau densitatea de flux radiant pe unitatea de unghi solid.

Radianţa se măsoară înnmSrm

W2 .

n θ

φ

dA

dA cos θ

Aria proiectată

n φ

θ

dω

dA a)

n φ

θ

dω

dA b)

Ilum

inare

-led.

ro

9

Radianţa spectrală

Radianţa spectrală este radianţa pe unitatea de interval de lungime de undă, la lungimea de undă λ. Este definită astfel:

( )3dL

dA d cos dλφ

ω θ λ= (2.9)

şi se măsoară în Watt / metru pătrat / steradian per nanometru.

2.1.5. Intensitatea radiantă

Se poate imagina o sursă punctiformă infinitezimal de mică care emite flux radiant în toate direcţiile. Cantitatea de flux radiant emisă într-o direcţie dată poate fi reprezentată de o rază de lumină conţinută într-un con elementar. Aceasta dă o definiţie a intensităţii radiante:

dId Iφω

= (2.10)

unde dω este unghiul solid diferenţial a conului elementar care conţine direcţia dată.

Din definiţia unui unghi solid diferenţial ( )2dAd rω = se obţine:

2 2

d d IEdA r d rφ φ

ω= = = (2.11)

unde aria suprafeţei diferenţiale este pe suprafaţa unei sfere centrată pe şi la o distanţă r de sursă şi E este iradianţa acelei suprafeţe.

Mai general, fluxul radiant va intercepta dA sub un unghi θ

(Fig. 1-4). Aceasta conduce la legea pătratică inversă pentru surse punctiforme:

2

I cosEd

θ= (2.12)

unde I este intensitatea sursei în direcţia dată şi

d – distanţa de la sursă la elementul de suprafaţa dA.

Fig. 2-4. Legea pătratică inversă pentru sursele punctiforme.

n

dA

θ d

Ilum

inare

-led.

ro

10

Se poate imagina o sursă reală sau imaginară ca fiind o sursă continuă punctiformă, unde fiecare sursă ocupă o arie diferenţială dA (Fig. 2-5).

Fig. 2-5. Radianţa unei surse punctiforme.

Văzută la un unghi θ faţă de normala la suprafaţa n, sursa are o arie proiectată de dAcosθ . Combinând definiţiile radianţei (ec. 2.8) şi intensitatea radiantă (ec. 2.10) se obţine o definiţie alternativă a radianţei:

dILdAcosθ

= (2.13)

unde dI este intensitatea diferenţială a sursei punctiforme în direcţia dată.

Intensitatea radiaţiei este măsurată în Watt pe steradian.

Intensitatea radiantă spectrală

Intensitatea radiantă spectrală este intensitatea radiantă pe unitatea de lungime de undă a intervalului la lungimea de undă λ. Ea este definită astfel:

dIIdλ λ

= (2.14)

şi este măsurată în Watt pe steradian pe nanometru.

2.2. Fotometria

Fotometria este ştiinţa măsurării luminii vizibile în unităţi care sunt ponderate în acord cu sensibilitatea ochiului uman. Este o ştiinţă cantitativă bazată pe un model statistic al răspunsului vizual uman la acţiunea luminii – ceea ce este percepţia luminii de către oameni – în condiţii controlate cu grijă. Sistemul vizual uman este un detector neliniar, inimaginabil de complex al radiaţiei electromagnetice în domeniul lungimilor de undă de la 380 la 770 nm. Noi recepţionăm lumina de diferite lungimi de undă ca o continuare a culorilor distribuite în spectrul vizibil: 650 nm – roşu, 540 nm – verde, 450 nm – albastru, ş.a.m.d.

n

θ dI

dA

Ilum

inare

-led.

ro

11

Sensibilitatea ochiului uman la lumină variază cu lungimea de undă. O sursă de lumină cu radianţa de un

nmSradmW

2 a luminii verzi, de exemplu, apare mult mai strălucitoare decât aceeaşi

sursă cu o radianţă de un nmSradm

W2 cu lumină roşie sau albastră.

În fotometrie nu se măsoară waţii energiei radiante. Se preferă să se măsoare impresia subiectiva produsă prin stimularea sistemului vizual uman ochi - creier cu energie radiantă. Această sarcină este imens complicată de răspunsul neliniar al ochiului la acţiunea luminii. Răspunsul variază, nu numai cu lungimea de undă, dar şi cu cantitatea de flux radiant, fie că lumina este constantă, fie că variază în anumite limite, complexitatea spaţială a scenei fiind recepţionată, adaptarea irisului şi a retinei, starea psihologică şi fiziologică a observatorului şi de prezenţa altor variabile.

Fără îndoială, impresia subiectivă a vederii poate fi cuantificată pentru condiţii „normale” de vedere. În anul 1924 comisia The Commission Internationale d′Eclairage (International Commission on Illumination, or CIE) a solicitat mai mult de o sută de observatori pentru a urmări vizual „strălucirea” surselor de lumină monocromatice cu diferite lungimi de undă, în condiţii controlate. Rezultatele statistice – aşa numita curbă fotometrică CIE, dată în Fig. 2-6, arată eficienţa luminoasă a sistemului vizual uman în funcţie de ponderarea care poate fi folosită pentru a converti rezultatele măsurătorilor radiometrice în rezultate fotometrice.

Fig. 2-6. Curba fotometrică CIE.

Teoria fotometrică nu tratează modul cum se recepţionează culorile. Lumina de măsurat poate fi monocromatică sau o combinaţie de lungimi de undă; răspunsul ochiului este determinat de funcţia de ponderare CIE. Aceasta subliniază un punct crucial. Singura diferenţă între teoriile radiometrică si fotometrică constă în unităţile de măsură folosite.

2.2.1. Intensitatea luminoasă

Fondatorul fotometriei este Piere Bouguer, 1729. În lucrarea sa L’Essai d’Optique, Bouguer a discutat principiile fotometrice în termeni ai sursei convenţionale de lumină a timpului său: o candelă cu ceară naturală.

Aceasta a devenit baza conceptului de sursă punctuală în teoria fotometrică. Candelele cu ceară erau folosite ca surse de lumină materiale standard în secolele al 18-lea şi al 19-lea.

În 1909, în Anglia au fost înlocuite sursele de lumină din ceară obţinută din ulei, cu un standard internaţional bazat pe un grup de lămpi cu vid cu filament de carbon şi din nou, în 1948 s-au

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

390 440 490 540 590 640 690 740

Lungimea de undă (nm)

Efic

ienţ

a lu

min

oasă

foto

nică

Ilum

inare

-led.

ro

12

înlocuit cu platină la punctul său de solidificare. Astăzi standardul internaţional este o sursă teoretic punctiformă care are o intensitate luminoasă de o candelă. Ea emite radiaţie monocromatică cu o frecvenţă de 540 x 1012 Hz (sau aproximativ λ=555 nm, corespunzând cu lungimea de undă a eficienţei luminoase fotonice maxime) şi au o intensitate radiantă (în direcţia de măsurare) de 1/683 watt per steradian.

Împreună cu curba fotometrică CIE, candela asigură factorul de ponderare necesar pentru convertirea rezultatelor măsurătorilor din mărimi radiometrice în fotometrice.

2.2.2. Fluxul luminos (Puterea luminoasă)

Fluxul luminos este fluxul radiant (puterea) ponderat fotometric. Unitatea de măsură a fluxului luminos este lumenul, definit ca 1/683 W de putere radiantă la frecvenţa de 540x1012 Hz. Ca şi în cazul intensităţii luminoase, fluxul luminos al luminii cu alte lungimi de undă poate fi calculat folosind curba fotometrică, CIE. O sursă punctiformă având o intensitate luminoasă uniformă (izotropă) de o candelă în toate direcţiile (adică o distribuţie a intensităţii uniformă) emite un lumen de flux luminos per unitatea de unghi solid (steradian).

2.2.3. Energia luminoasă

Energia luminoasă este energia radiantei ponderată fotometric. Ea se măsoară în lumeni secundă.

2.2.4. Densitatea de flux luminos (Iluminanţa şi Excitanţa luminoasă)

Densitatea de flux luminos este densitatea de flux radiant ponderată fotometric. Iluminanţa este echivalentul fotometric al radianţei, în timp ce excitanţa luminoasă este echivalentul fotometric al excitanţei radiante. Densitatea de flux luminos se măsoară în lumeni per metru pătrat.

2.2.5. Luminanţa

Luminanţa este radianţa ponderată fotometric. În termeni ai percepţiei vizuale, noi receptăm luminanţa. Ea este o măsură aproximativă a cât de „strălucitoare” apare o suprafaţă când o vedem dintr-o direcţie dată. Se uzitează denumirea luminanţei drept „strălucire fotometrică”.

Acest termen nu se mai foloseşte în ingineria iluminării datorită senzaţiei subiective a strălucirii vizuale care este influenţată de mulţi alţi factori fizici, fiziologici şi psihologici.

Luminanţa se măsoară în lumeni per m2 per Srad.

Ilum

inare

-led.

ro

13

3. Componentele sistemului de iluminat public de sine stătător

Sistemul de iluminat public de sine stătător are la bază lampa LED şi panoul fotovoltaic. Pentru ca sistemul să funcţioneze mai sunt necesare bateriile, care stochează energia captată în timpul zilei de panou, şi un charger care face legatura între baterii, lampă şi panou. Chargerul porneşte sarcina pe timpul nopţii şi o opreşte în timpul zilei, asigurând o incărcare în parametrii optimi a bateriei.

Mai departe voi discuta aspecte tehnologice legate de fiecare componentă a sistemului.

3.1. Lampa cu LED

3.1.1. Tehnologia LED

Un LED (din limba engleză light-emitting diode, înseamnă diodă emiţătoare de lumină) este o diodă semiconductoare ce emite lumină la polarizarea directă a joncţiunii p-n. Efectul este o formă de electroluminescenţă.

Diodele emiţătoare de lumină deschid calea unei eficacităţi în iluminare, precum şi unei eficienţe în ceea ce priveşte consumul energiei electrice. Pentru dioda InGaN, eficienţa totală scade odată cu creşterea lungimii de undă. Aşadar, cu toate că LED-urile roşii şi LED-urile albastre au atins o eficienţă record, eficienţa LED-urilor verzi este redusă dramatic.LED-urile verzi nu sunt utilizate in producerea luminii „albe” datorită acestei eficienţe scăzute. În schimb, soluţia practică este de a utiliza un fosfor, tipic Ce dopat YAG (yttrium aluminium garnet) plasat direct pe LED-ul albastru în scopul realizării unui element de lumină aproximativ albă. Această metodă a devenit foarte eficace, în ciuda faptului că randarea de culoare este oarecum slabă datorită fosforului, care are un maxim larg în zona galbenă, şi o zonă de cădere în regiunea roşie. Fosforul trebuie plasat uniform, cu aceeaşi grosime, plasat într-o matrice de silicon astfel încât să stea fix, însă dezavantajul este că dacă devine prea gros va constitui un impediment luminii emise de el însuşi. Funcţionalitatea se păstrează, astfel ca lumina albastră să fie absorbita, iar lumina galbena emisă, însă lumina galbenă emisă din direcţia opusă întampină probleme deoarece aceasta trebuie emisă din interiorul LED-ului şi implicit trebuie să treacă prin stratul de fosfor (care este dens şi prezintă un grad de imprăştiere destul de ridicat).

În ciuda dificultăţilor acestei metode, aceasta are un foarte mare succes datorită simplităţii în comparaţie, de exemplu, cu utilizarea separată a ledurilor roşii, verzi (porţiunea verde a spectrului include, de asemenea, lumina galbenă) şi albastre, combinate în scopul realizării unei lămpi “albe”.

Un alb cald poate fi creat cu o pierdere de eficacitate prin adăugarea unui fosfor roşu YAG:Ce-ului galben.

Există o nouă dezvoltare a acestei tehnici care promite realizarea unui fosfor solid ieftin, oferită de firma Nippon Sheet Glass. Lumina emisă din spate poate trece prin stratul de fosfor cu mai multă uşurinţă din moment ce stratul de fosfor nu mai prezintă împrăştiere. De asemenea, sunt soluţii propuse care permit ambelor emisfere (întreaga emisie sferică dintr-un strat de fosfor) să scape.

O vopsea, spre deosebire de pudra de fosfor anorganică, poate fi cu uşurinţă făcută fotopermisiva, astfel încât, prin împrăştierea unei vopsele având o suprafaţă mai mare (sau volum mai mare) şi având densităţi de energie mai mici, se asigură condiţiile necesare ca un sistem de vopseluri să funcţioneze.

La polul opus, o pudră anorganică de fosfor poate fi aplicată direct pe suprafaţa ledului. În plus, multe pudre de fosfor anorganice sunt suficient de robuste încât să permită aplicarea directă pe o suprafaţă de iluminare intensă (lumina albastră şi UV prezintă, de asemenea, energie mai mare).

Ilum

inare

-led.

ro

14

3.1.2. Iluminatul cu LED

3.1.2.1. Ledurile SSL şi beneficiile acestora

Luminarea în stare solidă (Solid-State Lighting) prin intermediul LED-urilor (SSLLED) reprezintă utilizarea de diode semiconductoare anorganice, în stare solidă, pentru producerea de lumină albă în scopul iluminării. Asemenea tranzistorilor semiconductori anorganici, LED-urile SSL reprezintă o tehnologie ce are potenţialul de a înlocui tuburile cu vid sau cu gaz (cum ar fi cele utilizate în lămpile incandescente tradiţionale) utilizate cu scopul iluminării. Eficienţa sporită şi versatilitatea asigurată de către LED-urile SSL, in detrimentul tuburilor tradiţionale cu vid sau gaz va asigura:

• Reduceri substanţiale în ceea ce priveşte consumul de energie electrică • Reduceri substanţiale în ceea ce priveste poluarea cu carbon sau derivatele acestuia • Economii substanţiale pentru consumatorul de rând, fie el persoană fizică, persoană

juridică sau municipalitate • Îmbunătătire substantiala in ceea ce priveste experienta vizuală umana în general.

3.1.2.2. Eficienţa luminoasă

Una din principalele caracteristici ale unei surse de lumină o reprezintă eficienţa luminoasă (lm/W): eficienţa conversiei din putere electrică (W) în putere optică (W), combinată cu eficienţa conversiei din putere optică (W) în flux luminos (lumen = lm) perceput de ochiul omenesc.

Eficienţa luminoasă a radiaţiei monocromatice K(λ) la o anume lungime de undă λ este prezentată în figura 3-1, şi se defineşte ca K(λ) = Km*V(λ), unde Km = 683 lm/W, şi V(λ) este funcţia de luminozitate standard. K(λ) reprezinta maximul teoretic al eficienţei sursei de lumină la o lungime de undă dată.

Lumina monocromatică la 555nm, la care îşi are maximul sensibilitatea vederii omeneşti are o eficienţă luminoasă maximă de 683 lm/W; lumina monocromatică la 450 nm are o eficienţă luminoasă maximă de numai 26 lm/W.

Eficienţa luminoasă a radiaţiei policromatice reprezintă o convoluţie între distribuţia sa spectrală S(λ) şi eficienţa luminoasă a radiaţiei K(λ):

[ ]∫∫=

λλ

λλλ

dS

dVSKWlmK m

)(

)()(

Ilum

inare

-led.

ro

15

Fig. 3-1. Eficienţa luminoasă, K(λ), a radiaţiei monocromatice de lungime de undă λ. Mai sunt prezentate şi eficienţe luminoase ale unor LED-uri monocromatice de cea mai noua tehnologie şi

diverse tehnologii (săgeţile din partea dreaptă)

Sursa graficului: M.G. Craford, LumiLeds.

Prin urmare, pentru a produce o eficienţă luminoasă mărită, distribuţia spectrală de putere a sursei de lumină S(λ) va trebui să acopere cât mai bine cu putinţă eficienţa luminoasa a viziunii fotopice V(λ). Diferenţa dintre eficienţa luminoasă a unui emiţător de bandă largă şi a unuia de bandă îngustă este descrisă de ecuaţia descrisă mai devreme:

[ ]∫∫=

λλ

λλλ

dS

dVSKWlmK m

)(

)()(

Dezavantajul major a unui emiţător de lumină cu corp negru de bandă largă constă în faptul că emite lumina la anumite lungimi de undă la care eficienţa luminoasă a viziunii fotopice este aproape zero. Principalul şi marele avantaj al unui emiţător de lumină de bandă îngustă este faptul că poate fi setat astfel încât să emită lumina la anumite lungimi de undă unde eficienţa luminoasă a vederii fotopice este mare.

Momentan, eficienţa luminoasă pentru LED-urile albe este de ordinul 25 lm/W. Ţinta acestei tehnologii este să se ajungă la 150 lm/W până în 2012, şi 200 lm/W până în anul 2020.

Ca o comparaţie,eficienţa luminoasă a surselor de lumină incandescente şi flourescente sunt de 16 lm/W respectiv de 85 lm/W, care sunt de 10 ori, respectiv de doua ori mai mici decât ceea ce este anticipat pentru 2012 în cazul LED-urilor SSL.

Vederea fotopică

Vederea fotopică reprezintă tipul de vedere al ochiului în condiţii de iluminare foarte bună. La om şi la multe animale, vederea fotopică permite percepţia culorilor. Aceasta este mediată de celulele de tip con.

Ochiul omenesc utilizează trei tipuri de conuri pentru a percepe lumina în trei benzi de culori. Pigmenţii naturali ai conurilor au valori maxime de absorbţie la lungimi de undă de aproximativ 420 nm (albastru), 534 nm (verde albăstrui), respectiv 564 nm (verde gălbui). Ariile lor de sensibilitate se suprapun astfel încât se asigură vederea întregului spectru de culori. Eficienţa maximă este de 683 de lumeni per Watt la o lungime de undă de 555 nm(verde).

Ilum

inare

-led.

ro

16

Se poate reveni la graficul din figura Fig. 2-6 pentru a observa aceste valori.

Se poate adăuga faptul că ochiul omenesc utilizează vederea scotopică în condiţii de iluminare slabă şi vederea mesopică în condiţii intermediare.

3.1.2.3. Durata de viaţă

O caracteristică primară şi foarte importantă a unei surse de iluminat o reprezintă durata de viaţă a acesteia. Aceasta poate fi definită în mai multe feluri, depinzând de sursa de lumină. În era”incandescentă” a lui Edison, durata de viaţă era definită ca fiind momentul în care 50% din becuri cedează. În cazul LED-urilor SSL, durata de viaţă poate fi considerată uneori durata medie dinainte de cedare, dar recent este considerată ca fiind 50% din nivelul de depreciere a lumenului.

Duratele de viaţă pentru LED-urile SSL sunt lungi, ceea ce reprezintă un factor important în ceea ce priveşte intrarea LED-urilor pe piaţa aplicaţiilor de semnalizare (semafoare, afişaje, automatizări), care au costuri mari pentru munca de înlocuire (manopera) şi consecinţe majore în ceea ce priveşte siguranţa în cazul în care cedează.

Desigur că, preţul siguranţei şi cel al înlocuirii variază mult cu aplicaţia în care sunt folosite LED-urile, şi acest fapt determină un spectru de nevoi pentru durate de viaţă variate. Pentru utilizarea dominantă a luminii albe, în cazul iluminatului industrial şi de birou, o durată de viaţă de 20.000 de ore poate fi considerată foarte lungă.

Într-un birou tipic, unde un bec poate fi utilizat şi 60 de ore pe săptămână, 50 de săptămâni pe an, 20.000 de ore corespund unei durate de viaţă de 7 ani. Totuşi, într-o fabrică ce funcţionează în regim 24/7, 20.000 de ore ar corespunde unei durate de viaţă de 2.3 ani. 20.000 de ore însă era durata de viaţă a LED-urilor SSL în anul 2007, iar în 2012 va fi de peste 100.000 de ore, ceea ce însemna practic că nu se vor mai înlocui becurile sau neoanele de câte ori acestea se ard. Coroborat cu consumul extrem de redus de electricitate, nu numai că se va amortiza cheltuiala, dar se va ieşi şi în câştig.

Această cifră, de 100.000 de ore ca durată de viaţă, va satisface până şi cele mai solicitante aplicaţii, însă o durată de viaţă de peste 20.000 de ore este mai mult decât suficientă pentru marea majoritate a aplicaţiilor.

3.1.3. Avantajele iluminatului cu LED

Economia de energie: Randamentul sistemelor de iluminat cu LED-uri este superior lămpilor cu incandescenţă şi respectiv lămpilor cu descărcare în gaz adică, la aceeaşi putere consumată produc cu mult mai multă lumină sau, altfel spus, pot produce aceeaşi lumină ca şi lămpile obişnuite la o putere consumatămult mai mică, economisindu-se astfel energia şi reducând factura de energie electrică cu 50-80%.

Durata de viaţă: Dispozitivele LED clasice au o durata de viaţă de 100.000 ore, pentru o scăderea gradului de iluminare la 80%, iar pentru modulele cu LED-uri înglobate în corpurile de iluminat, se garantează minim 50.000 ore. Această durată de viaţă foarte ridicată a CILED conduce la costuri reduse de mentenanţă a sistemului de iluminat şi oferă oportunitatea reducerii costurilor reale de investiţii. Spre comparaţie, lămpile cu incandescenţă au o durata de 1.000-2.000 ore, iar lămpile compacte fluorescente ajung la 8.000 – 15.000 ore.

Eficienţa luminoasă ≥80 Lm/W: Sistemele cu LED-uri produc mai multă lumină pe watt consumat decât lămpile obişnuite. Controlul strict al dispersiei luminii realizat prin sistemul optic cu lentile pentru focalizarea fasciculului de lumină de formă dreptunghiulară asigură nepoluarea

Ilum

inare

-led.

ro

17

luminoasă. Lentilele au rolul de a reduce pierderile de lumină şi elimină riscul de orbire provocat de strălucirea luminilor.

Culoarea: Sistemele cu LED-uri pot emite nuanţa de lumină - culoarea dorită fără utilizarea unor filtre de culoare. Lumină caldă, neutră sau rece obţinută, este foarte apropiată de lumina naturală, arată adevărata culoare a obiectelor şi sporeşte confortul şi vizibilitatea pe timp de noapte.

Timpul de pornire-oprire: din momentul alimentării, CI-LED luminează practic instantaneu la intensitate maximă fără a avea întârzieri şi suportă foarte bine regimurile pornit-oprit, spre deosebire de lămpile cu vapori metalici sau cele cu vapori cu sodiu.

Tensiunea de alimentare: CI-LED lucrează la o tensiune de alimentare în gama 85-264Vca

Intensitatea luminoasă: Fiecare modul cu 28 LED-uri are o intensitatea luminoasă constantă indiferent de fluctuaţiile tensiunii de reţea.

Factorul de putere: Sistemele CI-LED au factorul de putere mai mare de 0,98 [acesta este 0,5 pentru lămpile cu sodiu] ceea ce reduce substanţial pierderile suplimentare în reţea şi se obţine reducerea consumului de energie electrică.

Radiaţii: CI-LED nu emite ultraviolete şi radiaţii infraroşii.

Design-ul CI-LED: Structura modulară a sursei de iluminat (modul 28 de LEDuri + Lentile) permite o întreţinere uşoară dar şi o construcţie simplă a CI-LED acesta având o formă aerodinamică, greutate scăzută şi rezistenţă sporită la impact şi şoc. Performanţele CI-LED depind de temperatura mediului ambiant. Din această cauză corpurile de iluminat public cu LED includ un radiator de aluminiu pentru răcirea modulelor, obţinându-se astfel un nivel de eficienţă ridicat.

Impactul asupra mediului: Implementarea soluţiilor cu LEDuri pentru iluminat implică şi o serie de beneficii în domeniul mediului şi dezvoltării durabile:

- Consumul redus cu peste 50% contribuie la reducerea poluării şi la conservarea combustibililor fosili ţinând cont că peste 70% din energia electrică consumată în România este produsă prin tehnologii de ardere a cobustibililor fosili cu efecte dezastruoase asupra mediului

- Durata de viaţă de 3 ori mai mare duce la reducerea deşeurilor provenite de la lămpile uzate

- În construcţia şi utilizarea LED-urilor nu se folosesc materiale toxice precum mercur, plumb sau tungsten spre deosebire de tuburile fluorescente, lămpile cu vapori de mercur şi cele de sodiu, respectiv cele cu incandescenţă

În concluze, CI-LED au un preţul relativ mare pe unitatea de produs, dar dacă se ia în considerare durata lor de viaţă de peste 3 ori mai mare şi economia de energie de peste 50%, se constată că iluminatul cu LED este competitiv faţă de celelalte tipuri de iluminat.

3.2. Panoul fotovoltaic

3.2.1. Celula solară

O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 şi 0,2 mm şi sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni „p” şi „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitație” a electronilor din material şi va fi generat un curent electric.

Ilum

inare

-led.

ro

18

Celulele, numite şi celule fotovoltaice, au de obicei o suprafaţă foarte mică şi curentul generat de o singură celulă este mic dar combinaţii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenţi suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistenţă mecanică şi la intemperii.

3.2.1.1. Clasificarea celulelor solare

Celulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros şi celule cu strat subţire.

Un alt criteriu este felul materialului: se întrebuinţează, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinaţiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul. După structură de bază deosebim materiale cristaline (mono-/policristaline) respectiv amorfe. În fabricarea celulelor fotovoltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, există posibiltatea utilizării şi a materialelor organice sau a pigmenţilor organici.

În funcţie de materialele folosite în procesul de fabricaţie celulele solare pot fi:

1. Celule pe bază de siliciu 1.1 Strat gros

1.1.1 Celule monocristaline (c-Si) Randament mare - în producţia în serie se pot atinge până la peste 20 % randament energetic, tehnică de fabricaţie pusă la punct; totuşi procesul de fabricaţie este energofag, ceea ce are o influenţă negativă asupra perioadei de recuperare (timp în care echivalentul energiei consumate în procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generată);

1.1.2 Celule policristaline (mc-Si) La producţia în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie în procesul de fabricaţie, şi până acum cu cel mai bun raport preţ – performanţă.

1.2 Strat subţire 1.2.1 Celule cu siliciu amorf (a-Si)

Cel mai mare segment de piaţă la celule cu strat subţire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar şi la o producţie de ordinul TeraWatt;

1.2.2 Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si) În combinaţie cu siliciul amorf dau randament mare; tehnologia e aceeaşi ca la siliciul amorf.

2. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V Celule cu GaAs Randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură, la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu, robust vizavi de radiaţia ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spaţială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge).

3. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI Celule 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 %, dar modulele fabricate până acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoaşte fiabilitatea. Din motive de protecţia mediului este improbabilă utilizarea pe scară largă.

Ilum

inare

-led.

ro

19

4. Celule CIS, CIGS CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în staţie pilot la firma Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell în Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în staţie pilot în Uppsala/Suedia. Producătorii de mai sus promit trecerea la producţia în masă în anul 2007.

5. Celule solare pe bază de compuşi organici Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuşi care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuşi, un impediment faptul că aceste celule au un randament redus şi o durată de viaţă redusă (max. 5000h).

6. Celule pe bază de pigmenţi Numite şi celule Grätzel utilizează pigmenţi naturali pentru transformarea luminii în energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt de culoare mov.

7. Celule cu electrolit semiconductor De exemplu soluţia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uşor de fabricat dar puterea şi siguranţa în utilizare sunt limitate.

8. Celule pe bază de polimeri Deocamdată se află doar în fază de cercetare.

3.2.1.2. Moduri de construcţie

Pe lângă materia primă o importanță mare prezintă tehnologia utilizată. Se deosebesc diferite structuri şi aranjamente în care se depun electrozii de acoperire transparenţi a căror rezistenţă nu este deloc neglijabilă.

Alte tehnici vizează mărirea eficienţei asigurând absorbţia unui spectru de frecvenţă cât mai larg prin suprapunerea mai multor materiale cu diferite caracteristici de absorbţie. Se încearcă selectarea materialelor în aşa fel încât spectrul luminii naturale să fie absorbit la maximum.

Actualmente celulele solare pe bază de materiale semiconductoare cele mai des comercializate sunt cel pe bază de siliciu.

Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de energie electrică sunt legate în module. Pe un modul se află mai multe rânduri de celule solare conectate în serie între ele pe faţa şi pe spatele modulului permiţând, datorită tensiunii însumate, utilizarea unor conductori cu secţiune mai mică decât la legarea în paralel. Pentru protejarea unei celule solare împotriva efectului de avalanşă în joncţiune, datorată potenţialului mai mare (apărută de exemplu la umbrirea parţială a modulului), trebuie incorporate paralel cu celulele solare diode de protecţie(bypass).

Sistemele de panouri solare sunt înzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind în permanenţă direcţionat pentru a exploata la maximum energia solară incidentă.

Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina solară este de 85 %. Acesta se calculează din temperatura suprafeţei soarelui(5800 °K), temperatura maximă de absorbţie(<2500 °K, tempertura de topire a materialelor greu fuzibile) şi temperatura mediului înconjurător(300 °K).

Ilum

inare

-led.

ro

20

Dacă se utilizează doar o porţiune din spectrul luminii solare, valoarea teoretică se reduce în funcţie de lungimea de undă, până la 5-35 %. Neutilizarea spectrului complet este unul din dezavantajele celulelor solare faţă de centralele solare termice.

3.2.1.3. Principiul de funcţionare

Semiconductoarele în principiu sunt construite ca nişte fotodiode cu suprafaţă mare care însă nu se utilizează ca detectoare de radiaţii ci ca sursă de curent.

Interesant la acest tip de semiconductoare este că prin absorbţie de energie (căldură sau lumină) eliberează purtători de sarcină (electroni şi goluri). Este nevoie de un câmp electrostatic intern pentru ca din aceşti purtători să se creeze un curent electric dirijându-i în direcţii diferite.

Acest câmp electric intern apare în dreptul unei joncţiuni p-n. Pentru că intensitatea fluxului luminos scade exponenţial cu adâncimea, această joncţiune este necesar să fie cât mai aproape de suprafaţa materialului şi să se pătrundă cât mai adânc. Această joncţiune se creează prin impurificarea controlată. Pentru a realiza profilul dorit, în mod normal se impurifică „n” un strat subţire de suprafaţă şi „p” stratul gros de dedesubt în urma căruia apare joncţiunea. Sub acţiunea fotonilor apar cupluri electron-gol în joncţiune, din care electronii vor fi acceleraţi spre interior, iar golurile spre suprafaţă. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina în joncţiune rezultând o disipare de căldură, restul curentului putând fi utilizat de un consumator, încărcat într-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat în reţeaua publică. Tensiunea electromotare maximă la bornele unei celule solare (de exemplu la cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.

Structura celulelor solare se realizează în aşa mod încât să absoarbă cât mai multă lumină şi să apară cât mai multe sarcini in joncţiune. Pentru aceasta electrodul de suprafaţă trebuie să fie transparentă, contactele la acest strat să fie pe cât posibil de subţiri, pe suprafaţă se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micşora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albăstruie a celulelor solare care fără aceasta ar avea o culoare gri-argintie.

La celulele solare moderne se obţine din nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD(pe o suprafaţă încălzită se depun în urma unei reacţii chimice componente extrase dintr-o fază gazoasă) un stratul antireflectorizant de cca 70 nm grosime (sfert de lungime de undă la un coeficient de refracţie de 2,0). Se mai utilizează straturi reflectorizante din SiO2 şi TiO2 ce se depun prin procedeul AP-CVD.

Grosimea stratului influenţează culoarea celulei (culoarea de interferenţă). Grosimea stratului trebuie să fie cât se pote de uniformă, deoarece abateri de câţiva nanometri măresc gradul de reflexie. Celulele îşi datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce corespunde lungimii de undă a culorii roşii, culorea cea mai bine absorbită de siliciu. În principiu însă în acest mod se pot realiza celule roşii, galbene, sau verzi la cerinţe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu şi a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are şi un rol de a reduce viteza de recombinare superficială.

3.2.1.4. Celule solare pe bază de siliciu

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(dota) în

Ilum

inare

-led.

ro

21

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 100 µm sau mai mult pentru a pute absorbi lumina solară eficient.

Fig. 3-2. Celulă solară monocristalină din siliciu.

La celulele cu strat subţire de tip semiconductor direct ca de exemplu GaAs sau chiar siliciu cu structura cristalină puternic perturbată (vezi mai jos), sunt suficiente 10 µm.

În funcţie de starea cristalină se deosebesc următoarele tipuri de siliciu:

• Monocristaline: Celulele rezultă din aşa numitele Wafer (plăci de siliciu dintr-un cristal). Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de semiconductori şi sunt destul de scumpe.

• Policristaline: Celulele sunt din plăci care conţin zone cu cristale cu orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine şi ca atare cele mai răspândite în producţia de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc şi celule solare policristaline.

• Amorfe: Celulele solare constau dintr-un strat subţire de siliciu amorf (fără cristalizare) şi din această cauză se numesc celule cu strat subţire. Se pot produce de exemplu prin procedeul de condensare de vapori de siliciu şi sunt foarte ieftine, dar au un randament scăzut în spectru de lumină solară, totuşi au avantaje la lumină slabă. De aceea se utilizează în calculatoare de buzunar şi ceasuri.

• Microcristaline: Acestea sunt celule cu strat subţire cu structură microcristalină. Au un randament mai bun decât celulele amorfe şi nu au un strat atât de gros ca cele policristaline. Se utilizează parţial la fabricarea de panouri fotovoltaice, dar nu sunt atât de răspândite.

• Celule solare tandem: sunt straturi de celule solare suprapuse, deobicei o combinaţie de straturi policristaline şi amorfe. Straturile sunt din materiale diferite şi astfel acordate pe domenii diferite de lungimi de undă a luminii. Prin utilizarea unui spectru mai larg din lumina solară, aceste celule au un randament mai mare decât celulele solare simple. Se utilizează parţial la fabricarea de panouri

Ilum

inare

-led.

ro

22

solare dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabilă se va obţine prin utilizarea în combinaţie cu sisteme de lentile, aşa numitele sisteme de concentrare.

3.2.1.5. Îmbătrânirea

Prin îmbătrânire înţelegem modificarea parametrilor de funcţionare a elementelor semiconductoare a celulelor solare în timp. În cazul de faţă în special scăderea randamentului pe parcursul vieţii acestora.

Perioada luată în considerare este de cca 20 ani, În condiţii de utilizare terestră, randamentul scade cu cca 10 %, pe când în spaţiu acest procent se atinge într-un timp mult mai scurt datorită câmpurilor de radiaţii mult mai puternice.

Pierdere de randament în utilizare se datorează în multe cazuri unor cause banale independente de celulele solare. Aici enumerăm murdărirea suprafeţelor sticlei de protecţie a modulelor, mucegăirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetaţia din jur crescută între timp, ingălbirea polimerilor care constituie materialul de contact între celulă şi sticlă.

3.2.2. Panoul fotovoltaic

Un panou solar fotovoltaic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar sunt celulele solare.

Avand in vedere faptul ca un singur panou poate produce o cantitate limitata de putere, multe instalatii contin mai multe panouri. Un sistem fotovoltaic contine de obicei o serie de panouri fotovoltaice, un invertor, poate contine si un sistem de baterii si cablurile de interconectare.

Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici cum ar fi tensiunea de mers în gol sau curentul de scurtcircuit.

Pentru a îndeplini condiţiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se vor asambla în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura:

• protecţie transparentă împotriva radiaţiilor şi intemperiilor

• legături electrice robuste

• protecţia celulelor solare rigide de acţiuni mecanice

• protecţia celulelor solare şi a legăturilor electrice de umiditate

• asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare

• protecţia împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate

• posibilitatea manipulării şi montării uşoare

Se cunosc diferite variante de construcţie a modelelor existente de panouri solare.

3.2.2.1. Elementele constructive ale unui panou solar

• Un geam (de cele mai multe ori geam securizat monostrat) de protecţie pe faţa expusă la soare;

Ilum

inare

-led.

ro

23

• Un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc siliconic) în care se fixează celulele solare;

• Celule solare monocristaline sau policristaline conectate între ele prin benzi de cositor;

• Caserarea feţei posterioare a panoului cu o folie stratificată din material plastic rezistent la intemperii, Tedlar şi Poliester;

• Priză de conectare prevăzută cu diodă de protecţie respectiv diodă de scurtcircuitare şi racord;

• O ramă din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare şi montare, pentru fixare şi rigidizarea legăturii.

3.2.2.2. Procesul de fabricaţie a panoului solar

Fabricarea începe întotdeauna de pe partea activă expusă la soare. La început se pregăteşte şi se curăţă un geam de mărime corespunzătoare. Pe acesta se aşează un strat de folie de etilen vinil acetat, EVA adaptat profilului celulelor solare utilizate.

Celulele solare vor fi legate cu ajutorul benzilor de cositor în grupe (şiruri - strings) care mai apoi se aşează pe folia de EVA după care se face conectarea grupelor între ele şi racordarea la priza de legătură prin lipire.

În final totul se acoperă cu o folie EVA şi peste aceasta o folie tedlar. Pasul următor constă în laminarea panoului în vacuum la 150 °C. În urma laminării din folia EVA plastifiată, prin polimerizare, se va obţine un strat de material plastic ce nu se va mai topi şi în care celulele solare sunt bine incastrate şi lipite strâns de geam şi folia de tedlar.

După procesul de laminare, marginile se vor debavura şi se va fixa priza de conectare în care se vor monta diodele de bypass. Totul se prevede cu o ramă metalică, se măsoară caracteristicile şi se sortează după parametrii electrici după care se împachetează.

3.2.2.3. Rolul diodei by-pass

Atunci când o parte dintr-un modul fotovoltaic este umbrită, celulele acoperite nu vor putea produce la fel de mult curent ca celulele neacoperite.

Cum toate celulele sunt conectate în serie, aceeaşi cantitate de curent trebuie sa curga prin fiecare celulă.

Celulele neacoperite vor forţa celulele acoperite să permită trecerea unui curent mai mare decât noul lor curent de scurtcircuit. Singura cale în care celulele acoperite pot opera la un curent mai mare decat curentul de scurtcircuit este să opereze într-o regiune de voltaj negativ care duce la o pierdere netă de tensiune în sistem. Curentul înmulţit cu această tensiune negativă dă puterea negativă produsă de celulele umbrite. Cu alte cuvinte, celulele umbrite vor disipa puterea prin căldură şi vor crea puncte fierbinţi, scăzând în acelaşi timp randamentul total al grupului de celule. Efectul acestei umbriri este dependent şi de felul în care modulul este umbrit. Este mult mai rău daca se acoperă o celulă pe 75% din suprafaţă decât dacă se umbresc trei celule pe 25% din suprafaţă fiecare. Deci, daca nu se poate evita umbrirea, trebuie încercată o împrăştiere pe un număr mai mare de celule.

Ilum

inare

-led.

ro

24

O metodă de a minimiza efectele acestui fenomen o reprezintă folosirea de diode by-pass în cutia de joncţiune. Diodele by-pass permit curentului să treacă pe lângă celulele acoperite reducând astfel pierderile de tensiune prin modul. Atunci când modulul este acoperit, dioda by-pass intră în polarizare directă şi începe să conducă curent. Tot curentul care are o valoare mai mare decât noul curent de scurtcircuit al celulei trece prin diodă, reducând drastic încălzirea locală pe zona acoperită. Dioda de asemenea menţine întregul modul umbrit sau grupul de celule la o tensiune negativă mică de aproximativ -0,7 V, limitând astfel reducerea la ieşirea panoului.

Fig. 3-3. Schemă cu diode de by-pass şi de blocare.

3.2.3. Captarea energiei solare pe teritoriul Romaniei

Unul dintre cele mai importante aspecte în instalarea unui sistem cu panouri fotovoltaice este reprezentat de iradianţa solară. Fiecare poziţie geografică are caracteristici diferite de iradianţă, şi în funcţie de aceasta se alege în primul rând puterea panoului şi apoi unghiul la care va fi montat.

Având în vedere suportul extensiv oferit de guvernele din întreaga lume pentru energiile regenerabile, există foarte multe aplicaţii cu care se pot determina necesităţile în materie de panou pentru zone geografice specifice.

Ilum

inare

-led.

ro

25

Uniunea Europeană oferă, prin programul PVGIS (Photovoltaic Geographical Information System) – Sistemul de Informaţii Geografice pentru Sistemele Fotovoltaice, pe sit-ul http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ o aplicaţie cu care se poate determina ce panou ne trebuie într-o anumita zonă geografică în funcţie de puterea consumată estimată.

Fig. 3-4. Harta reprezintă suma anuală de iradianţă globală pe suprafaţa orizontală, media a 10 ani în perioada 1981-1990 [kWh/m2]. Legenda cu aceeaşi culoare reprezintă de asemenea potenţialul de electricitate solară [kWh/kWp] generată de un sistem de 1 kWp pe an cu module fotovoltaice

montate la o înclinare optimă şi asumând o rată de performanţă a sistemului de 0.75.

3.3. Bateriile

Sistemele fotovoltaice de sine stătătoare nu pot funcţiona fără a avea o metodă fiabilă de stocare a energiei. Fără baterii operarea sistemului este limitată la orele de lumină când soarele este destul de puternic; cu ajutorul bateriilor utilizatorul devine independet de variaţiile luminii de la soare şi se poate aştepta la electricitate noaptea şi ziua. Multe noi tipuri de baterii pentru stocarea energiei solare au intrat pe piaţă în ultimii ani, incluzând bateriile cu nichel-cadmiu (NiCd), nichel-metal-hidridă (NiMH) şi litiu-ion (Li-Ion), însă majoritatea sistemelor FV de sine stătătoare folosesc mai tradiţionalele baterii cu acid-plumb, acestea din urmă fiind folosite în prezenta lucrare.

Deşi automobilele au montate o baterie de 12V care ar părea la prima vedere potrivită pentru sistemul nostru, există diferenţe importante în ciclul de folosire raportat la bateriile pentru sisteme solare. Bateria auto trebuie să ofere curenţi mari, de ordinul sutelor de amperi, pentru o perioadă foarte scurtă pentru a porni motorul. Bateria nu se descarcă substanţial decât în rare ocazii. În

Ilum

inare

-led.

ro

26

schimb, o baterie pentru sisteme solare furnizează curenţi mai mici pentru o perioadă mult mai lungă, trebuie să facă faţă ciclurilor de incărcare, trecând prin sute, chiar mii, de cicluri incărcare-descărcare fără a suferi daune. Aceste baterii se aseamănă astfel mai mult cu cele montate pe rulote şi barci pentru utilităţi. Cerinţele de fiabilitate şi durabilitate specifice sistemelor solare au dus la dezvoltarea unor baterii specializate de tip „ciclu profund” (deep-cycle).

Bateriile acid-plumb de înaltă calitate pentru sistemele FV de sine stătătoare trebuie să aibă o durată de funcţionare lungă sub condiţii de încărcare şi descărcare frecvente. Cum electricitatea fotovoltaică este preţioasă, în special în perioadele înnorate şi lipsite de lumină ale iernii, bateriile trebuie să aibă de asemenea şi rate de autodescărcare mici şi un randament foarte bun. În general bateriile solare au o rată de autodescărcare de aproximativ 3% pe lună. Randamentul este calculat în trei moduri:

Randamentul de încărcare, procentul de sarcină pusă într-o baterie care poate fi recuperata, in general 85%.

Randamentul tensiunii, care reflectă faptul că tensiunea în timpul descărcării este mai mică decât în timpul încărcării.

Randamentul energetic, produsul randamentelor de încărcare şi cel al tensiunii; are de obicei valoarea de 75%.

Se poate observa faptul că se produc pierderi de energie substanţiale într-un sistem de sine stătător chiar şi în cazul bateriilor de calitate foarte bună. Totuşi, nu toată energia produsă de panoul fotovoltaic (sau sistemul de panouri în cazul instalaţiilor mai complexe) trebuie să treacă prin procesul de încărcare/descărcare al bateriilor: în perioadele de vară, când soarele este puternic, bateriile pot fi încărcate la maxim în mare parte din timp iar electricitatea de la panourile fotovoltaice poate să meargă direct la o sarcină suplimentară.

O baterie de 12 V este formată din 6 celule electrochimice înseriate, fiecare un un voltaj nominal de 2 V. O baterie de 6 V este formată din 3 celule ş.a.m.d. Fiecare celulă are un electrod pozitiv şi unul negativ realizat din aliaj de plumb, într-un electrolit de acid sulfuric diluat. Pot fi identificate două categorii de celule (şi baterii):

Nesigilate, care folosesc un electrolit lichid şi la care trebuie făcută completarea cu apa distilată în mod regulat. Este necesară o ventilaţie adecvată întrucât în timpul încărcării se eliberează hidrogen.

Sigilate VRLA (Valve Regulated Lead Acid battery – baterie Acid-Plumb cu Valvă Regulatoare), care sunt sigilate cu o valvă care permite gazului să iasă numai în cazul unei suprapresiuni. În operarea normală, micile cantităţi de hidrogen şi oxigen produse în timpul încărcării se recombină pentru a forma apă, astfel încţt nu este necesară completarea cu apă. Un model alternativ de baterie sigilată foloseşte un electrolit sub formă de gel. În general, bateriile VRLA necesită un regim de încărcare strict, neavând nevoie de prea multă mentenanţă.

Bateriile recomandate pentru ciclurile multiple în sistemele FV au de obicei electrozi speciali sub formă de plăci tubulare. Dacă nu sunt descărcate mai mult de 30% supravieţuiesc câteva mii de cicluri de încărcare/descărcare; dacă sunt descărcate în mod regulat cu până la 80%, aproximativ o mie de cicluri.

Ilum

inare

-led.

ro

27

Capacitatea unei celule sau a unei baterii este de obicei măsurată în amperi oră (Ah), fiind produsul dintre curentul furnizat şi cât timp acesta „curge”. De exemplu, dacă o baterie plină de 12 V poate da 20 A timp de 10 ore, aceasta are capacitatea de 200 Ah (fiind uzual numită baterie de „200 de amperi”). Cum tensiunea este de 12 V, energia totală stocată este de 200*12 = 2400 Wh, sau 2.4 kWh.

Totuşi, este important de realizat faptul că randamentul energetic şi capacitatea bateriilor depind de rata de descărcare. Cu cât se descarcă mai repede, cu atât este mai redusă capacitatea. În consecinţă, atunci când un producător spune că o baterie are capacitatea de 200 Ah, acesta se referă la cazul particular în care timpul de descărcare este de 10 ore, iar această informaţie trebuie precizată. Se spune că bateria are capacitatea de 200 Ah la rata de 10 ore. În general se obţine un maxim de energie de la o baterie printr-o descărcare cât mai înceată posibil. La sistemele fotovoltaice o rată de 100 de ore este de obicei considerată relevantă. Capacitatea bateriei depinde semnificativ şi de temperatură. Capacitatea este calculată la temperatura de 200 C şi aceasta scade cu aproximativ 1% pentru fiecare grad în minus. În acelaşi timp, la temperaturi foarte mari (400 C), bateriile au o capacitate mai mare, de 102%.

Foarte important este cum variază tensiunea unei baterii acid-plumb în timpul încărcării şi descărcării deoarece chargerul, care reglează fluxul curentului de la panou în baterii, foloseşte tensiunea drept „semnal de control” pentru a proteja bateriile şi a le prelungi durata de viaţă.

Fig. 3-5. Caracteristica tipică de încărcare a unei baterii acid-plumb de 12 V.

Atunci când o baterie este pusă la încărcat la un current constant tensiunea variază după cum se poate observa în figura 3-5. Iniţial aproape de 12 V, tensiunea creşte constant cu starea de încărcare (State Of Charge – SOC). În faza finală, creşte mai repede, ajungând la peste 14 V la atingerea încărcării complete (SOC = 100%). Dacă bateria este nesigilată, această ultimă fază este acompaniată de gazare în electrolitul lichid, producându-se hidrogen si oxigen. Gazarea excesivă poate avea loc dacă se continuă încărcarea şi poate produce daune celulelor; este extrem de importantă o ventilaţie adecvată a spaţiului în care sunt depozitate bateriile pentru a evita riscul producerii unei explozii. Totuşi, supraîncărcări controlate pot avea loc ocazional, purtând numele de încărcare de egalizare, acestea fiind utile pentru a evita stratificarea în diferite nivele de concentraţie de acid. La bateriile sigilate supraîncărcarea trebuie evitată iar egalizarea este irelevantă.

Ilum

inare

-led.

ro

28

O bună schemă de încărcare, care ajută la păstrarea bateriei în condiţii de top constă în furnizarea unei încărcări forţate de tip boost charge folosind tot curentul disponibil; apoi, la apropierea SOC-ului de valoarea de 100% furnizarea unei încărcări de absorbţie (absorption charge) la un nivel constant de tensiune si un curent mic; în final, o încărcare de tip float care menţine bateria la încărcare maximă, evitând în acelaşi timp supraîncărcarea. Desigur, într-un sistem FV dependent de lumina solară variabilă, fără sursă de încărcare în timpul nopţiim nu ne putem aştepta la un regim optim de încărcare.

Fig. 3-6. Caracteristica tipică de descărcare a unei baterii acid-plumb de 12 V.

Figura 3-6 arată caracteristicile tipice ale tensiunii atunci când bateria de 200 Ah si 12 V este descărcată la curent constant. Curba notată 10h arată caracteristica de descărcare la 20 A pentru 10 ore, ceea ce reduce voltajul până la 11 V, punct în care producătorul recomandă deconectarea sarcinii pentru a evita producerea de daune. La acest punct s-a folosit 100% din capacitatea bateriei. Dar dacă o descărcăm la rata mai scăzută de 2 A timp de 100 de ore se obţine curba notată 100h. Tensiunea stă mai bine şi sarcina disponibilă este substanţial mai mare, lucru care scoate în evidenţă dependenţa capacităţii de rata de descărcare.

Este bine de ştiut faptul că trebuie evitată pe cât posibil supradescărcarea severă sau menţinerea la un nivel scăzut al SOC-ului pe perioade foarte lungi. La bateriile nesigilate pericolul principal îl reprezintă sulfatarea, care constă în formarea de cristale mari de cristale de sulfat pe plăci, fapt care duce la scăderea capacităţii şi deteriorare.

Într-un sistem fotovoltaic practic nu ne putem aştepta ca încărcarea şi descărcarea să aibă loc la curent constant sau în cicluri regulate de consum constant. Situaţia este mult mai complicată şi depinde de disponibilitatea luminii solare în comparaţie cu cerinţele pentru electricitate ale utilizatorului. În general se pot identifica fluctuaţii zilnice ale luminii solare şi ale consumului sarcinii, precum şi fluctuaţii sezoniere. În verile însorite bateriile vor fi mai mereu încarcate la maxim (cu SOC = 100%), consumul fiind şi el mic din cauza lungimii reduse a nopţilor; în schimb, pe perioade lungi de cer acoperit şi în lunile de iarnă, consumul pe o durată mult mai mare poate duce la perioade cu SOC scăzut cu riscul de tăiere a sarcinii. Statisticile anuale ale ciclurilor de încărcare/descărcare în sistemele fotovoltaice apar deseori ca aleatorii şi neregulate. Cu toate acestea, este foarte important să ştim cum funcţionează bateriile şi cum putem îmbunătăţi sistemul.

Ilum

inare

-led.

ro

29

3.4. Charger-ul

Charger-ul este folosit pentru a regla fluxul de curent de la panoul fotovoltaic (sau sistemul de panouri) în baterii, şi de la baterii la diverse sarcini electrice. Acesta are rolul de a preveni supraîncărcarea atunci când sursa de electricitate solară depăşeşte cererea, precum şi supradescărcarea, atunci când cererea depăşeşte posibilităţile sursei. Diverse unităţi de control şi display sunt adăugate, în funcţie de preţ şi cât de sofisticată este unitatea, care sunt incluse pentru a proteja bateriile împotriva deteriorării şi a asigura un regim de operare care să le maximizeze performanţele şi durata de viaţă. Bateriile sunt o parte scumpă a majorităţii sistemelor de sine stătătoare, în special acelea care trebuie să furnizeze o sursă de electricitate de încredere zi şi noapte, astfel încât costul relativ modest al unui charge controller de calitate reprezintă bani bine cheltuiţi.

Cele două sarcini principale ale charger-ului sunt evitarea supraîncărcării şi a supradescărcării, în funcţie de tensiunea bateriilor. Supraîncărcarea se evită prin deconectarea panoului odată ce tensiunea în baterii atunge punctul maxim setat, pentru o baterie de 12 V valorile fiind în general de 14 V pentru încarcare float, 14.4 V pentru încărcare boost şi 14.7 V pentru încărcarea de egalizare necesară în cazul bateriilor nesigilate. Descărcarea excesivă este prevenită prin deconectarea sarcinii şi/sau atenţionarea odată ce se atinge o valoare minimă, care este de obicei la 11 V. Între aceste extreme, încărcarea şi descărcarea continuă în acord cu cantitatea de soare care pică pe panoul fotovoltaic şi puterea consumată de sarcină.

Fig. 3-7. Schemă simplă de sistem solar pentru uz casnic.

În mod ideal, charger-ul estimează continuu SOC-ul bateriei şi se foloseşte de valoarea acestuia pentru a regla curentul acceptat de la panou. În realitate, este mai complicat decât pare deoarece SOC-ul nu depinde numai de tensiunea instantanee a bateriei, ci şi de comportamentul din trecut. De exemplu, dacă o baterie a furnizat curent sarcinii pentru o perioadă şi tensiunea a scăzut, atunci la deconectare îşi revine uşor, chiar şi fără a mai fi încărcată. Invers, dacă bateria se încarcă de ceva timp, şi tensiunea a crecut, atunci când se opreşte încărcarea nivelul tensiunii scade un pic. Cu alte cuvinte, tensiunea pe care charger-ul o culege la nivelul bateriilor nu este un indicator exact al stării de încărcare. Folosind diverşi algoritmi, charger-ul trebuie să ia în considerare istoria bateriei împreună cu valoarea curentă a tensiunii şi să calculeze astfel SOC-ul şi să aleagă în mod corespunzător tipul potrivit de încărcare.

O problemă importantă este cea a histerezisului. Atunci când se atinge valoarea maximă setată şi se deconectează panoul pentru evitarea supraîncărcării, tensiunea bateriei începe imediat să scadă,

Ilum

inare

-led.

ro

30

chiar dacă nu este conectată nicio sarcină. Histerezisul dintre tensiunile de deconectare si reconectare este un compromis care trebuie ales cu grijă. La fel se întâmplă şi la valoarea minimă setată, deoarece tensiunea trebuie lăsată o perioadă să îşi revină înainte de reconectarea automată.

În cazul sistemelor de uz casnic bazate pe un singur panou fotovoltaic şi o baterie de 12 V care ţine în funcţiune câteva lămpi cu consum mic şi un mic televizor, o unitate simplă care să controleze câţiva amperi de curent la 12 V este potrivită. În figura 3-7 se poate observa o schemă a unui astfel de sistem. Siguranţa montată în apropierea bornei + a bateriei este folosită pentru protecţie în caz de scurtcircuit.

Dacă însă luăm în considerare un sistem profesional, presupunem ca avem mai multe panouri care au împreună 1 kW peak care alimentează mai multe baterii cu tensiunea de 24 V, curentul solar maxim fiind de aproximativ 30 A. Un controler potrivit trebuie să ofere un număr de opţiuni, cum ar fi:

Alegerea tipului de baterie între baterii sigilate sau nesigilate. Protecţie împotriva conectării inverse a polarităţilor modulului fotovoltaic sau

bateriilor. Selectarea automată a regimului de încărcare în funcţie de SOC-ul bateriilor (boost,

float, egalizare). Protecţie împotriva supraîncărcării bateriilor şi a descărcării profunde, curenţilor de

sarcină excesivi şi scurtcircuitelor accidentale. Prevenirea curentului invers pe timpul nopţii. Afişarea unor parametri cum sunt tensiunea bateriei şi/sau SOC-ul estimat, curenţii

la nivelul panoului şi a sarcinii şi anunţarea înaintea deconectării sarcinii.

Costul unităţii va depinde cu siguranţă de cât de multe din aceste opţiuni sunt incluse, iar cu creşterea complexităţii sistemului, şi evident a puterii, funcţiile de protecţie şi monitorizare devin mai importante şi sofisticate.

Se cunosc trei tipuri de charge controlere: controlere serie, controlere şunt şi controlere MPPT (maximum power point tracking) care urmăresc punctul de putere maximă. Cele din urmă reprezintă obiectul de studiu în această lucrare.

3.4.1. Charger-ul MPPT

Până de curând, datorită electronicii complexe şi a costurilor mari charger-ele MPPT erau considerate produse de nişă, folosite în special în sistemele de sine stătătoare mari. Dar odată cu dezvoltarea tehnologică, costul acestora a scăzut, devenind disponibile pentru publicul larg. Avantajul potenţial constă în faptul că se realizează un calcul activ al punctului de putere maximă, nu se foloseşte o valoare prestabilită, putându-se extrage considerabil mai multă energie şi îmbunătăţind eficienţa sistemului. Permiţând sistemului de panouri fotovoltaice să opereze la o tensiune diferită de cea a bateriilor, se deschid noi posibilităţi.

Ilum

inare

-led.

ro

31

În figura 3-8 se poate observa schema de bază a unui charger MPPT. Elementul cheie este un convertor DC-DC care permite panoului să opereze la o tensiune diferită de cea a bateriei. Însă nu asta este partea cea mai importantă şi inovativă în charge controlerul MPPT, ci abilitatea de a „simţi” punctul de putere maximă MPP (Maximum Power Point) al panoului sau sistemului de panouri cu schimbarea nivelului luminii solare, în momente diferite ale zilei şi în diverse stadii ale vremii. Aceasta se obţine printr-un algoritm care realizează o urmărire electronică continuă a punctului MPP al panoului, modificând în funcţie de acesta tensiunea la intrarea convertorului.

Fig. 3-8. Schema unui charger MPPT.

La ieşire se foloseşte un algoritm avansat care asigură o rată de încărcare adaptată continuu la SOC-ul estimate al bateriilor. Acesta dispune de un controler PWM (pulse width modulation).

Fig. 3-9. Diferenţa de randament.

În figura 3-9 se poate observa diferenţa de randament dintre încărcarea folosind MPPT şi încărcarea clasică. Se poate observa o diferenţă semnificativă între cele două situaţii: cu albastru închis este reprezentat randamentul în cazul încărcării clasice (care dă un randament maxim un pic peste 97% la 85W) şi cu albastru deschis randamentul în cazul încărcării MPPT (se observă clar atingerea unui randament peste 98% la puteri mult mai mari).

Ilum

inare

-led.

ro

32

3.5. Clasele de iluminare pentru iluminatul căilor de circulaţie

Clasa sistemului de iluminat defineşte sistemul de iluminat în funcţie de caracteristicile de trafic rutier şi de categoria căii de circulaţie. Standardul SR13433 stabileşte condiţiile pentru iluminatul căilor de circulaţie destinate traficului rutier, pietonal şi/sau cicliştilor şi al altor zone care nu fac obiectul prezentei lucrări.

Se definesc următoarele notiuni:

1) Uniformitate generală a iluminării, U0(E): Raport între iluminarea minimă Emin şi iluminarea medie, Em, ambele considerate pe toată suprafaţa de calcul:

U0(E)=Emin/Em

2) Uniformitatea generala a luminanţei, U0(L): Raport intre luminanţa minimă, Lmin şi luminanţa medie, Lm, ambele considerate pe toată suprafaţa de calcul:

U0(L)=Lmin/Lm

3) Raport de zonă alaturată, SR: Raport între iluminarea medie de pe o porţiune de 5 m lăţime (sau mai puţin, dacă spaţiul nu o permite) de o parte şi de alta a sensurilor de circulaţie şi iluminare medie a căii de circulaţie de pe o lăţime de 5 m (sau jumătate din lăţimea fiecărui sens de circulaţie – care dintre ele este mai mică).

4) Uniformitate longitudinală a luminanţei, U1(L): Raport între luminanţa minimă, Lmin,1 şi luminanţa maximă, Lmax,1, ambele considerate pe axul benzii de circulaţie al zonei de calcul şi în direcţia de desfăşurare a traficului rutier:

U0(L)=Lmin,1/Lmax,1 5) Iluminare medie, Em: Medie aritmetică a iluminărilor pe suprafaţa de calcul. 6) Iluminare minimă, Em,min: Cea mai mică valoare a iluminării punctuale pe suprafaţa de

calcul. 7) Luminanţa medie: Lm: Medie aritmetică a luminanţelor de pe suprafaţa de calcul. 8) Luminanţa maximă pe axul benzii, Lmax,1: Cea mai mare valoare a luminanţei pe axul benzii

de circulaţie al zonei de calcul şi în direcţia de desfăşurare a traficului rutier. 9) Luminanţa minimă pe axul benzii de circulaţie, Lmin,1: Cea mai mică valoare a luminanţei pe

axul benzii de circulaţie al zonei de calcul şi în direcţia de desfăşurare a traficului rutier. 10) Luminanţa minimă pe suprafaţa de calcul, Lmin: Cea mai mică valoare a luminanţei de pe

suprafaţa de calcul. 11) Reflectanţa, factor de reflexie, ρ: Raport între fluxul luminos reflectat şi fluxul luminos

incident.

Un sistem de iluminat destinat unei căi de circulaţie reprezintă un ansamblu realizat de corpuri de iluminat speciale (echipate cu surse de lumină adecvate) amplasate într-o dispunere specifică, în scopul realizării unui mediu luminos confortabil pentru desfăşurarea în siguranţă a traficului rutier.

Condiţii de iluminat

Condiţii de iluminat pentru căi de circulaţie destinate traficului rutier

a Clasa sistemului de iluminat pentru o cale de circulaţie este determinată de traficul rutier şi de categoria căii de circulaţie, conform tabelului de mai jos.

Ilum

inare

-led.

ro

33

Categoria caii de circulatie destinate traficului rutier Clasa sistemului de iluminat Cai de circulatie cu trafic rutier de mare viteza, cu sensuri de circulatie separate prin zone de protectie, fara intersectii si cu un control complet al accesului (autostrazi, drumuri expres). Intensitatea traficului rutier si complexitatea configuratiei caii de circulatie1):

Ridicate Medii

Scazute

M1 M2 M3

Cai de circulatie cu trafic rutier de mare viteza, cu doua sensuri de circulatie Dirijarea circulatiei rutiere2) si separarea3) diferitelor categorii de utilizatori ai caii de circulatie4):

Slabe Bune

M1 M2

Cai de circulatie urbane cu trafic important Cai de circulatie radiale Dirijarea circulatiei rutiere2) si separarea3) diferitelor categorii de utilizatori ai caii de circulatie4):

Slabe Bune

M2 M3

Cai de circulatie urbane cu trafic mai putin important Cai de acces in zone rezidentiale Dirijarea circulatiei rutiere2) si separarea3) diferitelor categorii de utilizatori ai caii de circulatie4):

Slabe Bune

M4 M5

1) - Complexitatea configuraţiei căii de circulaţie se referă la infrastructura căii, modificările de trafic şi zonele alăturate.

Factorii care trebuie luaţi în considerare sunt:

- numărul de benzi de circulaţie; - denivelările; - indicatoarele şi panourile de semnalizare rutieră; - semafoarele.

2) - Dirijarea circulaţiei rutiere se referă la:

- prezenţa indicatoarelor şi panourilor de semnalizare rutieră; - prezenţa semafoarelor; - existenţa reglementărilor de trafic rutier.

3) - Separarea se referă la benzi speciale destinate unei anumite categorii de utilizatori ai căii de circulaţie (de exemplu: ciclişti).

4) - Diferitele categorii de utilizatori ai căii de circulaţie sunt, de exemplu: autoturisme, autocamioane, turbotrailere, autodube, biciclete, pietoni.

b Iluminatul unei căi de circulaţie destinate traficului rutier trebuie să îndeplinească condiţiile din tabelul de mai jos:

Ilum

inare

-led.

ro

34

Clasa sistemului de iluminat

Categoria caii de circulatie destinate traficului rutier Toate tipurile de cai de circulatie

Toate tipurile de cai de circulatie

Toate tipurile de cai de circulatie

Cai de circulatie cu intersectii

putine sau fara intersectii

Cai de circulatie cu trotuare neiluminate

conform clasei P1 – P4

Lm cd/m2 min.

U0 (L)

min.

TI %

max.

U1(L)

min.

SR

min. M1 2,00 0,4 10 0,7 0,5 M2 1,50 0,4 10 0,7 0,5 M3 1,00 0,4 10 0,5 0,5 M4 0,75 0,4 15 fara valoare

impusa fara valoare

impusa M5 0,50 0,4 15 fara valoare

impusa fara valoare

impusa Lm - luminanţa medie pe suprafaţa de calcul, în candele pe metru pătrat;

U0(L) - uniformitatea generală a luminanţei;

U1(L) - uniformitatea longitudinală a luminanţei;

TI - indice de prag: creşterea pragului percepţiei vizuale, în procente;

SR - raport de zonă alaturată.

4. Sistemul de iluminat public de sine stătător

4.1. Dimensionarea sistemului de sine stătător

4.1.1. Programul DIALUX

DIALux este un software pentru proiectare în iluminarea mai multor tipuri de spaţii. Este disponibil gratuit şi poate fi folosit cu lămpile oricărui producător. DIALux este cel mai eficient software de calculare de pe piaţă. El acoperă toate cerinţele moderne pentru proiectarea şi calcularea iluminării. Pentru a se menţine în top, DIALux este dezvoltat continuu. Toate actualizările sunt de asemena gratuite.

Folosind DIALux se pot rezolva foarte multe tipuri de probleme, mergând de la iluminatul interior până la iluminatul extern, beneficiind de foarte multe unelte suplimentare.

Am utilizat programul DIALux 4.9.

4.1.2. Crearea unui proiect

Înaintea începerii unui nou proiect trebuie să avem în vedere mai mulţi factori. În primul rând trebuie să ştim care sunt lămpile pe care le avem la dispoziţie, să obţinem de la producător datele specifice lămpii şi să le importăm în DIALux. Apoi trebuie să aflăm informaţii specifice legate de suprafaţa care va fi iluminată. De exemplu, dacă avem de iluminat o stradă, vor fi necesare informaţii de genul: câte benzi are strada, cum sunt sensurile de circulaţie, există trotuar, există pistă de biciclete, avem o distanţă obligatorie între stâlpi (pentru montarea pe soclurile celor vechi), avem

Ilum

inare

-led.

ro

35

o înălţime maximă a stâlpilor, normele care trebuie respectate şi multe alte detalii care trebuie să vină de la beneficiar.

4.1.2.1. Crearea unui nou proiect

Deschidem programul DIALux şi alegem tipul de proiect pe care vrem să îl realizăm, în cazul nostru „New Street Project”.

Fig. 4-1. Alegerea proiectului în DIALux.

Apoi se adauga o lampă.

4.1.2.2. Adăugarea unei noi lampi

Pentru lampa IPL-2M produsă de ICPE se oferă fişierul „IPL-2M-120x60.ies”. În programul DIALux se alege „Luminaire Selection\My Database...”. În partea din dreapta se alege „Import”. De obicei programul lucrează cu fişiere de tip „ULD” însă acceptă şi fişierul „IES”. Astfel alegem „Files of type: All files” şi selectăm „IPL-2M-120x60.ies”. Apoi, alegem „Manufacturer: ICPE” şi apăsăm pe butonul „Apply”.

Fig. 4-2. Adăugarea unei noi lămpi.

Ilum

inare

-led.

ro

36

4.1.2.3. Modificarea parametrilor

Pentru a avea acces la setări suplimentare se dă clic dreapta pe „Street 1” şi se alege „Insert Street Arrangement”. Tab-ul „Luminaire” oferă informaţiile specifice lămpii, care au fost importate mai devreme.

În tab-ul „Pole / Boom” se pot modifica parametrii stâlpului. Astfel se poate alege înălţimea la care va fi montată lampa, lungimea braţului pe care este montată lampa, distanţa între stalpi, numărul de lampi montate pe stalp, distanta fata de carosabil si altele.

În tab-ul „Arrangement” se poate selecta dispunerea lămpilor pe marginea drumului: un singur rând în partea de jos, un singur rând în partea de sus, două rânduri opuse sau două rânduri alternativ.

Fig. 4-3. Dispunerea lămpilor.

După finalizarea selecţiilor se alege „Insert”.

Alegând „Roadway 1” se pot face setările specifice suprafeţei de iluminat.

Astfel, în tab-ul „General” se introduce lăţimea drumului şi numărul de benzi.

În tab-ul „Street Coating” se pot modifica parametrii suprafeţei şoselei.

În tab-ul „Observer” se pot modifica vârstele observatorilor care sunt poziţionaţi la distanţe diferite faţă de drum.

Alegând „Roadway 1 \ Valuation Field Roadway 1” se poate alege clasa de iluminare. Există mai multe clase de iluminare care dau parametri care trebuie respectaţi de sistemul care urmează să fie montat.

Ilum

inare

-led.

ro

37

4.1.2.4. Calcularea solutiei

După alegerea corespunzătoare a parametrilor se porneşte realizarea calculelor. Pentru aceasta din meniul de sus se alege „Output / Start Calculation...” şi se bifează toate căsuţele.

Fig. 4-4. Calcularea soluţiei.

Apoi, pentru a putea vedea rezultatele se alege „Output / Configure Output”.

Alegând „Street 1 / Photometric Results” se poate verifica dacă se respectă cerinţele pentru clasa de iluminare selectată. Dacă clasa de iluminare nu este fixă, se poate modifica pentru a fi corespunzătoare cu echipamentele. Dacă însă avem obligaţia de a respecta o anumită clasă, şi de exemplu totul este în regulă mai puţin parametrul „UI” se poate modifica înălţimea stâlpului (la 6 metri înălţime nu se respectă clasa, în timp ce la 12 metri se respectă respectiva clasă).

Fig. 4-5. Respectarea parametrilor.

Ilum

inare

-led.

ro

38

Pentru a observa iluminarea suprafetei străzii se alege „Street 1 / Valuation Fields / Valuation Filed Roadway 1 / Isolines (E)”.

Fig. 4-6. Isoliniile.

După selectarea parametrilor necesari pentru raport se poate tipări raportul. Pentru aceasta se poate alege „File / Export / Save output as PDF...” şi se alege „All”. Raportul rezultat este unul profesionist recunoscut în toată lumea, putând fi folosit fără niciun fel de probleme pentru orice tip de proiecte.

În urma acestui raport se va putea stabili consumul total al sistemului. În funcţie de acesta vom construi mai departe restul sistemului.

4.1.3. Lampa de iluminat

Fig. 4-7. Lampa de iluminat IPL-2M

Lampa de iluminat IPL-2M – 56 W conţine două module LED de 28 W şi un convertor DC-DC destinat alimentării în curent constant a modulelor de LED-uri. Convertorul DCCC 2415, realizat de ICPE – Inginerie Electrică, este optimizat pentru aplicaţiile de iluminat stradal cu sisteme fotovoltaice bazate pe baterii de acumulatori de 24 V. Avantajul major obţinut prin conectarea acestui dispozitiv între bateria de acumulatori şi modulul de LED-uri este dat de intensitatea constantă a luminii furnizate de modulul de LED-uri, deşi tensiunea furnizată de bateria de acumulatori scade odată cu descărcarea inerentă funcţionării.

Specificaţiile tehnice ale DCCC 2415:

• Tensiunea de intrare: 20......30 V

Ilum

inare

-led.

ro

39

• Curentul de ieşire: 1,5 A • Tensiunea maximă de ieşire: 35 V • Puterea maximă de ieşire: 35 W • Tensiunea de deconectare LED-uri: 20 V • Tensiunea de reconectare LED-uri: 20,8 V • Randament: >86% • Dimensiuni: 11x11x11 – open frame

Fig. 4-8. DCCC 2415 realizat la ICPE

DCCC 2415 este integrat în carcasă şi este parte componentă a lămpii. Acesta a fost realizat special de ICPE – Inginerie Electrică pentru aplicaţiile solare.

În funcţie de cerinţele beneficiarului şi de tipul spaţiului ce urmează a fi luminat, se poate merge de la lămpi de iluminat cu un singur bloc de LED-uri de 28 W (pentru o curte privată, parcare, într-un parc sau pentru o zonă pietonală), la lămpi cu două blocuri LED de 28 W (în total 56 W) pentru aplicaţii de tip străzi circulate şi până la lămpi cu 4 sau 6 blocuri LED de 112 W respectiv 168 W pentru autostrăzi şi aplicaţii industriale.

4.1.4. Alegerea bateriilor

În momentul acesta ştim care este sarcina noastra: Pbec[W]= x W (de exemplu: lampa de iluminat IPL-2M – 56 W). Pentru a afla necesarul de energie ce trebuie furnizată de către baterie trebuie să ştim câte ore trebuie ca LED-urile noastre să lumineze, în funcţie de anotimp.

Pentru aceasta vom folosi sit-ul http://www.gaisma.com/ si am luat generic orasul Bucuresti. Pentru capitala putem observa un minim al luminii solare si un maxim al orelor de noapte in luna decembrie. Astfel ne vom folosi de valoarea de aproximativ 14 ore, timp in care lampa trebuie sa functioneze, in conditiile in care lumina solara este la un nivel minim (lumina afara-pe un cer nu lipsit de nori- intre orele aproximativ 7:30-16:30).

Ilum

inare

-led.

ro

40

Fig. 4-9. Graficul orelor de zi (galben) şi noapte (gri) în decursul unui an calendaristic pentru Bucureşti obţinut de pe gaisma.com; pe abscisă sunt notate lunile de la ianuarie la

decembrie, iar pe ordonată sunt notate orele de la 0 la 24.

Astfel, teoretic, cea mai mare energie consumată de sistem ar fi în luna decembrie şi ar avea valoarea Emax[W] = Pbec[W]*Tmax[h]. Pentru lampa IPL-2M am avea Emax=56*14=784 W. Foarte rar un producător de sisteme de sine stătătoare va spune că sistemul său funcţionează 14 ore. În general se alege o valoare medie globală (în general 9 ore) şi se asigură de asemenea un backup de un număr de zile.

Însă consumul nu se rezumă doar la cei 56 W pe care îi consumă doar blocul de LED-uri efectiv. Pe lângă acesta mai sunt până la baterii convertorul DC-DC, cablurile şi charger-ul care mai contribuie cu o creştere în consum.

Puterea de la panou cu pierderi în sistem de 14% 1510 Wh intr-o zi

Putere pe LED = P iesire DC driver 56 W eta dc driver(include pierdere pe firele de la bat la dc

driver) 0,86 Putere intrare dc driver 65,11628 W

Se impun 14 ore de functionare in medie intr-o zi

Din baterie se va consuma 911,6279 Wh intr-o zi < decat ce se primeste

in medie de la panou Se impune tensiunea sistemului la 24 V

Din baterie se vor consuma 37,984496 Ah intr-o zi Se impune nr de zile fara soare 3 zile

Capacitatea bateriei de 24 V ar fi 113,95348 Se impune nivelul de descarcare maxim admis al

bateriei la 60% adica bateria se descarca pana la (100 - nivelul setat)%

Capacitatea necesar pt ca bateria de 24 V sa fie descarcata la nivelul admis 189,92248 Ah

Se impune un factor de siguranta de 3% Capacitatea corectata cu factorul de sig 195,6201 Ah

Tabelul 4-1 Calculul bateriei

Am realizat tabelul 4-1 pentru a îmi uşura munca în dimensionarea bateriilor. Parametrii cei mai interesanţi sunt orele de funcţionare impuse şi numărul de zile fără soare, adică backup-ul.

Ilum

inare

-led.

ro

41

Primul câmp al tabelului, „Puterea de la panou cu pierderi în sistem de 14%” reprezintă energia medie de la soare pentru două panouri de 250 W, pe care am explicat în capitolul 4.1.5 cum o determin. Această valoare se foloseşte doar pentru comparaţie.

Câmpul „Puterea pe LED” se poate modifica în funcţie de lampă, restul valorilor depinzând de aceasta.

DC Driver-ul are randamentul de peste 86%; incluzând şi pierderile de 1-2% pe cabluri am impus o pierdere fixă de 86%.

Puterea de intrare DC Driver va fi egală cu raportul dintre puterea puterea pe LED şi randament.

Consumul se calculează prin produsul dintre puterea de intrare DC Driver şi orele impuse de funcţionare pentru o zi.

Calculul capacităţii bateriei incluzând şi backup-ul se face înmulţind consumul pentru o zi cu numărul de zile de backup dorite. Însă bateriile nu pot fi descărcate 100%, ci trebuie aleasă o valoare convenabilă de descărcare care ar permite un număr cât mai mare de cicluri încărcare/descărcare. Am ales valoarea 60%, adică în baterie să mai rămână 40% din capacitate.

Luând în considerare şi faptul că în timp caracteristicile bateriilor se modifică, am inclus şi un factor de siguranţă de 3%.

Fig. 4-10. Caracteristicile bateriilor Caranda Solar raportate la o celulă.

Daca vom folosi 2 baterii de 12V inseriate inseamna că vom avea o tensiune de 24V. Am folosit baterii de la firma Caranda, care au caracteristicile din figura 4-10.

Ilum

inare

-led.

ro

42

Din graficul caracteristici de descărcare se poate observa curba de descărcare pentru baterii pentru o utilizare de până la 20 ore.

Capacitatea minimă a bateriilor va trebui sa fie CA = 195,620 Ah. În concluzie se vor alege două baterii de 200 Ah SOLAR12-200.

4.1.5. Alegerea panoului

Panoul solar se alege cu ajutorul sit-ului http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/.

Aplicaţia oferită de Uniunea Europeană permite estimarea energiei obţinute folosind un anumit panou (cu diferite caracteristici) într-o anumită zonă geografică. Cele mai importante variabile sunt „Estimated system losses” – Pierderile estimate în sistem şi „Slope” – panta la care va fi montat panoul.

Pentru a putea calcula puterea peak a panoului trebuie mai întâi să estimăm pierderile în sistem.

Fig. 4-11. Meniul de selecţie a parametrilor pentru calcularea panoului fotovoltaic.

Randamentul injectorului de curent este 1=90%.

Ilum

inare

-led.

ro

43

Randamentul chargerului este 2=98%.

Pierderile în cablu sunt aproximativ 3%, rezultând un randament 3=97%.

1*2*3=> =85,54%

Putem estima pierderile în sistem la 14%.

Panta o putem modifica la 450, un unghi potrivit atât pentru vară cât şi pentru iarnă.

Fig. 4-12. Tabelul cu energia produsă pentru un sistem de 1 kWp.

În urma acestor modificări rezultă pentru Bucureşti la un sistem de panouri de 1 kWp tabelul din figura 4-12.

Ed: Producţia medie zilnică de electricitate pentru sistemul dat (kWh) Em: Producţia medie lunară de electricitate pentru sistemul dat (kWh) Hd: Suma zilnică medie de iradianţă globală pe metru pătrat recepţionată de modulele sistemului dat (kWh/m2) Hm: Suma medie de iradianţă globală pe metru pătrat recepţionată de modulele sistemului dat (kWh/m2)

Din tabel se poate observa că în luna decembrie se produce un minim de 1560 Wh. Având în vedere consumul de 56 W al becului ajungem la concluzia că în luna decembrie sistemul cu panouri de 1 kWh poate sa alimenteze sarcina timp de aproape 24 de ore. Având 14 ore de noapte în luna decembrie (adică mai mult de jumătate din cât ar lumina sistemul de 1 kWh) înseamnă că avem nevoie de jumătate din puterea estimată.

Rezultă că avem nevoie de două panouri de putere peak 250 W, cum ar fi FVG 60-156.

În acest mod se poate realiza estimarea oricarui sistem, cunoscând a priori cât va consuma sarcina şi cât de fiabil trebuie să fie sistemul. Într-un sistem care ilumineaza un drum nu pot exista concesii. În schimb dacă este vorba de un parc sau un proiect privat, având în vedere resursele limitate ale beneficiarului acesta poate opta pentru un sistem care să nu funcţioneze neapărat 14 ore în luna decembrie, realizând astfel o economie considerabilă.

Ilum

inare

-led.

ro

44

4.1.6. Alegerea chargerului

În toate sistemele realizate am utilizat chargere de la firma Steca Solar (http://www.stecasolar.com), în special modelul MPPT 2010. Acesta are avantajul că poate fi programat folosind telecomanda Steca PA RC100 (din poza de mai jos) în cazul în care pragurile de oprire/pornire nu sunt corespunzătoare, întrucât acest charger foloseşte tensiunea de pe panou pentru a face distincţia între noapte şi zi.

În tabelul de mai jos sunt trecute caracteristicile din fabrica ale chargerului MPPT 2010.

Tabelul 4-2. Caracteristicile chargerului MPPT 2010. Fig. 4-13. Steca PA RC100

Bat este tipul de baterie, care poate fi Liquid sau Gel.

SOC reprezinta starea de incarcare.

Night reprezinta lumina de noapte.

Float, Equal si Boost sunt parametri de incarcare.

LVD este tensiunea la care se deconecteaza sarcina.

LVR este tensiunea la care se reconecteaza sarcina.

Modificând valorile LVD şi LVR se pot schimba tensiunile pentru care se aprinde şi se stinge lampa.

Fig. 4-14. MPPT 2010

Chargerul permite instalarea unui sistem de panouri de maximum 500 W. Curentul maxim de intrare este de 18A iar voltajul maxim în circuit deschis este VocMAX= 100V. Panourile FVG 60-156

Bat Liquid SOC 0 Night OFF Float 13,9 (27,8) V Boost 14,4 (28,8) V Equal 14,7 (29,4) V LVD 11,6 (23,2) V LVR 12,4 (24,8) V

Ilum

inare

-led.

ro

45

au un curent maxim de 8,10A şi tensiune maximă în circuit deschis Voc=37,95V, încadrându-se în limitele de operare ale chargerului.

4.1.7. Concluziile dimensionării

Astfel, se poate realiza un sistem de sine stătător care să ilumineze în mod automat aproape fără întrerupere 365 de zile în nişte condiţii stricte de iluminare a unei străzi circulate de automobile. Se pot realiza astfel oricâte aplicaţii de iluminat autonome.

Folosind două baterii de 200 Ah si două panouri de 250 W se ajunge la nişte costuri foarte mari, motiv pentru care majoritatea beneficiariilor fac concesii. Chiar şi în cazul sistemului pe care l-am dimensionat nu s-a putut realiza o iluminare de 100%, deoarece asta ar fi depăşit specificaţiile mai multor componente, luminând 12 ore din 14 cu un backup de 3 zile.

În realitate, se porneşte de la valoarea medie de luminare de aproximativ 9 ore şi se alege un număr convenabil de zile de backup.

4.2. Studiul de caz

Pentru studiul de caz am ales proiectul realizat pentru primăria municipiului Călăraşi, în speţă doi stâlpi montaţi în faţa primăriei, pe marginile exterioare. Cerinţa a fost pentru un sistem care să funcţioneze bine şi să aibă un cost scăzut. Din aceste considerente, sistemul a fost creat pentru a oferi o funcţionare în parametri optimi undeva la 90% din timp, cu riscul unor scurte perioade de nefuncţionare pe durata iernii.

4.2.1. Dimensionarea în DIALux

După pornirea programului DIALux am ales varianta „New Exterior Project”.

S-a mers pe varianta unei lămpi cu un singur bloc de LED-uri cu puterea de 28 W pentru consum scăzut. Am importat astfel în „My database...” fişierul „IPL-1M-120X60.ies” corespunzător lămpii de 28 W.

Am redenumit „Ground Element 1” în „Beton” şi am modificat în tab-ul „Surfaces” materialul în „Concrete”. Apoi am modificat „Exterior Scene 1” numind-o „Primaria” iar sub tab-ul „Maintenance plan method” am modificat valoarea de referinţă la „Exterior installation, 3-year maintenance cycle.”. Pentru Luminaire am ales din „My Database” sub producătorul ICPE lampa ICPE IPL-1M-120x60.

În partea din dreapta a ecranului avem posibilitatea de introducere de elemente. Am ales astfel „Insert ground elements” şi am introdus din categoria „Object files / Outdoor / Building / Town houses” clădirea „old building3” care se aseamană cu clădirea reală.

Tot în dreapta ecranului se poate alege „Insert Line Arrangement”. Am ales aceasta opţiune întrucât cei doi stâlpi trebuiau montaţi simetric. După rotirea liniei astfel încât să fie paralelă cu clădirea primariei, sub tab-ul „General” se modifică parametrul „Quantit” la 2, deoarece vom instala 2 stalpi. Sub tab-ul „Mounting Height” am modificat „Mounting Type” la „User defined” cu valoarea 4.000 m deoarece se vor folosi stâlpi de 4 m.

Ilum

inare

-led.

ro

46

Fig. 4-15. Tab-ul General. Fig . 4-16. Simularea situaţiei reale

După simularea situaţiei ajungem la o simulare tridimensionala a situaţiei create. Având în vedere faptul că primăria este luminată în faţă cu un sistem clasic (element neinclus în simulare – nu era necesar în cazul de faţă) putem trage concluzia că rezultatul este satisfăcător.

Raportul emis de DIALux ne prezintă toate informaţiile necesare pentru a realiza mai departe proiectarea.

Fig. 4-17. Caracteristica polară a curbei de distribuţie a luminii.

Ilum

inare

-led.

ro

47

Fig. 4-18. Diagrama de luminanţă.

Fig. 4-19. Distribuţia luminii în jurul lămpilor (greyscale).

Ilum

inare

-led.

ro

48

Fig. 4-20. Distribuţia luminii în jurul lămpilor (isolines).

În urma calculelor realizate de DIALux Lmax = 3.33 cd/m2, unde Lmax reprezintă iluminarea maximă, o valoare suficientă pentru cerinţele date.

4.2.2. Stâlpul de iluminat

Stâlpul susţine panoul fotovoltaic, lampa de iluminat şi o cutie. În această cutie sunt introduse bateriile şi chargerul. Cutia este sigilată şi protejează bateriile şi chargerul împotriva intemperiilor. De asemenea, pentru deschiderea acesteia se foloseşte o cheie speciala. Cablurile de la panou şi de la lampă trec prin interiorul stâlpului.

Stâlpul are un sistem de prindere în fundaţie de beton.

Fig. 4-21. Sistemul de prindere a stâlpului în beton.

Ilum

inare

-led.

ro

49

Fig. 4-22. Schema finală a stâlpului de iluminat public montat la Călăraşi.

Ilum

inare

-led.

ro

50

4.2.3. Lampa de iluminat

Dupa cum am spus de la început, lampa folosită a fost ICPE IPL-1M-120x60, al cărei bloc de LED-uri are fluxul luminos de 1966 lm şi puterea de 28 W. Blocul este alimentat de convertorul DC-DC DCCC 2415 despre care am vorbit în capitolul 4.1.3.

Fig. 4-23. Lampa de iluminat IPL-1M.

4.2.4. Dimensionarea panoului fotovoltaic

Pentru acest pas am folosit site-ul http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ aşa cum am arătat mai devreme. Am ales oraşul Călăraşi, pierderile estimate le-am lasat la 14% iar panta la 450.

Din tabelul din figura 4-24 se poate observa că valorile diferă faţă de Bucureşti, însă nu radical. Totuşi există o creştere în energia globala.

Sarcina noastră este de 28 W. Valoarea minimă de iradiere într-o zi este în luna decembrie, iar un sistem de panouri de 1 kW poate produce teoretic 1650 Wh. Dacă vrem ca sistemul nostru să lumineze noaptea maxim 14 ore, asta va însemna un consum de 455 Wh.

Rezultă prin împărţirea puterii totale la consumul pentru 14 ore 1650/455=3,62 că s-ar putea monta 4 lămpi la un sistem de 1 kW şi acesta ar lumina aproape fără probleme.

Ilum

inare

-led.

ro

51

Fig. 4-24. Tabelul cu energia produsă pentru un sistem de 1 kWp pentru Călăraşi.

Asta înseamnă pentru o lampă un panou de 1000/3,62 = 276 W. Din nefericire cerinţa expres a beneficiarului este aceea de reducere cât mai mare a costurilor, motiv pentru care încercăm o dimensionare cu panouri mai economice de 185 W.

Fig. 4-25. Tabelul cu energia produsă pentru un sistem de 185 Wp pentru Călăraşi.

Tabelul care rezultă pentru un panou de 185 W din figura 4-25 ne arată faptul că în lunile ianuarie şi decembrie Ed<455 Wh ceea ce duce la perioade de timp în care lampa nu va funcţiona sau ar funcţiona pe backup pe perioadă limitată. Problema aceasta va apărea în special în luna decembrie unde sistemul va ilumina aproape 10 ore din cele 14 de noapte, în timp ce în luna ianuarie sistemul va ilumina peste 11 ore, respectiv o perioadă de nefuncţionare mult mai mică faţă de luna decembrie.

Ilum

inare

-led.

ro

52

Totuşi, trebuie luat în considerare faptul ca niciun furnizor de sisteme de iluminat public de sine stătătoare nu o să spună că are un sistem ce luminează timp de 14 ore în decembrie. Toţi cei implicaţi în această industrie pornesc de la o valoare medie, de obicei 9 ore, motiv pentru care mai departe calculele le voi realiza folosind premiza celor 9 ore de funcţionare, indicând în acelaşi timp şi un număr de zile de backup.

Astfel s-a luat decizia de a se folosi panourile FVG 72-125 de 185 W de la firma FVG Energy.

Acesta are urmatoarele caracteristici:

Fig. 4-26. Panoul solar FVG72-125.

Tabelul 4.3. Caracteristicile panoului.

4.2.5. Chargerul

Am ales chargerul MPPT 2010 de la Steca Solar, despre care am vorbit mai pe larg în capitolul 4.1.6. Chargerul permite instalarea unui sistem de panouri de maximum 500 W. Curentul maxim de intrare este de 18A iar voltajul maxim în circuit deschis este VocMAX= 100V. Sistemul se încadrează perfect în limitele chargerului.

4.2.6. Bateriile

Pentru calcularea capacităţii bateriilor m-am folosit de tabelul 4.4, care este de fapt tabelul 4.1 cu parametrii modificaţi pentru a se potrivi cu aplicaţia curentă. În capitolul 4.1.4 am discutat pe larg despre tabel, acum voi discuta doar parametrii care se modifică.

Cea mai mare energie consumata de sistem va fi în luna decembrie şi va avea valoarea Emax[W] = Pbec[W]*Tmax[h]. Pentru lampa IPL-1M am avea Emax=32.55*14=455,7 W.

Am folosit 2 baterii înseriate de 12 V de la firma Caranda, care au proprietăţile din figura 4.10.

Astfel, puterea de la panou va avea valoarea 587 Wh (valoarea medie) iar lampa folosită va avea puterea de 28 W. Luând în considerare pierderile în sistem, se ajunge la o putere de intrare DC Driver de 32.55 W.

Eficienta modulului

nm (%) 14,50

Eficienta celulei

nc (%) 17,30

Putere maxima

Pm (W) 185

Voltaj la putere max

Vm(V) 36,40

Curent la putere max

Im(A) 5,10

Tensiunea in gol

Voc (V) 44,50

Tensiunea in scurt

Isc (A) 5,53

Ilum

inare

-led.

ro

53

S-au impus 9 ore de funcţionare în medie într-o zi, iar numărul de zile de backup (câte zile ar putea lumina sistemul dacă panoul ar fi acoperit) a fost stabilit la 3.

Capacitatea minima a bateriilor va trebui sa fie CA = 62,87 Ah. Luând în considerare o serie de factori cum sunt pierderile pe componentele sistemului dar şi faptul că în timp caracteristicile bateriilor se modifică se vor alege două baterii de 65 Ah SOLAR12-65. Un alt element foarte important de luat în calcul a fost acela că bateriile nu trebuie să se descarce complet, pentru că în acest caz scade numărul de cicluri de încărcare/reîncărcare şi reîncărcarea durează mult mai mult.

Puterea de la panou cu pierderi in sistem de 14% 587 Wh intr-o zi

Putere pe LED = P iesire DC driver 28 W eta dc driver(include pierdere pe firele de la bat la dc

driver) 0,86 Putere intrare dc driver 32,55814 W

Se impun 9 ore de functionare in medie intr-o zi

Din baterie se va consuma 293,0233 Wh intr-o zi < decat ce se primeste in medie de la panou

Se impune tensiunea sistemului la 24 V Din baterie se vor consuma 12,2093 Ah intr-o zi

Se impune nr de zile fara soare 3 zile Capacitatea bateriei de 24 V ar fi 36,62791

Se impune nivelul de descarcare maxim admis al bateriei la 60%

adica bateria se descarca pana la (100 - nivelul setat)%

Capacitatea necesar pt ca bateria de 24 V sa fie descarcata la nivelul admis 61,04651 Ah

Se impune un factor de siguranta de 3% Capacitatea corectata cu factorul de sig 62,87791 Ah

Tabelul 4.4 Calculul bateriei pentru Călăraşi.

4.2.7. Concluzii şi rezultate

Sistemul a fost realizat practic.

Sistemul rezultat a funcţionat fără a fi nevoie de întreţinere din 14 august 2010 până în ziua de astăzi. Tot sistemul este într-o stare foarte bună, iar beneficiarul a fost mulţumit de lucrare.

Locuitorii Municipiului Călăraşi se pot bucura seară de seară de beneficiile sistemului de iluminat public de sine stătător şi se pot mândri cu această soluţie 100% verde.

Ilum

inare

-led.

ro

54

Fig. 4-27. Stâlpii montaţi în faţa Primăriei Călăraşi.

5. Concluzii generale

Prezenta lucrare a expus paşii principali în realizarea unui sistem de iluminat de sine stătător. Prin calcule teoretice şi prin utilizarea de materiale gratuite s-au putut stabili parametri necesari realizării în anumite condiţii date a unor diferite sisteme de iluminat. Marele avantaj al acestei tehnologii constă în suportul extensiv pe care toate guvernele din ţările dezvoltate (şi nu numai) îl acordă.

Principala problemă în implementarea acestei tehnologii o reprezintă costurile foarte mari. Însă este încurajator faptul că preţurile tind să scadă în mod constant. Totodată, o conştientizare a beneficiilor pe care aceste sisteme le aduc începe să prindă contur. De aceea, multe companii şi municipalităţi încearcă să îşi arate orientarea spre tehnologiile „verzi”, ecologice, pentru care sistemul de iluminat public de sine stătător este un demn ambasador.

Din punct de vedere al aspectelor legate de protecţia mediului, sistemele fotovoltaice au nişte avantaje bine definite: contribuţia importantă la reducerea emisiilor de carbon, operarea silenţioasă şi nepoluantă, nu se consumă combustibil şi nu se produc deşeuri, acceptanţă ridicată din toate punctele de vedere.

Materia primă, siliciul, este o resursă aproape nelimitată pe Terra, astfel încât această tehnologie reprezintă o investiţie sigură pentru prezent şi viitor.

Ilum

inare

-led.

ro

55

6. Bibliografie

Paul Şchiopu, Optoelectronics, Editura MATRIX-ROM 2009

Paul Şchiopu, Neculai Grosu, Ionică Cristea, Optoelectronică. Îndrumar de laborator., Editura MATRIX-ROM 2008

Paul A. Lynn BSc(Eng), PhD, Electricity from Sunlight An Introduction to Photovoltaics, 2010, John Wiley & Sons, Ltd

Iluminatul cailor de circulatie, ASRO STANDARD ROMAN, SR 13433, Martie 1999

http://en.wikipedia.org/wiki/Street_light

http://www.primariatm.ro/monitorul/index.php?meniuId=1&viewCat=13&viewItem=1129

http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_fotovoltaic

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

http://www.dial.de/CMS/English/Articles/DIAL/Aktuell/Presse/Artikel/DIALux_was_ist_das/DIALuxwasistdas.html

http://www.gaisma.com/

http://www.caranda.ro/solare.htm

http://fvgenergy.com/

http://www.stecasolar.com/

http://www.cnbestsolar.com/High-efficiency-solar-cells/mono5%E2%80%9D%28r150%29125s-_Mono5%E2%80%9D%28r150%29125s-32.html

http://www.daviddarling.info/images/bypass_and_blocking_diodes.gif

http://www.oksolar.com/technical/diodes_in_pv_systems.htm

http://www.iluminare-led.ro/specificatii-tehnice/

http://193.230.185.231/monitor/

Sereteanu Nicolae-Sisteme moderne de iluminat bazate pe dide LED.Principii, exemple si previziuni 2010-UPB

Ilum

inare

-led.

ro

56

7. Anexe

7.1. Monitorizarea Sistemului de Iluminat Public de Sine Stătător

În cadrul colectivului de la ICPE – Inginerie Electrică am participat la realizarea unui sistem complex de monitorizare a sistemului de iluminat. Scopul a fost acela de a observa şi stoca în timp caracteristici ale sistemului care să ajute la o mai bună implementare a sistemului de iluminat sau a unui alt sistem solar. Această monitorizare funcţionează sub forma unui sit la adresa http://193.230.185.231/monitor/ începând de la data de 23.11.2010. Sistemul de monitorizare propriu-zis este format practic dintr-un charger care are ataşat un data logger, de la care se citesc mai multe informaţii via interfaţa RS232 printr-un program realizat în C care pune datele de la logger într-o bază de date MySQL, iar mai departe situl propriu-zis este afişat folosind tehnologia PHP pe un server Apache, în PHP realizându-se toate calculele şi listându-se graficele de funcţionare. Charger-ul este modelul Tarom 245 de la Steca iar data logger-ul este modelul PA TARCOM Datalogger, tot de la Steca. Folosind un traductor de curent montat pe legătura dintre MPPT 2010 şi baterii charger-ul primeşte informaţiile referitoare la curentul care intră şi iese din baterii. Sistemul complet mai conţine şi un panou solar de 180 W, două baterii înseriate Caranda cu capacitatea de 75 Ah, charger-ul MPPT 2010, convertorul DC-DC şi un bloc de LED-uri de 28 W.

Fig. 7-1. Panoul montat la ICPE – Inginerie Electrică pentru monitorizare.

Ilum

inare

-led.

ro

57

Fig. 7-2. Simularea sistemului de iluminat de sine stătător: sus de la dreapta la stânga sunt: convertorul DC-DC, charger-ul MPPT 2010, traductorul de curent, charger-ul Tarom 245,

Datalogger-ul şi blocul LED; jos sunt bateriile care alimentează suplimentar şi charger-ul Tarom 245, consumul acestuia fiind nesemnificativ.

De la datalogger intră în baza de date următoarele date: Iin (curentul de încărcare a bateriilor), Iout (curentul cosnumat de sarcină), Itotal(curentul total cu care este încărcată bateria, Iin-Iout), Imod(curentul de la panou; atunci când bateria este încărcată la maxim Iin este mai mic decât Imod), SOC(% starea de încărcare din capacitatea bateriei), U(tensiunea bateriei), status(N – noapte, D – sarcina deconectată), mV(intrare analogică 0...150 mV pentru senzori externi). În tabelul mV, care reprezintă o valoare furnizată de un senzor extern, sunt trecute valorile reale ale tensiunii panoului fotovoltaic.

Ilum

inare

-led.

ro

58

Fig. 7-3. http://193.230.185.231/monitor/: printscreen făcut pe data de 4 iulie; pagina PHP afişează în timp real curentul de încărcare, tensiunea bateriilor şi consumul sarcinii.

Am ales două cazuri reprezentative pentru a observa funcţionarea reală a sistemului: o dată ziua de Crăciun plus două zile precedente şi apoi 1 iulie plus două zile precedente.

Din cele două grafice se poate observa diferenţa în numărul de ore de funcţionare a sarcinii şi numărul de ore cât panoul a alimentat bateriile.

În figura 7-4 se poate observa faptul că lampa a funcţionat timp de aproape 36 de ore în 3 nopţi, consumând în total 51.7 Ah, în timp ce bateria a fost încărcată cu 47.275 Ah. Cu toate acestea, în noaptea de 24 spre 25 decembrie la ora 0:00 lampa s-a stins (se poate observa pe grafic cum linia roşie sare în 0), fiind pornită abia la 17:05. Se poate trage concluzia că sistemul a funcţionat excelent în condiţii de iarnă, însă trebuie spus că soarele a avut o contribuţie importantă, curentul maxim prin acumulatori atingând valoarea de 5.079 A, o valoare foarte bună pentru acea perioadă.

În figura 7-5 se poate observa funcţionarea pe timp de vară. Acesta este cazul cel mai fericit posibil. În trei nopţi corpul de iluminat a funcţionat în total 24 de ore, 8 minute şi 15 secunde. Bateria s-a încărcat cu 32.8 Ah, şi s-au consumat 33.1 Ah, în condiţiile în care zilele respective au fost înnorate şi curentul maxim prin acumulatori a fost de 4.24 A.

În concluzie, sistemul funcţionează corect, iar monitorizarea ne ajută să înţelegem mai bine cum funcţionează sistemul în diversele situaţii care se schimbă de la o zi la alta, astfel încât putem realiza o dimensionare pentru un sistem mai economic şi mai fiabil.

Ilum

inare

-led.

ro

59

Fig. 7-4. Evoluţia parametrilor pentru 23-24-25 decembrie.

Fig. 7-5. Evoluţia parametrilor pentru 1 iulie şi 29 şi 30 iunie.