2. Dimensionarea unui sistem fotovoltaic

2.1 Notiuni generale

Principiul care stă la baza dimensionării instalaţiei panou fotovoltaic este următorul: trebuie întotdeauna respectat echilibrul între energia produsă de generatorul panou fotovoltaic şi energia consumată de utilizator. Acest echilibru se realizează pentru o perioadă definită, de obicei o zi sau o lună. Prezenţa bateriei de acumulatoare permite compensarea deficitului între energia produsă şi cea consumată, deficit care poate fi din cauza timpului noros sau suprasolicitării din partea consumatorului.

Prin tema de proiect se propune sa se dimensioneze un sistem fotovoltaic pentru o locuință din Insula mare a Brăilei și apoi se va face o comparație cu consumul produs de un generator electric pe bază de motor cu ardere internă ce folosește drept combustibil benzina.Pentru dimensionarea unui sistem panou fotovoltaic se parcurg următoarelor etape principale:a) Calculul radiaţiei solare disponibile pe suprafaţa modulului PV;b) Calculul consumului diurn de energie electrică – Ec;c) Calculul cantităţii de energie electrică necesară de produs de modulul PV - Ep;d) Calculul puterii critice a modulului PV - Pc şi alegerea acestuia;e) Calculul capacităţii acumulatoarelor – C şi alegerea acestora;f) Verificarea echilibrului consumului şi producerii de energia electrică.În figura 1 este prezentată procedura de dimensionare a unui sistem PV cu baterii de acumulare.

Fig.1. procedura de dimensionare

1

Sistemul fotovoltaic propus trebuie sa asigure alimentarea cu energie electrica a consumatorilor existenti într-o locuință cu 3 camere. Consumatorii electrici din această locuința sunt:

1) 3 puncte de iluminat câte 2 ore/zi cu becuri cu incandescenta, puterea 60 W, tensiunea 12 V (iluminat debara, hol);2) 4 puncte de iluminat câte 3 ore/zi cu becuri cu incandescenta, puterea 75 W, tensiunea 12 V (iluminat dormitor, bucatarie, sufragerie));3) 1 televizor, 3 or/zi, puterea 60 W, tensiunea 220 V c.a.;4) 1 frigider, 7 h/zi, puterea 100 W, , tensiunea 220 V c.a.5) 1 calculator Desktop + LCD + sistem audio, 3 ore/zi, putere 400 W (200+50+150), tensiunea 220 V c.a;6) 1 cuptor microunde, 0.5 h/zi, putere 600 W.

Perioada de exploatare a sistemului: aprilie – octombrie. Numărul de zile într-o săptămână de funcţionare a consumatorilor n = 7. Numărul zilelor fără soare N = 2.

a) Calculul radiaţiei solare disponibile pe suprafaţa modulului PV. Unghiul de înclinaţie a modulului PV faţă de orizont β se determină din condiţia asigurării echilibrului consum / producere energie electrică în lunile cu cea mai mică radiaţie solară.

b) Calculul consumului diurn de energie electrică. În acest scop, pentru fiecare consumator de curent continuu şi alternativ se determină puterea nominală şi orele de utilizare zilnică. Consumul de energie electrică, EC, se determină ca produsul puterii nominale la numărul de ore

(1)

unde k este numărul de consumatori de c.c.; m – numărul de consumatori de c.a.; Pni, puterea nominală a consumatorilor de c.c. şi c.a.; ti, tj - durata de funcţionare a consumatorilor respectivi; ηR, ηCF, ηAc – respectiv randamentul regulatorului de încărcare –descărcare, acumulatorului şi a convertorului de frecvenţă. Pentru calcule prealabile ηR = 0,95-0,98, ηAc = 0,85-0,90, ηCF =0,85 - 0,95. Puterile nominale ale utilajului electrotehnic sunt specificate în cartea tehnică. Totodată, ele pot fi puse la dispoziţia proiectantului de firma producătoare de utilaje respective. Valorile duratelor de funcţionare în zi a utilajelor se decurg din necesităţile declarate ale beneficiarului sau se determină din datele statistice.

Înlocuind în relația (1) obținem:

c) Calculul cantităţii de energie electrică necesară de produs de modulul PV. Energiacare trebuie să fie produsă de modulul PV

(2)

unde factorul K ia în consideraţie incertitudinea datelor meteorologice, pierderile în cabluri, abaterea punctului de funcţionare a subsistemului modul PV – sarcina de la cel optimal, etc. Valoarea factorului K pentru sistemele PV cu baterii de acumulatoare estecuprinsă între 0,75 şi 0,85.Înlocuind în relația (2):

2

d) Calculul puterii critice a modulului PV. Se determină cu formula

(3)

unde Gβ - prezintă valoarea medie a radiaţiei solare globale pe perioada de interes înlocalitatea dată pentru unghiul de înclinaţie β a modulului PV. În formula (4.) Gβ este numeric egal cu numărul de ore pe zi de radiaţie solară standard egală cu 1000 W/m2 şi se notează HRS.Înlocuind în relația (3) puterea critică a modulului PV are valoare:

unde Gβ este radiaţia solară globală diurnă incidentă pe suprafaţa panoului PV. Se presupune acelaşi unghi de înclinaţie deci valoarea Gβ va fi aceeaşi.

Alegem 5 module PV tip SATURN BS-50/55 cu puterea critică egală cu 50 WC, curentul de scurt circuit Isc = 3,34 A, tensiunea de mers în gol U0 = 21,14 V, curentul în punctul maximal IM = 3,09 A, tensiunea în punctul maximal UM = 16,5 V. Cost module PV: CPV = 4,5·250 = 1125 $.

În dependenţă de puterea PC alegem puterea unui modul PV şi numărul de module conectate în serie

(4)

unde Ucc – este tensiunea nominală a consumatoarelor de c.c.; Um – tensiunea nominală a unui modul PV, care de obicei se consideră egală cu 12 V.

Numărul de module PV conectate în paralel se determină astfel. Se calculează curentulmediu al sarcinii pe parcursul unei zile

(5)

Totodată, din condiţia păstrării balanţei de energie într-o zi, putem scrie

(6)

unde IPV este curentul panoului PV.

Numărul de module PV conectate în paralel va fi

(7)

unde Isc este curentul de scurt circuit a unui modul PV şi se consideră aproximativ egal cu curentul în punctul M.

şi curentul generat de panoul PV

Numărul de module conectate în paralel

e) Calculul capacităţii acumulatoarelor. Se determină cu formula

3

(8)

unde n este numărul de zile fără soare; KD - coeficientul de descărcare a acumulatorului (0,5 -0,6 pentru Pb-acid şi 1,0 pentru Ni-Cd).

Numărul de acumulatoare conectate în serie

(9)

unde UA – tensiunea nominală a acumulatorului, de obicei egală cu 12 V.

Alegem 20 baterii de acumulatoare cu capacitatea standard de 150 Ah, care se vor conecta în paralel. Cost acumulatoare: CAC = 20·1040 = 20800 MDL sau 1724 $.

f) Verificarea echilibrului consumului şi producerii de energia electrică. Verificarea se face prin compararea cantităţii de energie electrică, Ei, care va fi produsă de panoul PV într-o zi pentru fiecare lună din perioada de interes cu cantitatea de energie electrică necesară calculată conform 4.26. Calculele se efectuează cu expresia

(10)unde HRSi este numărul de ore pe zi de radiaţie solară standard egală cu 1000 W/m2 pentru luna respectivă.

Verificăm echilibrul consumului şi producerii de energia electrică pentru luna octombrie, în care dispunem de cea mai mică radiaţie solară - HRS = 3,48 h de radiaţie standard.

Energia produsă de panoul PV într-o săptămână în luna octombrie:

ceea ce este foarte aproape de consumul săptămânal de energie electrică (vezi p.1).

Dacă pe parcursul a două zile va fi timp noros, consumul va fi asigurat de acumulatoare. În acest caz gradul de descărcare a acumulatoarelor va fi

În realitate dispunem de o rezervă de energie acumulată pentru 4 zile de timp noros.

7. Alegem puterea convertorului de frecvenţă şi a regulatorului descărcare-încărcare egală cu 250 W. Costul acestora este: CC+R = 2·0,3·250 = 150 $.

8. Cost total al sistemului PV: CTPV = CPV + CAC + CC+R = 1125 + 1724 + 150 = 2999 $.

Grup electrogen

Din ofertele de pe piaţa moldovenească alegem un grop electrogen tip EZ1400, Pnom = 2,0 kW, Tensiunea U=220 V, monofazat, consum specific de benzină 1 l/h, volum ulei 0,8 l (se schimbă peste o 100 h de funcţionare), durata de funcţionare 3000 h, cost 1500 $.

4

Puterea totală a consumatorilor constituie:

În ipoteza că toţi consumatorii funcţionează concomitent coeficientul de sarcină al grupului electrogen nu va depăşi valoarea

Conform [27] dacă coeficientul de sarcină scade de la 80 % până la 50 %, randamentul grupului electrogen scade de 2 ori, respectiv va creşte de două ori consumul de combustibil de la 1 până la 2 l/h.

Numărul de ore de funcţionare per săptămână va fi 2·24 = 48 h. Volumul de benzină consumat în perioada aprilie – octombrie:

Cost benzină

$

Cost mentenanţă constituie 9 % din investiţia anuală [46] . În cazul nostru investiţia anuală constituie 425 $ (peste 3000 h grupul se renovează).

$Cost total la primul an de exploatare al grupului electrogen:

$

5