sistem energie regenerabila

Universitatea Politehnica din Bucureti

Facultatea de Electronic, Telecomunicaii i Tehnologia Informaiei

Sistem de energie regenerabil cu celule fotovoltaice conectat la reeaua electric

Proiect de diplom

prezentat ca cerin parial pentru obinerea titlului de

Inginer n domeniul Inginerie electronic i Telecomunicaii

programul de studii de licen Electronica Aplicat

Conductor tiinific Absolvent

Conf. Adriana FLORESCU Andrei-Gabriel DIC

2013

3

Anexa 6

Copyright 2013 , Andrei-Gabriel DIC

Toate drepturile rezervate

Autorul acord UPB dreptul de a reproduce i de a distribui public copii pe hrtie sau electronice ale acestei lucrri, n form integral sau parial.

5

CUPRINS Introducere.8

1. Introducere n Sistemele Fotovoltaice..9 1.1 Energia regenerabil. 9 1.2 Sistemele fotovoltaice......10 1.3 Spectrul standard al soarelui AM 1.5G....13

1.4 Spectrul standard AM0 i comparatia cu corpul negru....14 1.5 Aportul de energie pentru un sistem PV: disponibilitatea radiaiei solare...16

2. Caracteristicile eletrice ale celulei solare...19 2.1 Circuitul echivalent ideal..19

2.2 Modelul Pspice al celulei solare ideale.19 2.3 Tensiunea de circuit deschis.....21

2.4 Punctul n care se atinge puterea maxima....22 2.5 Factorul de umplere i eficiena conversiei puterii .24 2.6 Modelul generalizat al unei celulei solare....25 2.7 Efectele rezisetenei serie asupra curentului de scurtcircuit i a tensiunii de circuit deschis..26 2.8 Efectele rezistenei serie asupra factorului de umplere....28 2.9 Efectele rezistenei unt29 2.10 Efectele temperaturii .....30 2.11 Modelul comportamental al celulelor solare..31

2.12 Utilizarea modelului comportamental i a modelului cu surse de tip pwl 33 3. Matrici de celule solare , module PV i generatoare PV. .35 3.1 Introducere...35 3.2 Conectarea n serie a celulelor solare...35

3.3 Conectarea unt a celulelor solare40 3.4 Modulul PV terestru.41

3.5 Conversia caracteristicilor modulelor PV standard la iluminare i temperatur arbitrara...43 3.6 Modelul comportamental n PSPICE pentru un modul PV..44

3.7 Problema punctului fierbinte intr-un modul PV i aria de functionare sigur.45 3.8 Arii Fotovoltaice..47

3.9 Scalarea generatoarelor fotovoltaice i a centralelor...50 Capitolul 4 Sisteme fotovoltaice conectate la reea...53 4.1 Introducere n sistemele fotovoltaice conectate la reea..53 4.2 Descrierea general a sistemului.53 4.3 Consideraii tehnice.55 4.3.1 Protecie izolant..55 4.3.2 Distorsiunea frecvenei i a tensiunii ...56 4.3.3 Deconectarea i reconectarea dup cderea reelei...56 4.3.4 Injectarea de curent continuu n reea, mpmntarea i interferentele electromagnetice56 4.3.5 Factorul de putere.57

4.4 Punctul de putere maxim MPPT..57 4.4.1 Circuite MPPT bazate pe un convertor Buck DC/DC...58 4.4.2 Circuite MPPT bazate pe un convertor Boost DC/DC i modelul comportamental al MPPT .59 4.5 Invertoare.63 5. Studii de caz..67 5.1 Alarma luminoasa67 5.2 Modelarea n PSPICE a invertoarelor pentru sistemele fotovoltaice conectate la reea.70 5.3 Modelul PSPICE al modulelor AC-PV....72 5.4 Dimensionarea i echilibrarea energiei n sistemele fotovoltaice conectate la reea..74 6. Concluzii77

7. Bibliografie78 8. Anexe.....79

6

Lista Figurilor

Figura 1.1 - Sistem Fotovoltaic

Figura 1.2 - Celula Fotovoltaic Figura 1.3 - Celule, module i panouri PV Figura 1.4 - Sistem autonom pentru alimentarea unei cldiri Figura 1.5 - Sistem fotovoltaic conectat la reeaua de c.a Figura 1.6 - Subcircuitul PSpice pentru spectrul AM1.5G

Figura 1.7 - Reprezentarea grafic pentru spectrul iradiaiei AM 1.5G Figura 1.8 - Spectrul iradiaiei solare pentru standard-ul AM0 Figura 1.9- Spectrul iradiaiei unui corp negru la 5900K, comparat cu spectrul radiaiei AM0(sus) i cu AM 1.5G(jos)

Figura 1.10- Radiaia lunara pentru San Diego Figura 1.11- Radiaia total pentru o suprafaa nclinata, aflata n 4 orase (Nairobi-1.2Sud ,Sidney-33.45S, Bangkok-13.5Nord, Edinburgh-55.47Nord)

Figura 2.1- Valoarea curentului generat de o celul solar a)subcircuitul celulei solare

b) schema bloc

Figura 2.2- Circuit pentru reprezentarea caracteristicii I(V) a celulei solare

Figura 2.3- Caracteristica celulei solare pentru modelul din figura 2.2

Figura 2.4 - Caracteristica I(V) a unei celule solare pentru mai multe valori ale iradiaiei: 200, 400, 600 mW/m

2.

Figura 2.5- Graficul puterii n funcie de tensiune pentru celula solar, fiind reprezentate cteva valori ale iradiaiei: 200, 400, 600, 800, 1000W/m2

Figura 2.6 - Subcircuitul cell_2.lib incluznd 2 diode , rezistori serie i unt Figura 2.7: Efectele rezistenei serie Caracteristica I(V) pentru valoarea rezistenei serie de la 1 (marginea inferioar a graficului),0.1, 0.01, 0.001, 0.0001(marginea superioara a graficului) Figura 2.8 - Caracteristica I(V) - efectele rezistenei unt Figura 2.9 - Efectele temperaturii

Figura 2.10 - Diagrama bloc i diagrama schematic a modelului comportamental al celulei solare Figura 2.11- Modelul comportamental i sursele PWL pentru o simulare n timp: Timpul

intern este 1s

Figura 3.1-Legarea n serie a 2 celule solare

Figura 3.2-Caracteristica I(V) a legrii n serie a 2 celule solare identice Figura 3.3 - Caracteristica I(V) a legrii n serie a 2 celule solare, prima avnd o iluminare de 1000W/m

2, iar cea de-a 2 a de 700 W/m

2

Figura 3.4 - Puterea emis(pozitiv) sau consumat(negativ) de 2 celule solare iluminate diferit i puterea total, ca funcie a tensiunii totale asocierii celor 2 celule n serie Figura 3.5 - Conectarea serie a 12 celule solare cu o diod bypass, conectat la celula 6 Figura 3.6 - Efectul unei diode bypass asupra unei celule solare neiluminate dintr-o conexiune

Figura 3.7- Cderea de tensiune pe dioda bypass(graficul de sus) i puterea disipat(graficul de jos) Figura 3.8 - Conectarea n paralel a 2 celule solare cu diferite niveluri de iluminare

Figura 3.9- Modelul PSpice pentru un subcircuit de modul PV

Figura 3.10- Nodurile subicircuitului ce modeleaz comportamental modulul PV Figura 3.11- Aria de funcionare sigur pentru un modul fotovoltaic, avnd tensiunea reprezentat pe axa y i curentul pe axa x Figura 3.12- Modulul fotovoltaic de 18 celule solare cu diode bypass

Figura 3.13-Comparaie ntre curbele I(V) cnd aria este neumbrit sau parial umbrit Figura 3.14 - Cderile de tensiune pe diodele 6x3 Figura 3.15- Subcircuitul unui generator fotovoltaic compus din NsG x NpG module de celule solare

serie

Figura 4.1- Sistem fotovoltaic pentru producerea curentului electric conectat la reea Figura 4.2- Schema sistemului fotovoltaic conectat la reea

7

Figura 4.3- Convertorul DC/DC

Figura 4.4 - Diagrama bloc a unui sistem PV ilustrnd conexiunea unui convertor DC/DC

Figura 4.5: Circuitul de baz al unui convertor buck Figura 4.6- Circuitul de baza al unui convertor boost

Figura 4.7- Ilustrarea punctelor de lucru ale unui modul PV i ale sarcinii Figura 4.8- Model de reprezenetare schematic n PSpice a unui convertor DC/DC Figura 4.9- Modelul PSpice de conectare al nodurilor unui convertor DC/DC

Figura 4.10- Diagrama schematic unui invertor DC/AC Figura 4.11- Caracteristica de intrare/ieire a unui invertor Figura 4.12- Caracteristica de intrare a unui invertor

Figura 4.13- Caracteristica eficienei invertorului Figura 5.1- Forma de und pulsatorie a curentului folosit pentru alimentarea LED-ului Figura 5.2-Capacitatea necesar a bateriei Figura 5.3 - Spaiul necesar pentru implementarea unui numr de ramuri paralele de la 3 pn la 15 LED-uri nseriate / ramur n funcie de numrul de celule solare ce variaz ntre 15 i 20. Figura 5.4 - Reprezentarea schematic a modelului de invertor Figura 5.5- Schema circuitului echivalent pentru modelul invertorului

5.6 - Schema utilizat pentru simularea modelului de invertor prezentat n figura 5.4 Figura 5.7- Profilul iradiaiei Figura 5.8- Profilul iradiaiei pentru noua simulare a sistemului Figura 5.9 Comparaie ntre curentul de intrare al invertoruluiI(d2) i curentul de ieire I(xinvert.r5)

Figura 5.10 - Confirmarea MPPT a tensiunii de lucru la intrarea invertorului

Figura 5.11- Evoluia curentului la conexiunea invertorului cu punctul de reea (primul grafic) i puterea de ieire a invertorului Figura 5.12: Evoluia tensiunii la conexiunea invertorului cu reeaua, ieirea invertorului Figura 5.13 a Diagrama schematic pentru modelul de invertor AC-PV Figura 5.13 b Profilul iradiaiei Figura 5.14 Curentul de ieire al modulului AC(sus) i puterea de ieire a invertorului(jos) Figura 5.15- Diagrama schematic a invertorului simulat Figura 5.16- Curentul de ieire al invertorului DC v(16) i tensiunea de intrare a invertorului v(4) Figura 5.17-Graficul energiei generate n Wh/zi, v(7)

8

Lista de acronime

PV-Photovoltaic

AM-Air Mass

PWL-Piecewise Linear

MPP-Maximum Power Point

DC-Direct Current

AC-Alternating Curent

FF-Fill Factor

NOTC-Nominal Operating Cell Temperature

SOA-Safe Operation Area

EMI-ElectroMagnetic Interferences

THD-Total Armonic Distortion

MPPT-Maximum Power Point Tracking

9

Introducere

Energia convenional nu mai este demult o noutate n materie de producerea energiei, iar efectele folosirii surselor s-au dovedit a fi negative n raport cu mediul nconjurtor. n ultimele decenii au fost nregistrate ritmuri alarmante ale accenturii efectului de ser, ploilor acide sau creterii concentraiei de praf din atmosfer, fapt ce a condus la stabilirea unor tratate internaionale pentru reducerea emisiilor de gaze.

n acest context, descoperirea i implementarea unor noi metode de producere a energiei s-a dovedit a fi inevitabil, alternativa energiei neconvenionale reprezentnd un punct de plecare. Se remarc n acest sens energia solar, care prezint o gam larg de beneficii.Energia solara reprezint o surs inepuizabil, regenerabil i nepoluant, este gratuit (nu este influenat de fluctuaii ale preurilor locale sau mondiale) i poate fi folosit pentru a nlocui parial sau chiar total orice alt form de energie convenional. Cu toate acestea, captarea i stocarea energiei solare ntr-o anumit form este, n prezent, relativ dificil, din cauza factorilor externi.

n contextul unui interes mondial axat din ce n ce mai mult pe valorificarea energiilor

neconvenionale, consider necesar cunoaterea beneficiilor acestui tip de energie, n special celei pentru producerea energiei electrice. Astfel, lucrarea de fa are ca scop studiul funcionrii i proiectrii unui sistem fotovoltaic conectat la reteaua electrica.

Parcurgand pas cu pas aceasta lucrare am dezvoltat urmatoarele studii de caz, atat pentru

sistemele autonome, cat si pentru sistemele conectate la retea:

Alarma luminoasa-pentru sistemele autonome

Modelarea in PSPICE a invertoarelor pentru sistemele fotovoltaice conectate la reea

Modelul PSPICE al modulelor AC

Dimensionarea i echilibrarea energiei in sistemele fotovoltaice conectate la reea

10

1. Introducere n sistemele fotovoltaice

1.1 Energia regenerabil

Energie regenerabil, numit uneori i energie neconventional, energie alternativ sau energie verde, se refer la surse netradiionale de producere i stocare a energiei care fie se regenereaz natural n scurt timp, fie sunt surse, practic, inepuizabile de energie, diminundu-se astfel mult impactul negativ asupra mediul nconjurtor. Termenul de energie regenerabil se refer la forme de energie produse prin transfer energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Mai exact, oamenii capteaz prin diverse procedee energia luminii solare, a vnturilor, a apelor curgtoare, a proceselor biologice i a cldurii geotermale.

Astfel, sursele actuale de energie regenerabil includ: energia eolian (energia produs de vnt) energia solar (energia produs de soare) energia apei, subclasificat la randul ei n:

o energia hidraulic (energia apelor curgtoare); o energia mareelor (energia produs de fluxul i refluxul mrilor i oceanelor) i

energia valurilor;

o energia potential osmotica (numita i energia gradientului de salinitate); energia de biomas (biodiesel, biogaz, bioetanol).

Toate aceste forme de energie sunt valorificabile tehnologic, putnd servi la generarea

curentului electric, producerea de ap cald, etc. Actualmente ele sunt n mod inegal valorificate, dar exist o tendin cert i concret care arat c se investete insistent n aceast, relativ, nou ramur energetic. n lucrarea de faa voi face referire strict la energia solar, mai exact energia produs de panourile fotovoltaice.

Conceptul de "energie solar" se refer la energia care este direct produs prin transferul energiei luminoase radiat de soare. De asemenea ea poate fi folosit n mai multe scopuri, dintre care distingem doua scopuri importante:

generarea de curent electric prin intermediul conversiei energie solarenergie electric folosind celule solare sau celule fotovoltaice i centrale fotovoltaice;

generarea cldurii pentru ncalzirea unor cldiri, direct sau prin pompe de cldur , precum i producerea de ap cald de consum prin panouri solare termice, mai exact panouri cu stocare termica.

Panourile solare produc energie electric 9h/zi. Acest calcul se face pe minim, iarna ziua are 9 ore, timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electric i n acelai timp nmagazineaz energie n baterii pentru a fi folosit noaptea.

Instalaiile solare sunt de dou tipuri: termice i fotovoltaice. Instalaiile fotovoltaice produc energie electric fr costuri de combustibil. Panourile fotovoltaice produc energie electric luata n calcul 4 h/zi. Calculul se face pe minim: orele de lumin iarna. Ziua, timp de 4 ore, aceste panouri solare produc energie electric care poate fi stocat n acumulatori, pentru a fi folosit pe timpul nopii.

Avantajele energiei solare:

energia solar este uor de produs; instalaiile solare fotovoltaice produc energie electric GRATIS; instalaiile solare termice ajut la economisirea gazului n proportie de 75% pe an; instalaiile solare sunt rezistente la grindin (n cazul celor mai bune panouri).

11

Dezavantaje:

problema principal este c soarele nu ofer energie constant n nici un loc de pe Pmnt datorit rotaiei Pmntului n jurul axei sale, i deci a alternanei zi-noapte, motiv pentru care lumina solar nu poate fi folosit la generarea electricitii dect pentru un timp limitat n fiecare zi;

panourile necesit spaiu de instalare orientat convenabil, iar fr un sistem de stocare energia generat este disponibil doar n miezul zilei, cnd consumul este mic;

o alt limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezint existena zilelor noroase, cnd potenialul de captare a energiei solare scade datorit ecranrii soarelui, limitnd aplicaiile acestei forme de energie regenerabil.

1.2 Sisteme Fotovoltaice

Un sistem fotovoltaic este un sistem care convertete n mod direct energia solar n energie electric pe baza efectului fotovoltaic i o aduce la parametrii impui de consumator. Acest principiu simplu implic o tehnologie sofisticat, care este folosit pentru a crea dispozitive eficiente i anume, celule solare, care sunt componentele cheie ale unui sistem PV i necesit tehnici de prelucrare ale semiconductorilor pentru a fi fabricate la un cost redus i o eficien sporit. Conversia energiei solare n energie electric este realizat ntr-un dispozitiv numit celul fotovoltaic. Aceasta const n principiu dintr-o diod semiconductoare cu jonctiune p-n, special proiectat. n zona jonciunii, datorit difuziei purttorilor majoritari, apare o zon de sarcin spaial pozitiv n stratul n, respectiv de sarcin negativ n stratul p. Aceast distribuie de sarcina creeaz, n zona jonciunii, un cmp electric orientat de la stratul n ctre stratul p, ca la orice jonctiune p-n.

Un sistem fotovoltaic este un sistem modular deoarce este construit din mai multe piese sau

elemente care trebuiesc scalate pn la obinerea unor sisteme mai mari, sau reduse pentru construirea unor sisteme mai mici. De obicei se gsesc n gama megawatt i miliwatt producnd electricitate pentru diferite utilizari i aplicaii: de la un ceas de mn, la un satelit de comunicaii sau o instalaie fotovoltaic terestr.

Figura 1.1 - Sistem Fotovoltaic

GFV=Generatorul fotovoltaic continuu, folosind efectul fotovoltaic

USE=Unitatea de stocare a energiei

BPE=Blocul de procesare a energiei generate

12

Fig. 1-Celula PV

Figura 1.2 - Celula Fotovoltaic

Figura 1.3 - Celule, module i panouri PV

13

Elementele i componentele unui sistem fotovoltaic sunt dispozitive fotovoltaice n sine, sau celule solare, grupate i conectate ntr-o forma potrivit i echipamentul electronic necesar pentru a interfaa sistemul cu alte componente i anume:

-un element de stocare pentru sistemele independente ;

-reeaua, n sistemele conectate la reea ; -sarcini AC sau DC, pentru convertoarele DC/AC sau DC/DC potrivite.

Pe lnga generatorul fotovoltaic, celula, modulul, sau panoul fotovoltaic, pentru utilizarea

eficient a energiei electrice mai sunt necesare i alte componente. Spre exemplu, pentru a compensa dependena generrii energiei electrice de nivelul radiaiei solare, n majoritatea sistemelor este necesar un mijloc de stocare a energiei electrice, respectiv de un acumulator.

Funcionarea corect a acestuia presupune existenta unui bloc de control a ncrcrii. Adaptarea parametrilor electrici ai consumatorului la cei ai generatorului fotovoltaic necesit fie un convertor cc-cc, fie unul cc-ca, fie ambele. n unele situaii generatorul fotovoltaic este dublat de resurse alternative cum ar fi un generator eolian sau diesel.

Toate aceste componente funcionnd mpreuna, se constituie ntr-un sistem, numit sistem fotovoltaic.

Sistemele fotovoltaice se mpart n doua grupe mari:

- sisteme autonome, care alimenteaza consumatori neconectai la reeaua public de c.a. - sisteme neautonome, sau conectate la reeaua public de c.a.

Figura 1.4 - Sistem autonom pentru alimentarea unei cldiri

Figura 1.5 - Sistem fotovoltaic conectat la reeaua de c.a

14

1.3 Spectrul standard al soarelui AM 1.5G

Numele acestui spectru a rezultat prin asocierea iniialelor A i M, ce provin de la Air Mass(masa de aer) i a unui numar ce identific spectrul: acest numr este 0 pentru spectrul spaiului cosmic i 1.5 pentru nivelul mrii. n general AMx este folosit pentru definirea unui spectru, unde este unghiul zenit al soarelui i x este dat de relaia urmtoare:

(1.1)

Cnd soarele se afl la zenit, pentru zona monitorizata x=1, nseamn c AM1 ar fi spectrul obinut la nivelul mrii, ntr-o zi cu cerul senin i soarele la zenit. Pentru uzul general este acceptat faptul c un spectru terestru, produs de un unghi la zenit de 48.19, echivalent cu x=1.5, este mai real. Un spectru receptat de o suprafaa nclinat la 37 i ndreptat ctre soare este numit spectru global, iar valorile pentru acest spectru se gsesc n documentaiile de referin, folosite n inginerie. O modalitate simpl de a simula spectrul standard, utiliznd circuitele i fiierele PSpice este de a descrie un subcircuit ce conine toate datele sub forma unui fiier PWL.

Figura 1.6 - Subcircuitul PSpice pentru spectrul AM1.5G

*am15g.cir

* includes am15g.lib and normalizes to 1000W/m2 total irradiance

* NODES

*(11) AM1.5G irradiance in (W/m2micron)

*(12) Normalized to 1kW/m2 ( W/m2micron)

*(0) reference

xspectr_irrad 11 0 am15g

.include am15g.lib

e_spectr_irrad_norm 12 0 value={1000/962.5*v(11)}

***analyis

.tran 0.1u 4u

.probe

.plot tran v(12)

.end

Acest fiier apeleaz subcircuitul am15.lib, care se gaseste n anexa 1 i ruleaz o simulare tranzitorie n care axa timpului a fost nlocuit cu axa lungimii de und msurat n microni. Un exemplu din spectrul iradiaiei AM 1,5G este artat n figura 1.7.

15

Figura 1.7 - Reprezentarea grafic pentru spectrul iradiaiei AM 1.5G

1.4 Spectrul standard AM0 i comparaia cu radiaia corpului negru

Valoarea spectral a iradiaiei solare n afara atmosferei, AM0, este luat de obicei din referine. Aceast valoare este egal cu 1353 w/m2. Am0.cir apeleaz subcircuitul am0.lib , care se gseste n anexa 4. *am0.cir

* includes am0.lib

* NODES

* (11) AM0 irradiance in (W/m2micron)

*(0) reference

xam0 11 0 am0

r1 11 0 1

.include am0.lib

***analyis

.tran 0.1u 4u

.probe

.plot tran v(11)

.end

Figura 1.8 - Spectrul iradiaiei solare pentru standard-ul AM0

16

Radiaia total captat de o suprafaa ce se gsete n atmosfer, la o distana egal cu unitatea astronomic (1UA=1.496x1011m) msoar 1m2 i este perpendicular pe razele soarelui, se numete constant solar. Valoarea acestei constante, n cazul nostru este 1353 W/m. Radiaia solar poate fi de asemenea aproximat de radiaia punctului negru la 5900 K. Legea lui Plank d valoarea spectral a emisiei E, definit ca fiind puterea spectral radiat de o unitate de suprafa i o lungime de und:

(1.2)

Unde h reprezint constanta lui Plank (h=6.63x10-34 J s) i

(1.3)

reprezint primele 2 constante Planck de radiaie . Energia total radiat de o unitate de suprafaa a unui corp negru pentru toate valorile lungimii de und, este dat de relaia:

(1.4)

Presupunnd c un corp negru radiaz izotrop, iradiaia spectral primit de la soare, la o distan egal cu unitatea de distan astronomic va fi dat de relaia:

(1.5)

unde S este constanta solar

n concluzie, de la ecuaia 1.2, I poate fi scris ca:

(1.6)

Pentru a putea reprezenta grafic iradiaia spectral a unui corp negru, la o anumit temperatur, vor trebui adugate noi date subcircuitului definit n seciunile anterioare. Ceea ce se dorete, de fapt, este reprezentarea iradiaiei spectrale la orice valoare a temperaturii i, n plus trebuie precizat o valoarea a lungimii de und. Factorul 1 x 10

-6 convertete lungimea de und din microni n metri. Odat create fiierele se poate trece la fiierul black_body.cir Fiierul ce conine valorile lungimii de und, wawelength.lib, si fisierul black_body.lib, adic ecuaia 1.6, scris n PSpice , se gsesc n anexele 3 i 4. *black_body.cir

* NODES

*(12) wavelength ( micron)

*(11) Black body spectral irradiance in (W/m2micron)

*(0) reference

.include black_body.lib

.include wavelength.lib

x_black_body 12 11 0 black_body

x_wavelength 12 0 wavelength

***analyis

.tran 0.1u 4u

.probe

.plot tran v(11)

.end

17

Figura 1.9- Spectrul iradiaiei unui corp negru la 5900K, comparat cu spectrul radiaiei AM0(sus) i cu AM 1.5G(jos)

1.5 Aportul de energie pentru un sistem PV: disponibilitatea radiaiei solare

Inginerul este interesat n principal de radiaia primit de la soare ntr-o anumit locaie, la un anumit unghi i orientare pentru perioade lungi de timp. Aceast cantitate de radiaie solar este sursa de energie pentru sistemele fotovoltaice i de aceea trebuie cunoscut cu exactitate. Pe lng poziia geografic a sistemului, mai depinde i de condiiile meteorologice. Este evident faptul c disponibilitatea radiaiei solare a cantitii de energie st sub semnul ntrebrii, iar informaiile disponibile sunt rezultatul unor msuratori n decursul mai multor ani i a unor algoritmi compleci. Anumite informaii sunt disponibile pe site-uri de specialitate, nsa de multe ori nu se pot gsi date exacte pentru o anumit zon. Radiaia solar disponibil intr-o anumit locaie depinde de orientare i nclinarea unghiurilor. De obicei orientarea este msurat n latitudine, avnd ca referina nordul sau sudul, n functie de nclinaie, iar unghiul de nclinaie poart numele de azimut. Un exemplu de date despre radiaia dintr-o anumit locaie este prezentat n figura 1.10, n care se prezint date despre radiaia din SAN DIEGO , USA, ce se gsete la 33.05 latitudine nordica.

Figura 1.10- Radiaia lunara pentru San Diego

Dup cum se poate observa, profilul anual rezult din variaia lunara a radiaiei, cea mai important valoare fiind pentru un unghi egal cu 0, ceea ce nseamn o suprafa orientat spre sud. Dac avem un sistem care lucreaz doar vara,atunci acest sistem trebuie s fie orizontal sau cu un

18

grad de nclinaie ct mai mic. n ceea ce privete unghiul de 90, graficul ne arat c, n aceast situaie primim cea mai mic cantitate de radiaie pe tot parcursul anului, mai puin pe timpul iernii, cnd se observ o usoar inbuntire. Majoritatea aplicaiilor fotovoltaice sunt dezvoltate ntr-un mod ce permite o captare ct mai bun a radiaiilor pe tot parcursul anului.

Figura 1.11- Radiaia total pentru o suprafaa nclinata, aflata n 4 orase (Nairobi-1.2Sud

,Sidney-33.45S, Bangkok-13.5Nord, Edinburgh-55.47Nord)

n concluzie se poate spune c un grad de nclinare al suprafeei, apropiat de valoarea latitudinii la care suprafaa se gsete maximizeaza cantitatea total de energie recepionat ntr-un an. Acest lucru este evideniat i de figura 1.11, unde cantitatea total de radiaie este monitorizat anual pentru 4 suprafee nclinate, fiecare aflndu-se n orae diferite.

19

2. Caracteristicile electrice ale celulei solare

n acest capitol sunt descrise ecuaiile de baz ale celulei solare . Caracteristica I(V), la ntuneric i la lumin, este descris analitic i modelele PSpice sunt introduse prima dat pentru modelele simple, compuse dintr-o diod i o surs de curent. Parametrii fundamentali ai celulei solare sunt :

curentul de scurtcircuit (Isc);

tensiunea de circuit deschis (Voc);

puterea maxim (Pmax);

factorul de umplere (FF). Acest model simplu este generalizat pentru a lua n considerare pierderile rezistenei serie,

paralel i pierderile prin recombinare. De asemenea sunt studiate efectele temperaturii i efectele radiaiilor din spaiu. Este studiat un model comportamental care permite simularea celulelor solare pentru profiluri de iradiere i temperatur.

2.1 Circuitul echivalent ideal

Celula solar poate fi un prim model, descris de superpoziia a doua rspunsuri ale dispozitivului la doua excitaii: lumin i tensiune.

(2.1)

Ecuaia 2.1 este ecuaia care controleaz curentul celulei solare, i n acelai timp ne ofer densitatea de curent a unei celule solare, prezentnd o iradiere dat i o tensiune . Valoarea curentului generat de o celul solar este dat de relaia:

(2.2)

Isc i I0 se refer la densitile lor de curent Jsc i J0 dup cum urmeaz:

(2.3)

(2.4)

A - reprezint aria total a dispozitivului. Dup cum se poate vedea, curentul de scurtcircuit i curentul la ntuneric sunt n relaie

liniar cu aria celulei solare, i din acest cauz este facilitat creterea sau scderea sistemelor PV n conformitate cu cerinele aplicaiei.

De asemenea I0 este o funcie dependent de temperatur i de aceea putem considera n prim faz c I0 poate fi dat de o valoare constant.

2.2 Modelul PSpice al celulei solare ideale

Modelul PSpice al unui subcircuit, al celulei solare ideale este artat n figura 2.1, care este i circuitul ecuaiei 2.2.

20

Figura 2.1- Valoarea curentului generat de o celul solar

a)subcircuitul celulei solare

b) schema bloc

Sintaxa pentru dispozitivul G

g_name node + node- control_node + control_node gain

Dup cum se poate vedea, aceasta surs de curent conectat la circuit naintea nodurilor node+ i node-, cu o valoare dat de produsul porii i tensiunii aplict ntre control_node+ i control_node - .

O simplificare a acestui dispozitiv const in asignarea unei valori care poate fi o expresie matematic, dupa cum urmeaz:

g_name node + node value={expresion}

n cazul nostru dispozitivul folosete numele Girrad i este dat de relaia:

(2.5)

G este valoarea iradierii in W/m2.

Modelul diodei include definirea parametrului Is a unei diode PSpice ca fiind rezultatul

dintre produsul densitii i aria A. Diagrama bloc este artat n figura 2.1b. Nodul de referin este (300), nodul de intrare este (302) care introduce o tensiune numeric egal cu valoarea iradierii, nodul de ieire este (301), care conecteaz celulele solare la circuit. Subcircuitul celulei solare este conectat ntr-un circuit de msur pentru a obine caracteristica I(V).

Figura 2.2- Circuit pentru reprezentarea caracteristicii I(V) a celulei solare

Acest fiier apeleaz subcircuitul cell_1.lib, care se gaseste n anexa 5.

.cell_1.cir

.include cell_1.lib

xcell1 0 31 32 cell_1 params:area=126.6 j0=1e-11 jsc=0.0343

vbias 31 0 dc 0

virrad 32 0 dc 1000

.plot dc i(vbias)

.probe

.dc vbias -0.1 0.6 0.01

.end

21

Figura 2.3- Caracteristica celulei solare pentru modelul din figura 2.2

2.3 Tensiunea de circuit deschis

Pe lng curentul de scurtcircuit, un al doilea punct important n caracteristica celulei solare poate fi definit de intersecia curbei I(V) cu axa tensiunii. Acesta este numit punctul de circuit deschis i valoarea tensiunii este numit tensiune de circuit deschis Voc. Aplicnd condiia de circuit deschis, I=0, ecuaiei (2.2) dup cum urmeaz:

(2.6)

Tensiunea de circuit deschis este dat de relaia: (2.7)

Din ecuaia (2.7) se poate vedea c tensiunea de circuit deschis depinde logaritmic de raportul Isc/I0. Asta nseamn c la temperatur constant valoarea tensiunii de circuit deschis se scaleaz logaritmic cu curentul de scurtcircuit, care la rndul lui scaleaz liniar cu iradiaia rezultat din dependena logaritmic a tensiunii de circuit deschis cu iradiaia. De asemenea, acesta este un rezultat important care indic faptul c efectul iradiaiei este mult mai mare n curentul de scurtcircuit dect n circuit deschis.

Inlocuind ecuaiile (2.3) i (2.4) in ecuaia 2.7 va rezulta:

(2.8)

Acest rezultat artat n ecuaia (2.8) indic faptul c, tensiunea de circuit deschis nu este dependent de aria celulei, fiind un rezultat important deoarece, spre deosebire de valoarea din aria

22

celulei, tensiunea de circuit deschis este ntotdeauna aceeai, n aceleai condiii de iluminare i temperatur. Acest fiier apeleaz subcircuitul cell_1.lib, care se gaseste n anexa 5.

*irradiance.cir *

.include cell_1.lib

xcell1 0 31 32 cell_1 params:area=126.6 j0=1e-11 jsc=0.0343

vbias 31 0 dc 0

.param IR=1

virrad 32 0 dc {IR}

.step param IR list 200 400 600 800 1000

.plot dc i(vbias)

.probe

.dc vbias -0.1 0.6 0.01

.end

n continuare este definit un nou parametru IR, este asociat valorii tensiunii sursei Virrad .

Figura 2.4 - Caracteristica I(V) a unei celule solare pentru mai multe valori ale iradiaiei:

200, 400, 600 mW/m2.

2.4 Punctul de putere maxim al unei celule solare

Puterea de ieire a unei celule solare este produsul dintre curentul de ieire livrat sarcinii electrice i tensiunea pe celul. n general se consider faptul c un semn pozitiv indic puterea livrat la sarcin i un semn negativ indic puterea consumat de ctre celula solar. Lund n considerare definiiile de semn din figura 2.1, puterea la orice punct din caracteristic este dat de relaia:

(2.9)

Valoarea puterii la punctul de scurtcircuit este 0, deoarece tensiunea este 0. De asemenea

puterea este 0 la punctul de circuit deschis, unde curentul este 0. ntre aceste 2 puncte exist o putere pozitiv generat de celula solar. De asemenea exist un maxim al puterii generat de o

23

celul solar ntre aceste 2 puncte. Acest lucru se ntmpl la un la un anumit punct, punctul de putere maxim (MPP - Maximum Power Point) avnd coordonatele V=Vm i I=Im. O relaie ntre Vm i Im poate fi derivat lund n considerare c la punctul de putere maxim derivata puterii este 0:

(2.10)

La MPP,

(2.11)

Rezult o ecuaie transcendent,

(2.12)

(2.13)

Rezolvnd ecuaia 2.13, Vm poate fi calculat, dat fiind faptul c Voc este cunoscut. Folosind PSpice, coordonatele MPP pot fi uor gasite reprezentnd grafic produsul I x V, ca funcie a tensiunii aplicate.

Figura 2.5- Graficul puterii n funcie de tensiune pentru celula solar, fiind reprezentate

cteva valori ale iradiaiei: 200, 400, 600, 800, 1000W/m2

Tabelul 2.1 : Rezultatele in PSpice pentru cteva valori ale stralucirii

24

2.5 Factorul de umplere i eficiena conversiei puterii

Factorul de umplere este definit ca fiind raportul dintre puterea maxim Pmax i produsul IscVoc:

(2.14)

Factorul de umplere nu are unitate de masur, indicnd ct de departe este produsul IscVoc de puterea livrat celulei solare. Factorul de umplere poate fi aproximat de o relaie empiric:

(2.15)

Eficiena conversiei puterii este definit ca fiind raportul dintre puterea dat de celul i puterea recepionat pe suprafaa celulei solare:

(2.16)

Dup cum se poate vedea mai sus, eficiena conversiei puterii unei celule solare este proporional cu valoarea a 3 parametrii fotovoltaici importani: densitatea curentului de scurtcircuit, tensiunea de circuit deschis i factorul de umplere, pentru o anumit iradiaie G. De cele mai multe ori eficiena este dat procentual. Eficiena conversiei puterii este mai mare cu ct iradiaia este mai mare. Aceasta poate fi formulata analitic, considernd c valoarea iradiaiei este scalat de scala factorului S la condiiile standard : AM 1.5 1000W/m2, dupa cum urmeaz:

(2.17)

cu G1=1000W/m2. Eficiena este dat de relaia:

(2.18)

Dac proporionalitatea ntre strlucire i curentul de scurtcircuit se presupune:

(2.19)

Astfel rezult n final:

(2.20)

Aplicnd definiia eficienei n ecuaia (2.18) vom obtine:

(2.21)

(2.22)

25

Ipotezele fcute pentru a obine ecuaia (2.22) i anume: temperatura se menine constant, curentul de scurtcircuit este proporional cu iradiaia i factorul de umplere este independent de valoarea iradiaiei.

2.6 Modelul generalizat al unei celule solare

Circuitul echivalent i modelul PSpice al celulei solare descris pn n prezent, ia n considerare un comportament ideal al unei celule solare pe baza unei diode ideale i a unei surse ideale de curent.

Uneori acest model este insuficient pentru a reprezenta exact puterea maxim emis de ctre celula solar. Exist mai multe efecte care nu au fost luate n considerare i care ar putea afecta rspunsul celulei solare.

o Rezistena serie Una din principalele limitri ale modelului vine de la pierderile rezistive serie, care sunt prezente n celulele solare. De fapt curentul generat n volumul celulelor solare se deplaseaz ctre contacte, prin intermediul materialului semiconductor rezistiv, att n regiunea de baz, nu foarte mult dopat n general, ct i n regiunea emitor, care, dei puternic dopat, este ngusta. n afar de aceste doua componente, rezistena grilei de metal, contactele i calea de colectare a curentului contribuie la pierderile rezistive serie. Este o practic comun de a presupune c aceste pierderi serie pot fi reprezentate printr-un rezistor concentrat R, numit rezistena serie a celulei solare.

o Rezistena unt Tehnologia celulei solare n industrie este rezultatul produciei n mas a dispozitivelor fcute, n general, din suprafee mari, sau din suprafee mari de material cu pelicul subire. Pierderile rezistive ale rezistentelor unt sunt identificate, precum i acele scurtcircuite de la nivelul stratului emitorului sau unturi perimetrale care sunt situate de-a lungul marginilor celulei, reprezentnd cele mai comune pierderi. Acesta este reprezentat de obicei de un rezistor Rs n paralel

cu un dispozitiv intrinsec.

o Recombinarea Recombinarea la regiunea de sarcin spaiala a celulelor solare explic caile non-ohmice, n

paralel cu celula solar intrinseca. Aceasta este relevant la tensiuni mici i poate fi reprezentat ntr-un circuit echivalent de o diod secundar cu densitatea curentului de saturaie J02, care este diferit de densitatea curentului de saturaie a unei celule solare ideale. Acesta poate fi adaugat la subcircuitul celulei solare, prin simpla adugare a unei diode secundare diode2 cu n=2, n descriere a modelului diod dupa cum urmeaz:

.model diode2 d(is={j02*area}, n=2)

o Non-idealitatea diodei de difuzie n practic puine dispozitive manifest o caracteristic I(V) ideal cu un coeficient ideal

egal cu unitatea. Din acest motiv, o practic comun este adugarea unui parametru n, care s ina seama de aceste non-idealiti. n acelai fel am descris mai sus pentru dioda de recombinare, modelul principal al diodei care poate fi modificat, pentru a lua n calcul acest efect, dupa cum

urmeaz: .model diode d(is={j0*area},n=1.1), unde n=1.1 este un exemplu

n concluzie, o noua relaie ntre curent i tensiune poate fi scris, lund n considerare aceste efecte, dup cum urmeaz:

(2.23)

26

Aceasta ecuaie vine de la circuitul echivalent, artat n figura 2.6. Trebuie subliniat c sensul de scurtcircuit trebuie s se schimbe n acest circuit nou, datorit condiiilor de scurtcircuit aplicate extern celulelor solare terminale, i anume noduri (303) i (300) din figura 2.6.

Figura 2.6 - Subcircuitul cell_2.lib incluznd 2 diode , rezistori serie i unt

2.7 Efectele rezistenei serie asupra curentului de scurt circuit i a tensiunii de circuit deschis

Rezultatele simulrii sunt expuse n figura 2.7 pentru cteva valori, ridicate, ale rezistenei serie, rezistena unt constant, 1x105 , i valorile echivalente ale iradiaiei i temperaturii. Aceasta este realizat prin schimbarea decalrii ce apeleaz subcircuitul, introducnd {RS}ca valoare pentru rezistena serie, caruia i se dau cteva valori la analiza parametrica step param, dup cum urmeaz: Acest fiier apeleaz subcircuitul cell_2.lib, care se gaseste n anexa 11.

*cell_2.cir

.include cell_2.lib

xcell2 0 31 32 cell_2 params:area=126.6 j0=1e-11 j02=1E-9

+ jsc=0.0343 rs={RS} rsh=100000

.param RS=1

vbias 31 0 dc 0

virrad 32 0 dc 1000

.plot dc i(vbias)

.dc vbias -0.1 0.6 0.01

.step param RS list 0.0001 0.001 0.01 0.1 1

.probe

.end

27

Figura 2.7: Efectele rezistenei serie

Caracteristica I(V) pentru valoarea rezistenei serie de la 1 (marginea inferioar a graficului),0.1, 0.01, 0.001, 0.0001(marginea superioara a graficului)

Dup cum se poate vedea n graficul de mai sus sunt observate diferene mari n caracteristica I(V). Atta timp ct valoarea rezistenei serie crete, valorile curentului de scurt-circuit, ct i a factorului de umplere scad.

o Curentul de scurtcircuit n contrast cu rezultatul ideal la scurtcircuit, valoarea curentului de scurt-circuit nu este

egal cu cea a fotocurentului IL. Prin nlocuirea V=0 n ecuaia (2.23) va rezulta:

(2.24)

n practic, diferena dintre Isc i IL, ntr-o celula solar, este mica deoarece rezistena serie este meninut mica, printr o proiectare adecvat a reelei metalice, a nivelurilor de dopaj , i pentru c rezistena paralel este mare n dispozitivele ce trec testele post fabricaie. Aceasta este clar vizibil n reprezentrile grafice din figura 2.7, unde valorile curentului de scurtcircuit ramn sensibil constante, cu condiia ca valorile folosite pentru rezistena serie s fie mai mici sau egale dect 0.01. Lund n considerare faptul c celula solar are o arie, n acest exemplu, de 126.6 cm

2, curentul de scurtcircuit trebuie meninut, adica sunt tolerate valorile foarte mici ale pierderilor rezistenei serie.

o Tensiunea de circuit deschis Tensiunea de circuit deschis poate fi derivat din ecuaia (2.23) ,punnd condiia I=0

(2.25)

Tensiunea de circuit deschis dat de ecuaia (2.25) nu este dependent de valoarea rezistenei serie i de valorile parametrilor diodei de recombinare. Dac neglijm al patrulea i al cincilea termen din ecuaia (2.25) tensiunea de circuit deschis este dat de relaia:

(2.26)

n figura 2.7 graficul ne confirm faptul c tensiunea de circuit deschis nu este dependent de valoarea rezistenei serie, dup cum toate curbele trec prin acelai punct, pe axa tensiunii.

28

2.8 Efectele rezistenei serie asupra factorului de umplere

Din rezultatele artate n figura 2.7, devine clar c unul dintre cei mai afectai parametrii ai celulei solare, din punct de vedere al rezistenei serie este factorul de umplere. Dac ne limitm doar la analiza efectului rezistenei serie, celula solar poate fi modelat de diode de difuzie i rezistena serie, simplificnd ecuaia (2.23), care devine:

(2.27)

n condiii de circuit deschis:

(2.28)

din ecuaia 2.28 I0 poate fi scris astfel:

(2.29)

i nlocuind n ecuaia (2.27):

(2.30)

la punctul de putere maxim:

(2.31)

nmulind ecuaia (2.31) cu tensiunea V i egalnd derivata produsului egal cu 0, coordonatele punctului de putere maxim sunt date de relaia:

(2.32)

Dac Voc i IL sunt cunoscute, ecuaiile (2.31) i (2.32) dau Im i Vm. O formulare simpl a aceleiai probleme presupune c maximul puterii livrate de celula solar poate fi calculat din:

(2.33)

Unde Pm este puterea maxim cnd Rs este diferit de 0. nmulind i mprind al 2 lea termen din partea dreapt n ecuaia (2.33) prin Vm rezulta :

(2.34)

Dac mai departe presupunem:

(2.35)

Ecuaia (2.35) devine:

(2.36)

29

unde (2.37)

rs este valoarea normalizat a rezistenei serie. Factorul normalizat este raportul dintre tensiunea de circuit deschis i curentul de scurtcircuit.

(2.38)

Acest rezulat este valid, dat fiind faptul c ambele valori ale curentului de scurtcircuit i ale tensiunii de circuit deschis sunt independente de valorile rezistenelor serie.

2.9 Efectele rezistenei unt

Rezistena unt degradeaz performana celulelor solare. Pentru a nltura acest efect, rezistena serie i cea de a-2-a diod pot fi eliminate din ecuaia (2.23) prin asocierea lui RS cu o valoare mai mic Rs=1 x 10

-6 i J02=0.


*unt.cir

.include cell_2.lib

xcell2 0 31 32 cell_2 params:area=126.6 j0=1e-11 j02=0

+ jsc=0.0343 rs=1e-6 rsh={RSH}

.param RSH=1

vbias 31 0 dc 0

virrad 32 0 dc 1000

.plot dc i(vbias)

.dc vbias 0 0.6 0.01

.step param RSH list 10000 1000 100 10 1 0.1

.probe

.end

Figura 2.8 - Caracteristica I(V) - efectele rezistenei unt Dac rezistena paralel nu ia valori mici, tensiunea de circuit deschis, este foarte puin modificat. Pe de alt parte, la condiii de scurtcircuit, toate curbele trec prin acelai punct. Acest lucru nu este obinuit, deoarece din ecuaia (2.23), cu Rs= 0 i J02=0, rezulta la V=0:

(2.39) care este independent de Rsh.

30

Dac analizm caracteristica I(V) sub nclinare invers, V

31

Figura 2.9 - Efectele temperaturii

2.11 Modelul comportamental al celulelor solare

n scopul modelrii sistemelor fotovoltaice, de obicei, sunt necesare simulri ale comportamentului celulelor solare pentru a schimba condiiile de temperatur i iradiere. Adic este greu de utilizat PSpice pentru analiza temperaturii ncorporate, deoarece PSpice face o nou analiz pentru fiecare valoare a temperaturii. Mai folositor, ca rezultat, ar fi un fiier sau un grafic funcie de timp cu valorile iradiaiei i temperaturii.

Dac celulele solare nu sunt facute din GaAs sau Ge, efectele temperaturii celulei solare nu sunt uor de determinat, n schimb , de cele mai multe ori, datele disponibile provin din fie tehnice sau materiale publicate de ctre productori i conin valori ale mrimilor electrice obinute din msurtorile fotovoltaice, cum ar fi: curentul de scurtcircuit, teniunea n gol, i puterea maxim n condiii standard. n acest caz, modelul unei celule solare, incluznd o diod, nu este foarte practic.

De aceea introducem un model comportamental, bazat pe surse de curent i tensiune , capabil s modeleze corect o celul solar oarecare, n condiii arbitrare de iradiere i temperatur, singurele intrri fiind valori electrice.

Modelul presupune faptul c celula solar poate s fie modelat de 2 surse de curent i o serie de rezistene. Modelul este alctuit dintr-un subcircuit ntre nodurile 10, 14, 12, 13, dup cum este artat in figura 2.10, unde 2 dispozitive au asociate funcii, dup cum urmeaz:

(2.45)

32

Figura 2.10 - Diagrama bloc i diagrama schematic a modelului comportamental al celulei solare

Derivata n ecuaia (2.45) este coeficientul temperaturii curentului de scurtcircuit i este considerat constant n scara temperaturilor de interes. Tr este temperatura de referin, care de obicei este considerat 25 (n unele cazuri i 300). n PSpice acest dispozitiv este scris ca:

girrad 10 11 value={( jscr/1000*v(12)*area) +coef_jsc*area*(v(17)-25)}

Cea de a 2 a surs returneaz termenul exponenial al unei celule solare, fiind nlocuit cu o diod:

(2.46)

Valoarea lui Jsc este luat din tensiune, la nodul 305, i tensiunea de circuit deschis este luat de la nodul 306.

Tensiunea de circuit deschis poate fi scris i pentru noile valori ale iradiaiei la 2 temperaturi:

(2.47)

Adunnd i scznd valoarea lui Voc n condiii arbitrare de iradiaie i temperatur, vom obine:

(2.48)

nlocuind:

(2.49)

rezult:

(2.50)

33

n general, exceptnd atunci cnd curentul de scurtcircuit este 0, unitatea poate fi neglijat n numrtorul i numitorul ultimului termen al ecuaiei (2.50) i atunci vom avea:

(2.51)

Rezistena serie este:

(2.52)

Unde, FFo este dat de relaia (2.15) i Pmax este puterea maxima pe unitatea de suprafata . n sistemele fotovoltaice informaia despre evoluia coordonatelor punctelor de putere

maxim, n timpul unei perioade date, este important deoarece echipamentul electronic folosit pentru a conecta dispozitivele fotovoltaice la sarcini, sunt proiectate s urmeze acest punct de putere maxim.

Codul PSpice poate, de asemenea, s ofere aceast informatie n 2 noduri accesibile celulei de scurtcircuit. Tot ceea ce este necesar sunt coordonatele punctului maxim de putere la condiii standard Vmr i Imr. Punctul puterii maxime, la condiii arbitrare ale stralucirii i temperaturii poate fi considerat scalat, proporional cu iradiaia, liniar cu temperatura i coeficientul de temperatur al curentului de scurtcircuit:

(2.53)

2.12 Utilizarea modelului comportamental i al modelului cu surse de tip PWL

Modelul comportamental descris n seciunea anterioar are ca scop simularea rspunsului unei celule solare, dat la un anumit profil de iradiaie i temperatur ambiant, a seriilor n timp. Deci n urmtoarele capitole vom folosi mai mult seriile de timp ale acestor variabile este convenabil, aici, s abordm dou puncte importante care ajut la nelegerea simularilor PSpice a sistemelor fotovoltaice.

a) Uniti de timp b) Uniti variabile

a) Uniti de timp Funcionarea sistemelor de tip PV este menit s dureze perioade lungi de timp, dar

proiectarea i procedurile de dimensionare vor fi mai ajuttoare n cazul n care n simulri pot fi folosite perioade lungi de timp considernd profile arbitrare de iradiere i temperatur. Aparent, aceste simulri au nevoie de mult timp de acces la procesor i sunt zadarnice sau greoaie. O modalitate simpl de a depi aceste probleme este aceea de a lua n considerare dou uniti diferite de timp: o unitate de timp , care va fi unitatea intern de timp PSpice, iar cea de-a doua unitate de timp, va fi unitatea de timp real a sistemului PV. Acest lucru nseamn c, dac am atribui o microsecund de unitate interna de timp PSpice la 1 or de timp real, o simulare de o zi va fi realizat n cteva secunde pe orice calculator standard.

b) Uniti variabile Utilizarea variabilelor de intrare i ieire din fiierele PSpice utilizate pentru a simula

sisteme PV este necesar, de exemplu pentru pentru a introduce valorile de iradiere i temperatur, sau pentru a extrage dintr-o simulare rezultatele variabilelor, precum nivelul de ncrcare al bateriei sau viteza unghiulara a motorului. Cu toate acestea, PSpice este un instrument care manipuleaz doar mrimi electrice. Acest lucru nseamn c unitile interne variabile n PSpice sunt limitate doar la unitile electrice. n sistemele fotovoltaice, este evident c marimile non-electrice trebuie

34

s fie manipulate i aceasta foreaz apoi utilizarea echivalentelor electrice pentru marimile non-electrice. De exemplu, dac vrem s introducem date despre temperatur trebuie s convertim temperatura ntr-o surs de tensiune, astfel nct, 1 V al sursei de tensiune s corespunda unui grad Celsius al temperaturii.

Acest fiier apeleaz subcircuitul cell_beh.lib, care se gaseste n anexa 8.

*CELL_PWL.CIR

.include cell_beh.lib

xcellbeh 0 32 33 34 35 36 37 38 39 cell_beh params:area=1, tr=25,

jscr=0.0375,

+ pmaxr=0.0184, vocr=0.669, jmr=35.52e-3, vmr=0.518, noct=47,

+ coef_jsc=12.5e-6, coef_voc=-3.1e-3

virrad 32 0 pwl 6u 1 8u 100 10u 200 11u 400 12u 450 13u 800 15u

750 17u 300 19u 200 20u 0

vtemp 33 0 pwl 6u 12 8u 12 10u 15 11u 18 12u 20 13u 22 15u 21 17u

17 19u 15 20u 13

rim 38 0 1

vbias 34 0 dc 0

.tran 0 20u 6u 0.01u

.probe

.end

Figura 2.11- Modelul comportamental i sursele PWL pentru o simulare n timp: Timpul intern este 1s

35

3. Matrici de celule solare, module i generatoare PV

n acest capitol sunt descrise asocierile de celule solare pentru a forma matrici, module PV i generatoare PV. n primul rnd sunt descrise proprietile conexiunilor serie-paralel ale celulelor solare, iar apoi este ilustrat rolul unei diode bypass. Este prezentat transformarea caracteristicilor unui modul PV standard, n condiii arbitrare de iradiere i temperatur, iar modelele PSpice generale i particulare sunt folosite pentru extinderea modelelor de celule solare cu ajutorul modulelor i generatoarelor.

3.1 Introducere

O celul solar are potenialul limitat n ceea ce privete furnizarea energiei la tensiuni ridicate, deoarece tensiunea de circuit deschis este independent de aria celulei solare, i este limitat de proprietile semiconductorilor. n majoritatea aplicaiilor fotovoltaice sunt necesare tensiuni de ordinul zecilor de volti, chiar i pentru electronica conventionala, un minim de aproximativ 1 volt este des ntalnit. Pentru a intensifica puterea produs de un generator PV, trebuie s conectm celulele solare n serie. Gama aplicaiilor PV pornete de la civa Watti, folosii n aplicaiile portabile, ajungnd la ordinul Megawailor , folosii n instalaiile PV. Drept urmare este nevoie s mrim att tensiunea ct i curentul, deoarece aria celulei solare este limitat prin producie i proceduri de asamblare. Conexiunile paralele din celulele PV sunt folosite de ctre productori pentru a atinge anumite valori de ieire ale curentului, pentru o anume instalaie PV, lund n calcul toate componentele i pierderile sistemului.

3.2 Conectarea n serie a celulelor solare

n figura 3.1 este prezentat conectarea n serie a 2 celule solare. Pot exista mai multe cazuri, n funcie de nivelul iradiaiei i valorile parametrilor interni: a) Asocierea dintre celule solare identice; b) Asocierea dintre celule solare identice cu diferite niveluri de iradiere: problema punctului

fierbinte ;

c) Diode bypass.

Figura 3.1-Legarea n serie a 2 celule solare

36

a) Cele 2 celule solare au aceeai valoare pentru curentul de scurtcircuit, deoarece ambele celule au aceeai valoare a iradiaiei, i n plus valorile rezistenelor unt i serie sunt egale. Este de ateptat s avem pe caracteristica I(V) aceleai valori ale curentului de scurtcircuit pentru oricare 2 celule solare. Ieirea este ntre nodurile(43) i (0), iar nodul (45) este nodul comun celor 2 celule.

Acest fiier apeleaz subcircuitul cell_2.lib, care se gseste n anexa 11.

*series.cir

.include cell_2.lib


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000

vbias 43 0 dc 0

virrad1 42 45 dc 1000

virrad2 44 0 dc 1000

.plot dc i(vbias)

.dc vbias 0 1.2 0.01

.probe

.end

Figura 3.2-Caracteristica I(V) a legrii n serie a 2 celule solare identice

b) Asocierea unor celule solare identice cu diferite niveluri de iluminare: problema punctului

fierbinte.

Presupunem dou celule solare conectate n serie, dar care nu au acelai nivel de iluminare. Aceast situaie este des ntlnit, una din cele 2 celule poate fi murdar. Netlist-ul anterior a fost modificat, considernd celula a-2-a luminat cu o intensitate de 700W/m2, pe cnd celula unu este luminat cu o intensitate de 1000 W/m2. Aceasta se atinge prin modificarea valorii tensiunii sursei, reprezentnd valoarea iluminrii din celula 2.

virrad2 44 0 dc 700

37

Rezultatele pot fi vizualizate n partea de jos a figurii 24. Asocierea a 2 celule solare genereaz un curent de scurtcircuit egal cu curentul de scurtcircuit generat de celule solare mai puin luminate, cum ar fi:0.0340 x (700/1000) x 126.6=3.03A).

Tensiunea pe cele 2 celule este mparit inegal pentru punctele aflate la tensiuni mai mici dect tensiunea de circuit deschis. Acest lucru se poate observa n partea de sus a graficului din figura 24,

unde cderea de tensiune pe cele 2 celule este reprezentat separat.

Figura 3.3 - Caracteristica I(V) a legrii n serie a 2 celule solare, prima avnd o iluminare de 1000W/m

2, iar cea de-a 2 a de 700 W/m

2

n anumite condiii de operare una din cele 2 celule solare, mai puin luminat, poate fi nclinat invers. Este posibil ca puterea emis de celula a-2-a, care este iluminat mai puin, s fie negativ dac asocierea total lucreaz la un punct de sub 0.5V. O parte din puterea produs de prima celul este disipat local de celula a 2-a, prin reproducerea puterii emise i mrirea temperaturii locale, pe celula 2.

Figura 3.4 - Puterea emis(pozitiv) sau consumat(negativ) de 2 celule solare iluminate diferit i puterea total, ca funcie a tensiunii totale asocierii celor 2 celule n serie

38

Acest efect se numete punctul fierbinte, care este important n modulele PV, unde numai una din celulele solare, din asocierea serie, este mai putin iluminata, care apoi trebuie s disipe o parte din puterea emis pe celelate celule.

c)Diode bypass

Curentul pe o conexiune serie a celulelor solare este limitat de curentul celulei solare mai

puin iluminate. Extinderea acestui comportament pentru situaia n care una dintre celulele solare este complet ntunecat transform aceast celul solar ntr-un circuit deschis, prin urmare toat conexiunea serie va fi un circuit deschis.

Acest lucru poate fi evitat prin folosirea diodelor bypass care pot fi plasate de-a lungul

fiecrei celule solare sau a unei conexiuni serie. Vom presupune c avem o conexiune serie de 12 celule solare identice, dintre care celula 6 este complet acoperita, neiluminata. Pentru a evita pierederea complet a puterii pe conexiune, o diod este conectat la dispozitivul alarmat, n sens invers, aa cum se poate observa in figura 27.

Figura 3.5 - Conectarea serie a 12 celule solare cu o diod bypass, conectat la celula 6

Se reprezint caracteristica finala I(V), cderea de tensiune pe dioda bypass i puterea disipat de dioda bypass. Acest fiier apeleaz subcircuitul cell_2.lib, care se gaseste n anexa 11.

*bypass.cir

*includes 12 solar cells in series and a bypass diode

*across solar cell number 6

.include cell_2.lib


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


39

+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000


+ jsc=0.0343 rs=1e-3 rsh=100000

vbias 43 0 dc 0

virrad1 42 45 dc 1000

virrad2 44 47 dc 1000

virrad3 46 49 dc 1000

virrad4 48 51 dc 1000

virrad5 50 53 dc 1000

virrad6 52 55 dc 0

virrad7 54 57 dc 1000

virrad8 56 59 dc 1000

virrad9 58 61 dc 1000

virrad10 60 63 dc 1000

virrad11 62 65 dc 1000

virrad12 64 0 dc 1000

*bypass diode

dbypass 55 53 diode

.model diode d

.dc vbias 0 8 0.01

.probe

.plot dc i(vbias)

.end

Figura 3.6 - Efectul unei diode bypass asupra unei celule solare neiluminate dintr-o conexiune

40

Figura 3.7- Cderea de tensiune pe dioda bypass(graficul de sus) i puterea disipat(graficul de jos)

3.3 Conectarea unt a celulelor solare

Creterea tensiunii poate fi efectuat n matricile PV prin conectarea celulelor solare n serie. Creterea curentului poate fi obinut prin creterea suprafeei celulei solare, sau prin conectarea n paralel a celulelor solare dintr-o anumit zon sau prin conectarea n paralel a matricilor conexiunilor serie de celule solare. Este valabil pentru matrici mari de celule solare, folosite pentru

aplicaiile n spaii exterioare sau pentru module PV terestre i instalaii PV de energie solar, celule pentru aplicaii n exterior sau module PV i instalaii terestre.


*shunt.cir

.include cell_2.lib


+ jsc=0.0343 rs=1e-2 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=1e-2 rsh=1000

vbias 43 0 dc 0

virrad1 42 0 dc 1000

virrad2 44 0 dc 700

.plot dc i(vbias)

.dc vbias 0 0.6 0.01

.probe

.end

41

Figura 3.8 - Conectarea n paralel a 2 celule solare cu diferite niveluri de iluminare

3.4 Modulul PV terestru

Cel mai popular modul fotovoltaic este un caz particular al unui ir serie de celule solare serie. n aplicaiile terestre, modulele PV standard sunt compuse din mai multe celule solare conectate n serie, de obicei 33-36. Conexiunile dintre celule sunt realizate folosind benzi metalice.

Caracteristica modulului PV este rezultatul scalrii tensiunii unei singure celule solare. Exist 2 motive principale pentru care este necesar o formulare mai compact a unui modul PV -cu ct numrul de celule solare, conectate n serie crete, cu att numrul de noduri ale circuitului crete. -normele de scalare ale curentului i tensiunii sunt cunoscute n general este mai simplu i util s dezvoltm, un model mai compact bazat pe aceste norme care ar putea fi utilizat ca model pentru un singur modul PV, iar apoi mrit pentru a construi un model de instalaie PV. Fie caracteristica I(V) a unei celule solare:

(3.1)

Presupunem c rezistena unt a unei celule solare, Rsh, este mare i efectele sale pot fi neglijate, deci i efectele celei de a 2 a diod pot fi neglijate. Presupunem : I02=0 i Rsh= ecuaia (3.1) devine:

(3.2)

Unde am presupus : Isc=IL Regulile de scalare pentru tensiuni, cureni, i rezistene, cnd avem o matrice Ns x Np sunt urmtoarele:

(3.3)

(3.4)

(3.5)

(3.6)

42

Indicele M vine de la Module, iar cnd nu avem n indice M, nseamna c ne referim la o singur celul. Regula de scalare pentru rezistena serie e aceeai ca i pentru o matrice de tip Ns x Np :

(3.7)

nlocuind n ecuaia (3.2) obtinem:

(3.8)

(3.9)

Din ecuaia (3.2) n circuit deschis, I0 poate fi scris :

(3.10)

Folosind ecuaiile (3.4) i (3.6) vom obine:

(3.11)

Ecuaia (3.11) este util pe caz general, deoarece valorile parametrilor electrici (Isc i VocM) ai modulelor PV sunt cunoscute.

Substituind ecuaia (3.11) n ecuaia (3.9) vom obine:

(3.12)

Neglijnd cele 2 expresii din parantez:

(3.13)

Ecuaia (3.13) este o expresie compact a caracteristicii I(V), pentru un modul PV. Valoarea puterii maxime este disponibil n condiii standard. Vom presupune c factorul de umplere pentru o conexiune serie, al unui modul PV este egal cu cel al unei celule solare. Acest

lucru vine de la regulile de scalare prezentate n ecuaiile (3.3)-(7.7):

(3.14)

Unde valoarea normalizat a lui voc poate fi calculat fie din datele unei singure celule solare, fie dintr-un modul de date:

(3.15)

Rezistena serie este compus din valoarea densitii de putere pe unitatea de suprafa la punctul de putere maxim:

(3.16)

43

(3.17)

Ecuaiile (3.9) i (3.10) sunt ecuaiile de baz ale caracteristicii I(V) ale unui modul PV.

Figura 3.9- Modelul PSpice pentru un subcircuit de modul PV

3.5 Conversia caracteristicilor moduleleor PV standard la valorile arbitrare ale iradiaei si temperaturii

Caracteristicile electrice ale moduleleor PV sunt evaluate la condiii de temperatur i iradiere standard. Condiiile standard pentru aplicaiile terestre sunt: spectru AM 1.5, 1000W/m2 la 25 - temperatura celulei, iar condiiile standard pentru aplicaiile extra-terestre sunt: AM0, 1353 W/m

2 la 25. De aceea utilizatorul cunoate doar valorile nominale ale parametrilor electrici ai

modulului PV, care sunt diferite de valorile acelorai parametrii n cazul n care se schimb condiiile de funcionare. Conversia caracteristicilor de la un set de condiii la altul, este o problem cu care se confrunta design-eri i utilizatorii care doresc s cunoasc ieirea unei instalaii PV n condiii medii reale, dect n condiii standard realizabile doar n laboratoarele de specialitate. Cele mai multe dintre metodele de conversie se bazeaz pe principiile enunate n capitolul 2, mai jos fiind rezumate cteva din regulile cele mai importante:

- Curentul de scurtcircuit este proporional cu iradiaia i are un coeficient de temperatur mic - Tensiunea de circuit deschis are un coeficient de temperatur negativ i depinde logaritmic de iradiaie

Exist o diferen semnificativ ntre temperatura ambiant i temperatura de funcionare a celulei, datorit ambalajului, cldurii prin convecie si iradiaie.

Transformarile bazate pe variabile normate

n aceast seciune vom descrie un model PSpice bazat pe metoda conversiei. Aceasta metod transform fiecare pereche de coordonate I(V) n (Ir, Vr) n condiii de referina i invers, n funcie de urmtoarele ecuaii:

(3.18)

(3.19)

44

Coeficientul de temperatur al curentului este neglijat i efectele temperaturii sunt considerate ca fiind un parametru DV, definit ca:

(3.20)

Este util s normm valorile tensiunii i curentului astfel:

(3.21)

(3.22)

ntre aceste variabile se obin urmtoarele ecuaii:

(3.23)

(3.24)

(3.25)

Ecuaiile (3.23) i (3.24) sunt ecuaiile transformrii curenilor i tensiuniilor. Transformarea factorului de umplere se obine din ecuaiile de mai sus:

(3.26)

Dup cum se poate vedea Dv este un parametru important i a fost determinat prin mai multe

msurtori experimentale ale modulelor PV din silicon cristalizat i care poate fi prevazut folosind urmtoarea expresie:

(3.27)

Ta este temperatura ambiental i Tr este temperatura operaional a celulei n condiii standard, 25.

3.6 Modelul comportamental n PSpice pentru un modul PV

Conceptul de NOCT este util n transformarea caracteristicii I(V) a unui modul fotovoltaic

pentru de la un set de condiii la altul, la fel cum a fost folosit anterior pentru celule individuale solare.

NOCT nseamn Temperatura la Condiiile Nominale de Operare, care este definit ca fiind temperatura real a celulei la 800 W/m2 i 20 temperatur ambientala, cu viteza vntului de 1m/s i partea din spate a celulei, deschis i expus vntului. Acest parametru ajut n relaionarea temperaturii ambientale cu temperatura real a celulei. Este folosit o formul empiric destul de simpl:

(3.28)

G este iradiaia exprimat n W/m2, de asemenea toate temperaturile sunt exprimate n C. Determinarea valorii NOCT depinde de tipul materialului i de tipul de izolare.

45

Ecuaia (3.28) poate fi folosit pentru a transforma caracteristica I(V) folosind noua valoare a temperaturii celulei n ecuaiile modulului PV. Pentru valori arbitrare ale strlucirii i temperaturii, curentul de scurtcircuit este dat de relaia:

(3.29)

Tensiunea de circuit deschis poate fi obinut folosind acelai mod de calcul:

(3.30)

Folosind valoarea puterii maxime rezistena serie a modulului poate fi calculat cu ajutorul ecuaiei (3.17). Modelarea comportamental n PSpice pentru o singur celula, poate fi extins la un modul fotovoltaic i rezult coordonatele punctului maxim de putere :

(3.31)

(3.32)

Figura 3.10- Nodurile subicircuitului ce modeleaz comportamental modulul PV

n primul rand este definit un subcircuit pentru modelul comportamental al modulului

subckt module_beh , este similar cu cea scris pentru o singur celula, dar adaugnd noul parametru ns pentru a specifica numarul de celule solare serie. Subcircuitul artat n figura 3.10 implementeaz ecuaia (3.13) n dispozitivul gidiode i valorile rezistenei serie a modulului. De asemenea, 2 noduri genereaz valorile pentru coordonatele punctului de putere maxim.

3.7 Problema punctului fierbinte ntr-un modul PV i aria de functionare sigur

O celul solar umbrita poate funciona n condiii care determin disiparea de putere, n loc de generarea ei. Aceast disipare poate fi de o importan major, daca doar una din celulele modulului fotovoltaic este complet umbrit. Disiparea de putere a unei singure celule solare ridic

46

temperatura de funcionare. Din aceasta cauza se obinuiete s se calculeze condiiile extreme n care poate fi afectat celula solar sau materialul de etanare. O metoda de a cuantiza o arie de funcionare sigur este de a calcula puterea disipat ntr-o singur celul solar(cu numarul n) folosind:

(3.33)

Condiia care trebuie pus este ca niciodat puterea disipat de celula n s fie mai mare dect Pdismax. Tensiunea V(n) este dat de formula:

(3.34)

Din ecuaia (3.33) rezult:

(3.35)

(3.36)

Aceasta ecuaie poate fi uor reprezentat grafic. Acest fiier apeleaz subcircuitul module_1.lib, care se gseste n anexa 9. *module_1.cir

.include module_1.lib

xmodule 0 43 42 module_1 params:ta=25,tr=25, iscmr=5, pmaxmr=85,

vocmr=22.3,

+ ns=36, np=1, nd=1

vbias 43 0 dc 0

virrad 42 0 dc 1000

.dc vbias 0 23 0.1

.probe

.end

Figura 3.11- Aria de funcionare sigur pentru un modul fotovoltaic, avnd tensiunea reprezentat pe axa y i curentul pe axa x

47

3.8 Arii fotovoltaice

Ariile fotovoltaice, i n general generatoarele fotovoltaice, sunt formate din combinarea n serie i paralel a celulelor solare sau din combinarea, serie-paralel a celulelor fotovoltaice. Primul mod de combinare este n general folosit n cazul aplicaiilor spaiale, unde ariile sunt proiectate special pentru un satelit sau o staie spaial. n aplicaiile terestre, ariile sunt formate, prin conectarea de module fotovoltaice, fiecare fiind compus dintr-un anumit numr de celule conectate serie, i eventual diode bypass. n general ariile fotovoltaice sunt compuse dintr-o serie de iruri paralele de celule solare, asemeni celor din figura 3.12.

Figura 3.12- Modulul fotovoltaic de 18 celule solare cu diode bypass

Diodele bypass sunt puse pentru a permite curentului ariei s curg n direcia corect, chiar i atunci cnd unul dintre iruri este complet umbrit. Sunt 6 iruri legate n serie, fiecare fiind compus din 3 celule solare n paralel.

Acest fiier apeleaz subcircuitul cell_2.lib, care se gseste n anexa 11.

*6X3_ARRAY.CIR

*includes 12 solar cells in series and a bypass diode

* across solar cell number 6

.include cell_2.lib

xcell1 43 41 42 cell_2 params:area=8 j0=1e-11 j02=0

+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000

48


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000


+ jsc=0.0343 rs=0.1 rsh=1000

vbias 41 0 dc 0

virrad1 42 43 dc 1000

virrad2 44 43 dc 1000

virrad3 46 43 dc 1000

virrad4 48 45 dc 1000

virrad5 50 45 dc 1000

virrad6 52 45 dc 1000

virrad7 54 47 dc 1000

virrad8 56 47 dc 1000

virrad9 58 47 dc 1000

virrad10 60 49 dc 1000

virrad11 62 49 dc 1000

virrad12 64 49 dc 1000

virrad13 66 49 dc 1000

virrad14 68 49 dc 1000

virrad15 70 49 dc 1000

virrad16 72 49 dc 1000

virrad17 74 49 dc 1000

virrad18 76 49 dc 1000

*bypass diodes

d1 43 41 diode

d2 45 43 diode

d3 47 45 diode

d4 49 47 diode

d5 51 49 diode

d6 0 51 diode

.model diode d(is=1e-6 , n=1)

.dc vbias -1 4 0.01

.probe

.plot dc i(vbias)

.end

49

Figura 3.13-Comparaie ntre curbele I(V) cnd aria este neumbrit sau parial umbrit

Dup cum se poate vedea mai sus curba I(V) a ariei, cnd este complet iluminata, este degradat puternic de efectul umbrei. Lund n considerare cazul n care nu se foloseau diode bypass puterea total de ieire ar fi fost zero, din cauza umbririi complete a unui ir serie (celulele de la 1 la 3). Se poate observa c se obine un anumit beneficiu n folosirea diodelor bypass. Curba I(V) are forma din figura 3.13, deoarece unele diode bypass sunt polarizate direct n unele regiuni

ale tensiunii de operare ale ariei. Acelai netlist ne permite s reprezentm grafic i tensiunile pe diode aa cum se vede n Figura 3.14.

Figura 3.14 - Cderile de tensiune pe diodele 6x3

Dup cum se poate observa n grafic, diodele D4 i D5 rmn polarizate invers n intervalul tensiunii de operare 0 i 3.5V, pe cand diodele D1, D2, D3 i D6 devin polarizate direct n partea intervalului de operare corespunzator regiunilor umbrite i depinznd de dimensiunea umbrei. Diodele disip o cantitate important de putere i sunt polarizate direct. Acest calcul ajut pe deoparte n dimensionarea corect a diodelor bypass pentru o arie dat, i pe de alt parte monitorizeaz dispozitivele defecte, care pot fi identificate cu ajutorul curbei I(V).

50

3.9 Scalarea generatoarelor fotovoltaice i a centralelor Fotovoltaice

Gruparea celulelor solare n serie ne permite s construim module fotovoltaice terestre sau arii pentru diferite aplicaii, unde o dimensiune standard nu este potrivit. Asemntor este i n cazul celulelor solare de pe satelii sau module dimensionate special pentru a fi integrate n cldiri. Lsnd la o parte aceste cazuri speciale, unde modelele folosite sunt cele ale celulelor solare generice sau a modulelor fotovoltaice n serie,pe caz general un generator fotovoltaic este fcut dintr-un numr de module fotovoltaice terestre standard grupate n matrici NsG x NpG serie paralel. Sunt necesare reguli de scalare pentru a lega caracteristicile centralei sau ale generatorului

fotovoltaic de caracterisiticile unui modul fotovoltaic individual.

Paii descrii n seciunea 3.4 pot fi folosii aici pentru a extinde procedura de scalare la o central fotovoltaic. Daca vom considera c unitatea de dimensionare, care va fi folosit pentru o centrala este un modul fotovoltaic, cu parametrii curbei I(V):

Curent de scurt-circuit: IscM

Tensiunea in gol: Vgol

Puterea maxim: PmaxM

Curentul la putere maxim: ImM

Tensiunea la putere maxim: VmM

Coeficienii de temperatur pentru scurtcircuit i pentru tensiune n gol

i construim o matrice de NsG module n serie i NpG module n paralel, caracteristica I(V) a generatorului se scaleaz la:

(3.37)

Unde indici: G vine de la generator, i M de la modulul fotovoltaic Aplicnd aceste reguli la generator va rezulta:

(3.38)

Valorile parametrilor, n afar de rezistena serie a modulului, care poate fi calculata cu ecuaia (3.17) se pot afla din caracteristica unui singur modul fotovoltaic, care se presupune a fi cunoscut. Vom folosi factorul de idealitate n=1, deoarece efectul unui astfel de parametru, este nmulit tot timpul cu Ns i valoarea lui Ns poate fi corectat, dac este necesar. n acelai mod au fost calculate coordonatele punctului de putere maxim, pentru o singur celul solar, n capitolul 2, sau pentru un singur modul n capitolul curent, pot fi calculate i pentru un generator fotovoltaic, serie-paralel de dimensiune arbitrar:

(3.39)

(3.40)

51

Figura 3.15- Subcircuitul unui generator fotovoltaic compus din NsG x NpG module de celule

solare serie

53

4. Sisteme fotovoltaice conectate la reea

Acest tip de sisteme ncepe s joace un rol important n aplicaiile fotovoltaice. n acest capitol voi descrie cteva modele PSpice pentru invertoare i cteva module AC, care ajuta la simularea n PSpice a sistemelor de energie regenerabil conectate la reeaua electric. De asemenea sunt incluse exemple de dimensionare i echilibrare a energiei pentru acest tip de sisteme fotovoltaice.

4.1 Introducere

Sistemele fotovoltaice au o gam larg de aplicaii, ncepnd de la uniti foarte mici, de mic putere, pn la cele complexe de ordinul Megawailor. Cel mai important domeniu de aplicaie al sistemelor fotovoltaice este folosirea lor n afara spaiului terestru i n sistemele autonome din zone, cu puine sau fr surse de electricitate de la reeaua public. n ultimii ani, s-a nregistrat o cretere important a sistemelor PV conectate la reea, n special pentru rile industrializate. Dincolo de avantajele tradiionale ale electricitii fotovoltaice mai multe motive stau la baza acestui concept:

-Acest tip de sistem devine din ce n ce mai viabil din punct de vedere economic, avnd n

vedere scderea semnificativ a costurilor, i anume a componentelor fotovoltaice din ultimii ani, mai exact costul modulelelor fotovoltaice i al invertoarelor.

-Problemele tehnice asociate invertoarelor i interconectrii sistemelor PV la reea au fost abordate de ctre productori, astfel nct invertoarele din generaia actual au fiabilitate sporit i dimensiune redus. -Faptul c electricitatea este produs n mijlocul zilei adaug un plus acestui tip de sistem. Vrful cererii de electricitate poate fi parial acoperit de ctre sistemele fotovoltaice conectate la reea care pot s genereze putere chiar n acelai loc n care aceast putere este folosit, reducnd sarcina mare suportat de sistemele de transmisie, aducnd beneficii n distribuia curentului electric.

-Programele naionale i internaionale de promovare a implementrii sistemelor fotovotaice conectate la reea. Majoritatea rilor industrializate au lansat programe care ofer diferite stimulente pentru productorii mici de energie regenerabil.

Cu toate beneficiile menionate anterior, dar i cu reducerile semnifictive de cost obinute, aceste sisteme nca nu pot fi comparate cu celelalte resurse de energie, fcnd o pura analiz financiar i fara a avea acele fonduri rezonabile i promoii de la organele publice. Lipsa standardizarii necesitailor de interconectare din diferite ri pentru componentele sistemelor PV, n special pentru invertoare, sunt de asemenea bariere importante n ceea ce privete creterea sistemelor PV conectate la reea. n ciuda obstacolelor, aceast piaa devine important pentru aplicaiile fotovoltaice. Sistemele de generare a puterii fotovoltaice au posibilitatea de a deveni, la o scar mic, n comparaie cu celelalte surse de generare a puterii, importante surse de generare a puterii distribuit, interconectat cu reeaua e

sistem energie regenerabila

Documents

Transcript of sistem energie regenerabila