Sistemele solare fotovoltaice (PV – Photovoltaic) comerciale sunt în continuă expansiune, chiar în zonele geografice ce nu au multă lumină solară la nivel maxim în cursul unui an, datorită scăderii prețului modulelor solare bazate pe siliciu (Si) și apariției unor tipuri de celule solare cu siliciu, bazate pe noi tehnologii, cu randament mărit chiar peste 20%. Realizarea celulelor termo-fotovoltaice la MIT – Massachusetts Institute of Technology (web.mit.edu/) anunțată în Ianuarie 2014 (www.solarchoice.net.au/), cu randament ce ar putea ajunge la 80% prin conversia întregului spectru solar în electricitate, va rezolva marea problemă a celulelor fotovoltaice cu siliciu care nu convertesc și energia solară din spectrul IR în curent, dar, care încălzesc celula fotovoltaică scăzându-i eficiența. Modulele solare comerciale cu Si policristalin au uzual eficiența 12%, iar modulele Si monocristalin au uzual eficiența 15%, dar la un preț mai ridicat. La creșterea temperaturii, performanțele celulelor solare se degradează mai evident la cele policristaline. Recordul de eficiență atins de celule fotovoltaice cu siliciu este de 40%, folosind straturi multiple de siliciu, cu fiecare strat acordat la o frecvență (culoare) a luminii, dar prețul foarte ridicat le face utilizabile doar în aplicații spațiale.
Panourile solare fotovoltaice comerciale folosesc 3 tipuri de celule cu siliciu
.
Celula solară cu siliciu I = IL – Id – IRP
Modelul ideal al celulei solare cu siliciu: o sursă de curent în paralel cu o diodă. În realitate RP modelează curentul de zgomot (ce depinde de temperatură) între fețele celulei, iar RS simulează materialele și pierderile de contact. RS și raportul RS/RP sunt neglijabile. Fotocurentul IL este proporțional cu iluminarea și independent de tensiunea la ieșirea celulei. Parametri principali sunt: tensiunea în gol VOC (aprox 0,5V) și curentul de scurtcircuit ISC direct proporțional cu suprafața celulei.
Celulele Si monocristalin sunt felii tăiate dintr-un singur cristal de siliciu. Aceste celule sunt cele mai eficiente și cele mai scumpe. Ele sunt rigide și sunt montate într-un cadru rigid pentru a le proteja. Eficienţa tipică este 15%.
Celulele Si policristalin (sau multicristalin) sunt felii tăiate dintr-un bloc de siliciu, care au un număr mare de cristale. Aceste celule sunt mai puțin eficiente și mai puțin costisitoare decât celulele monocristaline și trebuie montate într-un cadru rigid. Eficienţa tipică este 12%.
Celulele Si amorf sunt fabricate prin plasarea unui strat subțire de siliciu amorf (non cristalin), pe o gamă largă de suprafețe. Aceste celule sunt cel mai puțin eficiente și mai puțin costisitoare. Stratul subțire amorf este flexibil, iar dacă sunt fabricate pe o suprafață flexibilă, întregul panou solar poate fi flexibil. O caracteristică a celulelor solare amorfe este că producția lor de energie se reduce în timp, în special în primele luni, după care acestea sunt practic stabile. Eficienţa tipică este 6%.
Celulele Si amorf produc curent și la iluminare scăzută. Sanyo Semiconductor www.semic.sanyo.co.jp produce dispozitivele Amorton – celule Si amorf care, la lumina artificială (becuri cu incandescență sau fluorescente) cu intensitate 20 -1000 lux, produc max. 7 microW/cm2, folosite în echipamente mici de interior. Alt tip de celule Si amorf, pentru lumina naturală cu intensitate 10.000 -100.000 lux, produc max. 7,89mW/cm2 și se folosesc pentru încărcătoare. Astfel de celule se pot monta pe fațadele clădirilor.
Mai recent, îmbunătățiri în tehnologia de fabricație au făcut celulele Si amorf mai atractive pentru producerea de energie la scară mare. Eficiență mai mare poate fi atinsă prin stivuirea mai multor celule cu film subțire una peste alta, fiecare reglată pentru a funcționa bine la o anumită frecvență de lumină. Această abordare nu este aplicabilă celulelor Si cristalin, care sunt groase ca rezultat al tehnicii de fabricație și sunt în mare parte opace, blocând lumina către alte straturi într-o stivă.
Prin combinarea celulelor fotovoltace amorfe (care au coeficient de temperatură mai mic decât cele cristaline) cu un colector solar termal s-a obținut un colector solar hibrid (PVT- Photovoltaic Thermal) care produce electricitate și folosește căldura la încălzirea apei, în loc de a o pierde. Prin această simbioză, eficiența poate ajunge la 10%.
Notă. Eficiența conversiei energiei prin celula solară este procentul din energia solară care este transformată în energie electrică. Aceasta se calculează prin raportul între puterea maximă (Pm – Maxim Power Point, în W) la ieșire și lumina de intrare (E, în W/m2) și suprafața celulei solare (Ac, în m2): Eficiența= Pm / (E × Ac).
Prin convenție, eficiența unei celule solare se măsoară în condiții standard de testare (STC), adică la o temperatură de 25°C și o iradiantă de 1000W/m2 cu un coeficient air mass AM1.5, ce definește radiația solară care a traversat atmosfera. Aceste condiții corespund la o zi senină cu lumina soarelui incidentă pe o suprafață de înclinată la 37°, orientată spre soare, și cu soarele aflat la un unghi de 41.81° deasupra orizontului. Aceasta reprezintă lumina solară la prânz aproape de echinocțiile de primăvară și de toamnă în zona continentală a Statelor Unite, cu suprafața celulei vizată în mod direct de soare. În aceste condiții de testare, o celulă solară cu eficiență de 20%, și suprafață de 100 cm2 (0,01 m2) ar produce o putere de 2W.
Sisteme solare fotovoltaice, tipuri, structuri
Sistemele fotovoltaice folosite pe scară largă în prezent sunt de tip autonom sau conectate la rețeaua AC publică.
1. Sisteme solare fotovoltaice fără conectare la reţeaua AC publică
1.1 Sistem de rezervă sau în zone izolate, fără invertor DC/AC, format din: Panou solar fotovoltaic, Controler de încărcare baterie, Bateria de acumulatori, Caseta de joncţiune, Consumatori electrici – doar becuri cu led-uri la 12Vcc și putere mică (5W, 7W, 11W).
1.2 Sistem de rezervă sau în zone izolate, cu invertor DC/AC, format din: structura de la pct 1.1 plus: Invertor DC/AC sinusoidal, Consumatori electrici – becuri cu led-uri la 12Vcc și aparate alimentate la 220Vca prin invertor.
1.3 Sistem de iluminat noaptea, fără invertor DC/AC, format din: structura de la pct 1.1 plus: Senzor de mişcare sau Senzor de lumină diurnă sau Comandă de la distanţă.
2. Sisteme solare hibride, cu conectare la reţeaua AC
Sistemul solar hibrid are o structură determinată de aplicație (domestic sau industrial), combinând surse de energie: fotovoltaică, eoliană, motogenerator şi livrează energie electrică fără întreruperi, tot timpul anului. Sistemul hibrid poate folosi rețeaua AC în 2 moduri: (1) ia putere din rețeaua AC dacă sursele de energie proprii nu fac față consumului sau (2) cedează putere în rețeaua AC când are un exces de la sursele proprii (ex. în zile însorite sau cu motogeneratorul pornit, se produce mai multă enegie decât e necesară). Un contor special (bi-direcțional meter) înregistrează diferența de putere pentru a factura corect consumul.
2.1 Sistem conectat la reţea cu cedare de putere în rețeaua AC, format din: Panouri solare fotovoltaice, Controler de încărcare, Bateria de acumulatori, Invertor DC/AC sinusoidal, Data logger, Senzor de curent luat / cedat în rețeaua AC, Contor electric bidirecțional, Comandă de la distanţă, Generator Diesel, Reţea electrică publică monofazată sau trifazată. Exceptând un mic consum propriu pentru utilități, acest sistem este producător de putere cedată rețelei AC publice.
2.2 Sistem de siguranţă de tip UPS cu alimentare din rețeaua AC: Panouri solare fotovoltaice, Controler de încărcare, Bateria de acumulatori, Invertor DC/AC sinusoidal, Generator Diesel, Releu de comutare între reţeaua AC şi sursele de rezervă, Consumatori electrici – cu alimentare 220Vca.
Acest sistem are 2 Moduri de lucru. (1) Mod UPS cu by-pass AC: se preia putere din rețeaua AC cât timp este prezentă și se cedează consumatorului, simultan cu încărcarea bateriei din rețeaua AC sau încărcarea numai din generatorul solar, dacă curentul solar este peste un prag (ex. 3A). Bateria se menține astfel permanent și complet încărcată. Se preia putere din sursele de rezervă doar când rețeaua AC se întrerupe. (2) Mod Energy Saving: Se preia putere din rețeaua AC și simultan se încarcă bateria din rețeaua AC sau solar. Când bateria s-a încărcat complet se comută alimentarea consumatorilor numai pe baterie și invertorul DC/AC. În acest timp bateria se încarcă doar solar, pentru a salva costul consumului din rețeaua AC. Dacă bateria se descarcă 90% și încărcarea solară a bateriei nu este suficientă, se face by-pass la rețeaua AC pentru alimentarea consumatorilor și încărcarea bateriei. Dacă curentul solar crește peste prag, încărcarea devine doar solară. În acest mod se folosește rețeaua, doar când energia solară nu acoperă cerințele. Astfel funcționează invertoarele solare Meanwell TN-1500 (1500W) și TN-3000 (3000W). www.meanwell.com
Controlerul de încărcare
Controlerul de încărcare este un regulator de tensiune și/sau de curent care menține bateriile fără supraîncărcare. Acesta controlează tensiunea și curentul provenind din panourile solare care dau energia de încărcare a bateriei. Cele mai multe panouri, zise de 12V, dau 16 … 20V, astfel că, dacă nu există un control, bateriile pot fi deteriorate prin supraîncărcare. Cele mai multe baterii au nevoie de aproximativ 14 – 14.5V pentru a obține încărcarea completă. Aproape toate panourile fotovoltaice de peste 140W nu sunt panouri standard de 12V. Tensiunile acestor panouri variază în jur de 21 … 60V și nu pot fi utilizate cu controlere de încărcare standard.
Notă. Furnizorii care evaluează puterea panourilor solare doar ca produsul VOC × ISC, între tensiunea în gol VOC și curentul de scurtcicuit ISC, fără a da curbele de sarcină în funcție de iluminare, pot denatura serios performanța lor reală.
Tipuri de controler de încărcare
Controlerul de încărcare se oferă în diverse forme, dimensiuni, caracteristici și preț. Acestea pot varia de la controlul a 4A, până la 60 … 80A în controlere programabile MPPT cu interfață la calculator.
Dacă se cer curenți de peste 60A, două sau mai multe controlere de 40-80 amperi sunt conectate în paralel. Singura modalitate de a obține puterea maximă dată de o rețea de panouri solare de înaltă tensiune este de a utiliza un controler MPPT.
Dacă un panou are o nepotrivire de performanțe în şir (datorită umbririi, prafului, zăpezii, temperaturii, vârstei sau fabricației) va face să subperformeze celelalte panouri, afectând întregul sistem. Această situație face necesară o tehnologie de optimizare de
putere, care asigură livrarea de putere maximă la ieșire (produsul Tensiune × Curent să fie maxim) sau MPPT (Maximum Power Point Tracking), fiindcă în orice moment, există un punct pe curba caracteristică a panoului, în care se va obține puterea maxim posibilă. Deoarece cele mai multe controlere MPPT pot avea pe intrare până la 150V (chiar până la 600V) dată de panoul solar, se pot pune în serie două sau mai multe panouri de înaltă tensiune pentru a reduce pierderile pe cablurile de legătură, fiindcă la tensiuni mari, curenții sunt mai mici.
Profilul încărcării bateriei Pb-Acid: Când se atinge tensiunea de prag (14,2 … 14,4V) ce indică încărcarea totală, se oprește încărcarea. Bateria se menține încărcată monitorizând tensiunea flotantă a bateriei, apoi se injectează un curent mic de menținere.
Profilul încărcării bateriei Li-ion: Când bateria ajunge la tensiune maximă și curentul de încărcare (0,5C … 1C) a scăzut sub nivelul de 3%, încărcarea se oprește și bateria este considerată complet încărcată (nu trebuie să fie aplicat un curent de menținere la bateria Li-ion).
Controler optimizator de încărcare SolarMagic® SM3320-BATT-EV Charge Controller
Optimizatorul de putere Solar Magic SM3320 utilizează circuite integrate pentru domeniul solar fotovoltaic de la National Semiconductor – divizie în Texas Instruments, și componente pasive cu fiabilitatea extinsă, pentru a garanta viața dispozitivului aproape cât panoul solar fotovoltaic (25 de ani). Vin = 15V … 45V, Curent max. de intrare: Isc = 11A, Curent de încărcare: max. 9A, Eficiența: până la 98%. Sistemul va lucra în modul MPPT dacă puterea disponibilă este mai mică decât puterea necesară pentru a obţine reglarea de tensiune sau curent.
www.solarmagic.com
Invertorul DC/AC
Invertorul DC/AC trebuie să asigure la ieşire o putere nominală mai mare decât suma puterilor sarcinilor, pentru a da puterea cerută în toată gama de temperaturi ambiante. Graficul dependenței sarcinii de temperatura ambiantă pentru invertorul solar Meanwell TN-3000 arată că poate asigura doar 50% din puterea max la 60°C. Puterea maximă a invertorului trebuie să acopere, timp de câteva secunde, cererea de curent mare absorbit la pornire de sarcini inductive (motoare, transformatoare, relee) sau capacități mari sau rezistențe de încălzire, ce poate fi de 2 … 5 sau chiar 10× curentul nominal.
Consumul propriu redus, eficienţa mare, funcţii multiple și controlul de la distanță recomandă invertoarele Meanwell (www.meanwell.com) și Steca (www.steca.com) în aplicaţii extrem de variate.
Alegerea nivelului de tensiune în sistem şi a cablurilor de legătură
Cu cât mai mare este necesarul de putere, cu atât trebuie să fie mai mare tensiunea de sistem.
Dacă nu sunt sarcini conectate la 12V în sistem, se alege o tensiune de 24V sau 48V pentru a reduce curenţii şi implicit, pierderile pe partea DC. Invertoarele sunt mai eficiente la tensiune mare de intrare.
Curenţii de intrare în invertor au intensităţi mari (ex. la puterea de ieșire de 1500W obținută din bateria de 24V, rezultă curentul de 65A) şi întotdeauna trebuie să se conecteze bateria direct la invertor prin cabluri cât mai scurte şi groase, cu secţiunea corelată la curentul maxim, pentru a limita pierderile.
Efectul temperaturii
Eficiența unei celule solare scade la creșterea temperaturii: cu 0,15- 0,25% /1°C la Si amorf, 0,35/1°C la Si monocristalin, cu 0,5% /1°C la Si policristalin. Temperatura panoului policristalin vara, în zone de câmpie, ajunge ușor la 50°C ducând la reducerea cu 12,5% a producției de putere față de 25°C. Această reducere a eficienței este importantă, concluzia fiind: iluminarea mare din timpul verii nu produce curentul maxim decât în zone reci.
Montarea panourilor, precauții
Panourile solare sunt obiecte plane de mari dimensiuni care necesită un spațiu de aerisire pentru răcire, dar care le face vulnerabile la vânt puternic și fiind scumpe, trebuie să fie bine fixate. Pot exista reglementări urbanistice ce determină modul în care acestea trebuie montate, în special pe un acoperiș de casă. La montare trebuie avută în vedere posibilitatea de accidentare prin șocuri electrice sau cădere de la înălțime, fiindcă panourile cu puteri peste 100W, la lumină generează tensiuni ce pot depăși 24V. Descărcările electrice naturale sunt una din cauzele distrugerii catastrofice ale componentelor sau sistemelor solare, cauza fiind proasta împământare și proasta protecție la fulgere. Vezi www.electronica-azi.ro nr.172 – Aprilie 2013 și nr.175 – Iunie 2013, articole despre împământarea corectă și protecția la supratensiuni cu componente EPCOS (www.epcos.com)
Diode de by-pass și diode de blocare
Diode de by-pass se adaugă la orice modul PV cristalin. Funcția diodei de by-pass este de a proteja celulele fotovoltaice dacă lumina, pe suprafața unui modul, nu este uniformă.
Celulele umbrite sau defecte, sunt ocolite de curentul generat de celule iluminate. Se evită supraîncălzirea și se asigură modulelor fotovoltaice funcționarea cu fiabilitate ridicată. Diodele de by-pass sunt de obicei plasate pe sub-șiruri de celule ale modulului PV. Uzual, se pune o diodă pentru 20 celule fotovoltaice (sau la max. 24 celule dacă se includ diodele în panou). Celulele fotovoltaice sunt de fapt fotodiode și la umbră nu pot produce aceeași cantitate de energie precum cele iluminate. Deoarece celulele din modulul PV sunt conectate în serie, diferențe de putere cauzează diferențe de tensiune. Dacă se inițiază conducția unui curent mare printr-o celulă umbrită, tensiunea sa devine de fapt negativă. Celula consumă energie, în loc să producă energie. Celula devine o diodă polarizată invers și disipă putere care determină să se încălzească. Dacă aria, structura și condițiile de mediu nu-i permit disipația căldurii, se atinge o putere critică (hot-spot) și, se arde, devenind o întrerupere în șir. Punctul exact la care celula PV devine un consumator în loc de a fi producător de energie diferă după tipurile de celule și diode, dar, de obicei, o diferență de 20% între lumina incidentă pe suprafețele de celule diferite într-un subșir este suficientă pentru a activa dioda de by-pass din șir. Dar, îndeplinind eficient această funcție, diodele de by-pass nu sunt eficiente în reducerea pierderilor de putere din cauza umbririi în instalații fotovoltaice. Problema se rezolvă folosind MPPT.
O diodă de by-pass ar trebui să aibă o cădere mică de tensiune în conducție directă, pentru a preveni acumularea de căldură și pierderi de energie la curenți mari. Diode de blocare: MBR2045CT, MBR2545CT, MBRB4030 Schottky Rectifier (www.onsemi.com) sau FT2000AA … FT2000KG Superfast Rectifier (www.diotec.com) sau MUR1520 Rectifier Ultra-Fast Recovery LowVf (www.onsemi.com)
LX2400 de la Microsemi oferă o cale de by-pass pentru un șir de până la 24 celule solare. În caz de umbrire de celule, atunci când tensiunea pe șir devine inversată, curent este redirecționat prin LX2400.
Spre deosebire de o diodă, LX2400 este un dispozitiv activ, care are o cădere extrem de joasă de tensiune. Căderea de tensiune pe dioda în conducție este tipic < 50mV la 10A și 90°C. Când este polarizată invers, LX2400 va bloca cel puțin 22V, cu un curent de scurgere < 100μA, pentru a se adapta la tensiunea maximă de la celulă fără defecțiune.
Supraviețuirea la fulgere oferă o cale bidirecțională cu impedanță scăzută, care scade puterea disipată în LX2400 în timpul unei lovituri de trăsnet (curent catod-anod 150A, anod-catod 250A). Capsula este subțire, tip LGA 11,5 × 7,5mm.
Căldura este disipată prin conexiuni și prin capsulă, ducând la o creștere minimă a temperaturii LX2400. (www.microsemi.com)
SPV1001N de la STMicrolelectronics este un system-in-package pentru aplicații fotovoltaice, asigurând un by-pass, similar cu diodele Schottky convenționale, pentru un curent direct maxim de 16A, cădere de tensiune directă < 128mV la 16A și curent invers < 10µA. SPV1001N are 2 variante: SPV1001N30 IF = 12.5A, VR = 30V și SPV1001N40 IF = 12.5A, VR = 40V, în 4 tipuri de capsule: TO220, D2 PACK, PQFN5×6 și capsula MLPD care se poate lamina direct în panoul solar. Rezistă la descărcări ESD, HBM > 8kV și descărcări non-repetitive de vârfuri de curent 250A.
Durata de viață și fiabilitatea foarte mari. (www.st.com)
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro
ECAS
ELECTRO asigură aprovizionarea și asistența tehnică pentru orice tip de dispozitive și componente solare: generatoare, controlere de încărcare, baterii reîncărcabile, invertoare, cabluri și conectoare, semiconductoare (diode și circuite integrate specifice domeniului solar), LED-uri și dispozitive de iluminat cu LED-uri.