8/12/2019 Solarni Elektricni http://slidepdf.com/reader/full/solarni-elektricni 1/142 SOLARNI GENERATORI KAO SAMOSTALNI IZVORI ELEKTRI Č NE ENERGIJE Predmetni profesor: Dr Željko Despotovi ć VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RA Č UNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA ‐ VIŠER, BEOGRAD STUDIJSKI PROGRAM: NOVE ENERGETSKE TEHNOLOGIJE SPECIALISTI Č KESTUDIJE PREDMET: SPECIJALNE ELEKTRI Č NE INSTALACIJE
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Zaprečno električno polje nastaje kao rezultat difuzije elektrona u (p) materijali šupljina u (n) materijalKada ovo polje dostigne dovoljnu vrednost proces difuzije prestajeKao rezultat se dobija “potencijalna barijera” za nosioce na samom p-n spoju
Da bi se dobila korisna električnasnaga na potroša ču vezanom nasolarni generator (foto diodu)potrebno je da se pri interakcijifotona iz sunčevog spektra sapoluprovodničkom strukturomodigraju tri veoma bitna procesa:
hν
hν
1. Energija fotona mora biti veća ili jednaka od širineenergetskog procepa (tada apsorbovani fotonipobuđuju elektrone na viši energetski nivo.Elektroniprelaze u provodnu zonu
2. Apsorpcijom fotona stvoreni par elektron-šupljina
mora biti razdvojen električnim poljem tako da seelektroni kreću ka (-)priključku a šupljine ka (+) priključku
3. Ovako dobijena (+) i (-) naelektrisanja moraju da prođu p-n spoj bezrekombinacije
I -Apsorpcijom fotona stvoreni par elektron-šupljina je razdvojen, tako da se elektronikreću ka (-) priključku, a šupljine ka (+) priključku-Elektroni (-) i šupljine (+) prolaze kroz barijeru P-N spoja Ez bez rekombinacijeobrazujuć i strujuI
ANALITIČKI IZRAZ ZA STRUJNO-NAPONSKUKARAKTERISTIKU SOLARNEĆELIJE
Rs – sopstveni serijski otpor Rp – sopstveni paralelni otpor Serijski otpor: otpornosti n i pslojeva i otpora elektrodaParalelni otpor: mikro defekti ineč istoća unutar solarne ćelije
– vrednosti koje odgovaraju maksimumu snage –ona se odre đuje pod standardnim uslovima ispitavanja
Standardni uslovi:površinska gustina snage sun čevog zračenja 1000 W/m², referentni solarni spektar AM 1.5(ovo definiše spektralnu raspodelu zračenja koje obasjava ćeliju) i temperatura ćelije od25º)
• Karakteristike Sunca u odnosu na prostorni položaj prema Zemlji sutakve da je raspodela zra čenja van Zemljine atmosfere skorokonstantna.
• Ovo se izražava preko karakteristike nazvane solarna konstanta.
• To je vrednost Sunčeve energije koja padne u jedinici vremena na jedinicu površine normalne na fluks zračenja u kosmičkom prostoruna srednjem rastojanju Zemlja-Sunce.
• Merenjem je ustanovljena vrednost SK=1353 W/m².
• Sunčeva konstanta je brojno jednaka površini ∆P obuhvaćenoj krivomspektralne raspodele Sun čevog zračenja.
• Kada su spregnute solarne ćelije istih, odnosno identičnihI-U karakteristika nema problema
• Problem nastaje kada, na primer kod redne veze dve istesolarne ćelije, jedna od njih bude osvetljena solarnimradijacijama manjeg intenziteta, ili se nađe u senci
• Tada zbog nelinearne prirode I-U karakteristika solarnihćelija, u uslovima kratkog spoja na izlaznim krajevima, krozosen čenu solarnu ćeliju teče veća struja, od one koju možeda generiše
• Iz tog razloga ova ćelija postaje inverzno polarisana, više neradi kao generator, ve ć se ponaša kao potroša č
• Celokupna energija koju pri tome generiše osvetljenasolarna ćelija se troši na ovoj osenčenoj.
• Zbog disipacije energije na njoj, ovaćelija će se zagrevati,postaje “vruća tačka” , što može dovesti do njenogoštećenja.
Parelelno svakoj solarnoj ć eliji se dodaju paralelne (by-pass) obi č ne diode , koje su prinormalnom radu inverzno polarisane. Kada neka od solarnihćelija uđe u senku ili jojvremenom oslabe karakteristike, tada zbog pojave negativnog inverznog napona na njenimkrajevima, provede by-pass dioda i kroz nu teče struja redne veze (ozna čena crvenomputanjom). Ovim je izbegnuta disipacija snage u osenčenoj ćeliji, odnosno izvršena jeminimizacija gubitaka)
Redne diode (diode za blokiranje odnosno izolacione diode) između paralelno vezanih granaizoluju međusobni uticaj u slučaju oštećenja jedne od solarnih ćelija u nizu. Takođe u uslovima
kada slarn generator ne generiše napon (no ću) blokirajuće odnosno izolacione diode postajuInverzno polarisane i spečavaju tok struje od baterije ka solarnom generatoru.
Zener dioda ZD služi za zaštitu od prekomernog porasta napona koji generišeredno-paralelna grupa.Zener dioda ograničava izlazni napon na Vz.Šta će se desiti ako greškom promenimo polaritet napona na (+) i (-) krajevimasolarnog generatora ?
Redna dioda D služi kao zaštita od obrnutog polariteta akumulatorske baterijeu odnosu na priključne krajeve solarnog generatora. Takođe, u noćnim uslovimablokira tok energije od baterije ka solarnim generatorima.MANA:U normalnom režimu kada generator puni bateriju dioda pravi dodatnipad napona ( ≈ 1V)
• Približna teoretska efikasnost solarne ćelije je oko 25%• U realnom slučaju je ona i manja i iznosi oko 16%• Efikasnost zavisi od tipa (monokristalni, polikristalni, amorfni,…)
• Efikasnost solarnih ćelija je dosta niska• CILJ: Maksimizirati efokasnost solarnećelije pri konverziji sunčeve
energije u električnu• Koji su to glavni faktori koji ograničavaju efikasnost solarnih ćelija• OČ IGLEDNOST: Gubici (spoljašnji i unutrašnji) koji se javljaju pri
njenom radu• Na spoljašnje gubitke se može uticati (minimizirati i kontrolisati)
• Na unutrašnje gubitke se ne može uticati i oni su neizbežni:-IR gubici (u ifracrvenoj oblasti)-gubitak viška energije za visokoenergetske fotone-gubici zbog faktora napona
GENERATORA• Koncept stalnog praćenja radne ta čke maksimuma snage
(MPPT-Maximum Power Point Tracking);
• Energetskim pretvaračem se na izlazu iz solarnog panelastalno održava maksimalna snaga koju on može da daje(sa promenom sun čevog zračenja menja se vrednost ovesnage, ali i napon pri kome se maksimum snage dostiže)
• Dodatno se efikasnost može pove ćati (do 20%) ipraćenjem putanje sunca odnosno traga čem putanjesunca (zakretanjem panela)
KOLAPSA• “PERTURB and OBSERVE” metod• Osnovna postavka u realizaciji ovog algoritma je održavanje uslova
rada sistema u blizini tačke maksimalne snage (jednostavan metod)
• Ovaj način je namenjen onim sistemima gde snage mogu da semenjaju tako da se snage potroša ča prilagođavaju trenutnim
vrednostima snage koju solarni generator može da ostvari• Sistem radi u kontinualnom režimu a funkcija “traganja” se
uspostavlja od momenta nastupanja pojave naponskog “kolapsa”• Na primer ako dolazi do porasta napona solarnog generatora i akodolazi do porasta njegove izlazne snage MPPT regulator pove ćavanapon sve dok izlazna snaga ne po č inje da opada. Kada se ovo desi
napon regulatora se smanjuje da bi se radna ta čka vratila navrednost maksimalne izlazne snage.• Proces se nastavlja dok se ne dobije MAX snaga• Izlaz osciluje oko maksimalne vrednosti dok se na postigne
-Merene velič ine koje ulaze u mikrokontroler: struja solarnog generatora, naponsolarnog generatora i napon baterije-Prekidačko kolo (switch-mode) za punjenje baterije-Kada je prekidač Q-ON struja i1 iz solarnog generatora protiče kroz L1, puni C2 alii bateriju-Kada je prekidač Q-OFF nagomilana energija u L1 napaja bateriju preko diode D2(struja i2)
LED rasveta se napaja iz baterije posredstvom posebnog regulatora napona (struje)tzv. LED kontrolera.LED kontroler obezbeđuje stabilizaciju napona i struje LED svetiljke
Tokom svakog ciklusa je prisutna strujna rampa (Q1-ON). Kada se prekorač i vršna snaganapon na panelu pada (napon na razdelniku R30, R31) i koparira se sa 3.3V – 0.7V = 2.6V nabazi Q1. Kada napon opadne ispod 2.6V , Q1 se uključuje i pad napona na R16 uključuje Q2 iprazni C22 (limit set node). Ova dva limita se podešavaju sa R24 i R16 , pod pretpostavkom
da je otpor uključenosti (on resistance) << R16IIR24. Ako se ne zahteva gornji limit R16 sespaja na masu (GND).
Karakteristika panela i kontrolera pri omskom opterećenju
•Umesto fiksnih sve više koriste manje solarne jedince odna primer 4 - 6 panela bilo sa sopstvenim pogonom,prenosnim sistemima koji pomeraju nekoliko nezavisnih
jedinica ili se za pogon koristi nezavisno robotizovanovozilo.•Postoje takođe i podele koje uzimaju u obzir masupokretnih olarnih sistema, kinematiku pogonskih sistema(kinematsku strukturu), vrste pogona (elektromotorni: AC,DC, koračni; hidraulični; pneumatski) .
NAČ INI PRAĆENJA PUTANJE SUNCA :-AKTIVNI -PASIVNI - HRONOLOŠKI
• Kod aktivnog praćenja, položaj Sunca na nebutokom dana se prati kontinualno pomoćuodgovarajuć ih senzora.
• Takav senzor aktivira aktuator (motor) solarnogsistema u trenutku kada izmerena velič inaizađe izvan okvirnih (podešenih) vrednosti iuvodi solani sistem u novi maksimum, tj.podešava solarni panel u vertikalu na sun čevezrake.
• Ovaj nač in je pouzdan izuzev za vreme visokeoblačnosti ili na neki drugi nač in izazvanesenke.
PASIVNO PRAĆENJE SUNCA• Pasivno praćenje se zasniva na postojanju odre đene potencijalne
• Pasivno praćenje se zasniva na postojanju odre đene potencijalnerazlike koja se meri u krajnjim tačkama panela.
• Zbog postojanja nagiba u odnosu na zrake jedna ta čka može bitiviše zagrejana u odnosu na drugu, tako da se korigovanjempoložaja solarnog panela ta razlika poništava.
• Hronološko praćenje zasniva sena prirodnom opažanju položajaSunca za dato podru č je i dativremenski period tokom godine.
• To praktično znač i da se zaodređene geografske koordinate iodređeni vremenski period možeprogramski odrediti položaj Suncatokom obdanice i da se u skladusa programom može upravljatipoložajem solarnog panela tokom
dana, tokom perioda korišćenjaSolarnog generatora.
• Ovakav nač in pozicioniranja nezavisi od oblačnosti jer se znapoložaj Sunca u svakom trenutku.
• Jedino o čemu treba da se vodiračuna je orjentacija lokalnogkoordinatnog sistema Solarnogpanela u odnosu na globalnisistem (Zemlje) kao i eventualnokorišćenje u brdovitim predelima.
Kretanje Sunca, od izlaska do zalaska, za Beograd za dan 22. maj 2013.Za svaku geografsku lokaciju i za svaki vremenski period se može programiratipoložaj solarnog panela, tj. optimizovati njegov položaj.
Analizom dijagrama uočava se da se tokom obdanice od 05:00 do 20:15 Sunce kre ćepo azimutu između 55° i 297°dok se po elevaciji taj ugao kreće između -2°do max 65°
• Pod pretpostavkom da se pogoni uključuju na svakih 15minuta (zašto na 15 min? ) to bi na početku i na kraju dana
imali pomeranja oko 2° - 3°, a sredinom dana 5° - 8° poazimutu, dok bi po elevaciji skokovi bili umereniji od 1° - 2°.• Da bi se ovo ostvarilo obično se koriste dva nezavisna
stepena slobode kretanja – dva aktuatora.• Solarni sistemi sa jednim fiksnim i jednim pokretnim
sistemom obezbe đuju povećanje iskorišćenja između 27 i32% dok sistemi sa oba pokretna sistema pove ćavajuproizvodnju energije između 35 i 40%.
• ŠTA KAŽE EKSPERIMENT??????
TIPIČAN PRIKAZ DOBITKA POTPUNOG PRAĆENJA(za grad Scramento, USA)
SOLARNIM GENERATOROMOvaj sistem je namenjen obezbe đenjupijaće vode ili vode za navodnjavanje(“kap po kap”) u zabačenim i ruralnimOblastima.Solarni generator je direktno vezan zaDC potapajuću pumpu, koju pogoni uperiodima sunčanih sati.
TIPIČNE VREDNOSTI KOMPONENTI:-solarni generator 360Wp-pumpa 200W DC-dubina bunara h≈5m-dotok vode 50-120 l/min
Dotok vode oko 100l/min, u podne vedrog letnjeg dana ili 39m³/dan pri insolaciji 6kWh/m²/dan
•Ovi sistemi su primenljivi za navodnjavanje malih poljoprivrednih površina lociranihblizu reka.•DC uranjajuća pumpa se pogoni preko direktne sprege sa solarnim generatorom.•Sistem se lako montira
TIPIČNE VREDNOSTI KOMPONENTI:-solarni generator 1.5-2kWp-pumpe 500-750W DC-visina pumpanja h≈15m-dotok vode 90 l/min (ili 45m³/dan pri 6kWh/m² dnevne insolacije)
SISTEM NAVODNJAVANJA“KAP PO KAP” SA DIREKTNOMSPREGOM MOTORA PUMPEI SOLARNIH PANELA(jednostavno rešenje)Pumpa sa DC motorom je skuplja od onekoju pogoni AC motor
Sistem obezbe đuje pijaću vodu u već im količ inama preko AC pumpe uronjene ubunar dubine do 30m. U sastavu sistema je DC/AC pretvarač (invertor) koji pretvara
jednosmernu struju dobijenu iz PV panela u naizmeničnu. Sistem je namenjen
zabačenim mestima koja su udaljena od distributivne energetske mreže. Sistem jebez akumulatorskih baterija
TIPIČNE VREDNOSTI KOMPONENTI:-solarni generator 3.5kWp-pumpa 2.2kW AC-dubina bunara h≈30-50m-dotok vode 120 l/min(ili 80m³/dan pri 6kWh/m² dnevne insolacije)
elemenat sistema)-Tokom dana se vrši kontrolisano punjenje baterije-Tokom noć i se koristi nagomilana energija u bateriji za napajanje LED rasvete-Potreban dodatni pretvarač za stabilizaciju napona i struj LED svetiljke-Težnja je ostvariti maksimalne performanse LED osvetljenja (zato je potrebnastabilizacija)
PV panelkontroler punjenjenja
baterija
stabilizacijastruje inaponaDC/DC
TIPIČAN IZGLED I DISPOZICIJARASVETNOG STUBA SA LEDSVETILJKOM I PRIPADAJUĆOMOPREMOM
-Sistem je primenljiv zaelektrifikaciju malih zabačenih selasa približno 10-20 kuća-Najčeš će je distributivna električnamreža jednosmerna-Obavezna je konfiguracijaPV paneli-regulator-akumulatorskabaterija
TIPIČNE VREDNOSTI KOMPONENTI SISTEMA:
1.Potroša č i-fluorescentne lampe 10kom x 20W (5h rada dnevno)
-spoljašnje osvetljenje 3 kom x 20W ( 8h rada dnevno)-TV prijemnik 1 kom x 200W
FOTONAPONSKA ENERGETSKA INSTALACIJA AMBULANTEOvaj sistem je pogodan za ambulante u udaljenim mestima. Namenjen je napajanjuelektričnom energijom sledeć ih potrošača: svetilje, frižider, komunikacioni sistem,pumpa za vodu, električni grejač , aparat za sterilizaciju, TV aparat....
4. POTROŠAČ I-Fluorescentne lampe 2x40W (5h rada dnevno)-Frižider, 1kom.(24h rada dnevno)-Bežični telefon, 1kom.(1h rada dnevno)-Električni grejač , 1kom. (2h rada dnevno)-Pumpa, 2kom. (2h rada dnevno)
-Aparat za sterilizaciju,1 kom. (8h rada dnevno)-TV 1kom. (3h rada dnevno)
TIPIČNE VREDNOSTI KOMPONENTI SISTEMA ZASOLARNO AUTONOMNO NAPAJANJE VEĆEG SELA
• Invertor 32kVA, 220V, 50Hz• Velič ina sela (100-200 domać instava, institucije:opština,škola, ambulanta..)
• Tipični potrošač i-fluo rasveta 200x40W (5h rada dnevno)-TV i video, 10kom., 3h rada dnevno)-Frižider, 3kom., (24h rada dnevno)-Sušionica, 6 kom. (5h rada dnevno)
-Pumpa za vodu bez baterije 1kom.-Bežični telefon, grejač , sistem ozvučenja 500W (2h radadnevno)
-Najveća solarna elektrana u Srbiji se nalazi u kuršumlijskom seluMerdare.-U sklopu postrojenja se nalazi 8.500 panoa na površini od četirihektara-Elektrana proizvodi od 500 do 900 kWh električne energije, a njenMAX kapacite je 2MW.
• Osnovni podatak za proračun su prose čnednevne vrednostima insolacija pomesecima
• Drugi važan podatak je srednja dnevnavrednost insolacije u godini (ova vrednostse dobije ako se ukupna vrednost godišnjeinsolacije koja padne na površinu panela utoku godine, podeli sa brojem dana ugodini)
HH T
SREDNJA DNEVNA VREDNOST INSOLACIJE U GODINIUKUPNA VREDNOSTGODIŠNJE INSOLACIJE
p VREDNOST PROSEČNE EFIKASNOSTIODNOSNO STEPENA KORISNOG DEJSTVASOLARNOG GENERATORA (PANELA)ZA ODRE ĐENI MESEC SA NAJNIŽOMDNEVNOM INSOLACIJOM(UKLJUČUJUĆ I I STEPEN ISKORIŠĆENJADC/DC KONVERTORA)
VREDNOST ENERGIJE KOJA SE ZA VREME LETNJEGPERIODA AKUMULIRA U BATERIJAMA , A ZA VREMEZIMSKOG PERIODA ZA NAPAJANJE POTROŠAČ A
STBC TZV. KRATKO VREMENSKI KAPACITET BATERIJEVREDNOST ENERGIJE JEDNAKA PROIZVODU IZBROJA OBLAČNIH DANA U NIZU U TOKU GODINEKOJI JE VEROVATAN DAĆE SE DOGODITI I POTREBNEDNEVNE ENERGIJE
d DUBINA PRAŽNJENJA BATERIJE
KOEFICIJENT 0.95 – (BATERIJA SE NE PUNI 100% VEĆ 5% ISPODGASNE TAČKE)
ćeliija koje su vezane na datu bateriju, ako je struja punjenja baterije 6A
• Pretpostaviti da se posle nekog vremena baterija napunila takoda joj je napon praznog hoda (otvorene veze) 12.9V. Koliki jenapon niza solarnih ćelija ako je struja pražnjenja baterije20A.
• Kolika je struja pražnjenja napunjene baterije ako su solarneć elije integrisane u PV modul sa zaštitnim diodama.
• REŠENJE Idealna baterija imanapon Vbat0nezavisan od struje .Zavisnost I=I(V) jevertikalna ispekidanalinija).Usled unutrašnje