UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA

Sistem fotovoltaic de alimentare a unei

pompe de apa

Studenti:

CHIRCU Cristian-Vivian

RADU Razvan-Ionut

TABIRCA Laurentiu-Adrian

Grupa: SEA1

1

Cuprins1. Introducere………………………………………………………………………………………………………………………………………….3

1.1. Elemente introductive…………………………………………………………………………………………………………………..3

1.2. Generalitati privind energia solara...................................................................................................4

2. Elementele componente ale sistemului fotovoltaic de alimentare.........................................................6

a pompei......................................................................................................................................................6

2.1. Generatorul fotovoltaic....................................................................................................................6

2.2. Alegerea pompei de apa...................................................................................................................7

2.3. Bateria..............................................................................................................................................8

3. Dimensionarea instalatiei fotovoltaice..................................................................................................10

4. Modelul matematic al sistemului fotovoltaic........................................................................................15

4.1. Simularea modulelor multicristaline...............................................................................................15

4.2. Simularea incarcarii acumulatoarului.............................................................................................17

4.3. Simularea pompei de apa...............................................................................................................18

5. Concluzii................................................................................................................................................19

6. Bibliografie.............................................................................................................................................20

2

1. Introducere

1.1. Elemente introductive

In cadrul proiectului intitulat “Sistem fotovoltaic pentru alimentarea unei pompe de apa”, vom

selecta tipurile de echipamente utilizate, vom prezenta si vom descrie componentele sistemului

electric si principiul de functionare al sistemului.

Sistemul fotovoltaic pe care il realizam in scopul alimentarii pompei de apa este alcatuit din

urmatoarele dispozitive electrice:

- generator fotovoltaic;

- pompa de apa submersibila;

- invertor;

- plutitor electric;

- cabluri si furtunuri;

In Figura 1 este reprezentat sistemul de absortie al energiei solare, respectiv utilizarea

acesteia in cadrul procesului de transfer al apei intr-un bazin.

3

Figura 1 – Sistemul fotovoltaic de alimentare a unei pompe de apa

Din Figura 1, putem observa cum energia produsa de soare este captata de panoul fotovoltaic

(Solar Modules DC Power), care transforma direct energia luminoasa in energie electrica.

Energia electrica este de tip continua, astfel incat este necesara utilizarea unui intervotor

(Pump Control Box), care sa transforme energia continua in energie alternativa. Invertorul

scoate la iesire o tensiune alternativa, cu ajutorul careia alimenteaza motorul care antreneaza

pompa submersibila. Odata antrenata pompa de apa, aceasta transfera apa intr-un bazin.

Nivelul de apa este controlat cu ajutorul unui plutitor electric (Float Switch). In cazul in care

nivelul de apa din bazin atinge un nivel maxim, stabilit in functie de pozitionarea plutitorului

pe peretii bazinului, transferul de lichid se va intrerupe automat, in momentul in care

plutitorul va detecta nivelul maxim.

1.2. Generalitati privind energia solara

Energia solară este energia radiantă produsă în soare ca rezultat al reacţiilor de fuziune nucleară.

Ea este transmisă pe Pământ prin spaţiu în cuante de energie numite fotoni, care interacţionează

cu atmosfera şi suprafaţa Pământului. Intensitatea radiaţiei solare la marginea exterioară a

atmosferei, când Pământul se află la distanţa medie de Soare, este numită constantă solară, a

cărei valoare este de 1,37 • 106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea,

intensitatea nu este constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani. Intensitatea

energiei solare la suprafaţa Pământului este mai mică decât constanta solară, datorită absorbţiei şi

difracţiei energiei solare, când fotonii interacţionează cu atmosfera.

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într-un mod complicat, dar

previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie

solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Absorbţia naturală a energiei solare are loc în atmosferă, în oceane şi în plante. Interacţiunea

dintre energia solară, oceane şi atmosferă, de exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit

pentru morile de vânt.

Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea atmosferei este consumată în

circuitul hidrologic, care produce ploi şi energia potenţială a apei din izvoarele de munte şi râuri.

4

Puterea produsă de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită energie

hidroelectrică. Prin procesul de fotosinteză, energia solară contribuie la creşterea biomasei, care

poate fi folosită drept combustibil incluzând lemnul şi combustibilele fosile ce s-au format din

plantele de mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din

biomasă.

Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care

sunt proiectate să capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată

captată, este folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice,

energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau

distribuit. În procesele fotovoltaice, energia solară este transformată direct în energie electrică,

fără a folosi dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile

sau lentilele care captează razele solare într-un receptor, unde căldura solară este transferată într-

un fluid care pune în funcţiune un sistem de conversie a energiei electrice convenţionale.[1]

Figura 2 – Absortia energiei solare pe Pamant

5

2. Elementele componente ale sistemului fotovoltaic de alimentare

a pompei

2.1. Generatorul fotovoltaic

Celula fotovoltaica este baza unui sistem fotovoltaic. Celulele individuale pot varia în mărime de

la aproximativ 1 centimetru (1 / 2 inch) la aproximativ 10 centimetru (4 inch) sau chiar peste. Cu

toate acestea, o singură celulă produce doar 1 sau 2 waţi, care nu sunt suficienti pentru

majoritatea aplicaţiilor. Pentru a mări puterea de ieşire, celulele sunt conectate electric si

ambalate intr-un modul. Modulele pot fi conectate mai multe, pentru a forma o matrice.

Termenul de matrice se referă la întregul generator, dacă acesta este format din unul sau mai

multe module. Numărul de module legate împreună într-o matrice depinde de volumul de putere

si de iesire necesare.

Celulele fotovoltaice au fost descoperite în 1954 de către cercetătorii de la Bell Telephone care

examinau sensibilitatea la lumina soarelui a unei foi de siliciu pregătit în mod corespunzător. La

sfarsitul anilor ‘50, celulele fotovoltaice au fost folosite pentru a alimenta sateliţii spatiali

americani. Succesul celulelor fotovoltaice în spaţiu a generat utilizari uzuale ale acestei

tehnologii.. Calculatoarele de buzunar,si ceasurile de mana folosesc celule fotovoltaice simple.

Sistemele mai complicate asigura energia pentru a pompa apa, pentru a alimenta sisteme de

comunicatii si pentru a alimenta casele.

Printre avantajele sistemelor fotovoltaice putem enumera urmatoarele:

- conversia de la lumina solară în energie electrică este directa, astfel încât nu necesita

generatoare de sisteme mecanice ,foarte incommode;

- celulele fotovoltaice pot fi instalate rapid şi în orice dimensiune solicitate sau permise.

- impactul asupra mediului este minim,si nu necesita apa pentru sistemul da racire.

6

7

Figura 3 – Schema detaliata a unei celule fotovoltaice [2]

2.2. Alegerea pompei de apa

Pompa de apa utilizata in cadrul proiectului este o pompa cu palate, este caracterizata de

urmatoarele date electrice nominale:

Pn= 3 kW

Un= 400 V

In= 10.7 A

cos f= 0.7

nn= 2900 rpm

Pmax= 70 bar

Pompa de apa are urmatoarele dimensiuni:

A=210 mm

B= 240 mm

C= 100 mm

D= 160 mm

E= 140 mm

F= 560 mm

G= 131 mm

H= 131 mm

Caracteristica presiune-debit (p-Q)

Fig. 5 - Caracteristica P-Q [3]

8

Fig. 4 – Dimensiunile pompei de apa

2.3. Bateria

Sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride independente necesita dispositive speciale pentru

stocarea energiei pentru a fi utilizata atunci cind generatorul nu produce sau produce sub nivelul

consumului. Cele mai la indemina dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de acumulatori,

care au rolul de a inmagazina energia electrica produsa atunci cind sursa de energie a

generatorului (iradianta solara, viteza vintul) este disponibila si de a o reda pentru a fi utilizata pe

timpul noptii sau atunci cand viteza vintului este sub limita de functionare a turbinelor eoliene.

Bateriile de acumulatori pentru sisteme fotovoltaice, eoliene sau hibride sunt de constructie

speciala, fara intretinere si suporta un numar mare de cicluri de incarcare-descarcare.

Cele mai utilizate tipuri de baterii de acumulatori in sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride

independente sunt bateriile plumb-acid. Mai nou au fost dezvoltate baterii cu Li-Ion si nichel -

cadmiu (Ni-Cd) pentru capacitati mari, dar preturile lor sunt deocamdata destul de mari si

algoritmii controlerelor de incarcare ai invertoarelor de baterii nu sunt verificati suficient.

Bateriile plumb-acid continua sa reprezinte principala optiune pentru stocarea energie, avind

avantajul pretului si al disponibilitatii pe linga faptul ca pot elibera o cantitate foarte mare de

energie intr-un interval foarte scurt de timp putind suporta curenti foarte mari. Bateriile plumb-

acid utilizate in sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride sunt incapsulate si nu necesita

completare cu apa si intretinere, supapa regulatoare (VLRA) realizind recombinarea oxigenului

si a hidrogenului rezultati in urma reactiilor chimice de la nivelul anodului si catodului.

Temperatura optima de functionare a unei bateri de acumulatori acid-plumb este 20°C - 5°C si

influenteaza direct durata de viata a bateriei. In cazul in care bateriile de acumulatori

functioneaza la temperaturi superioare acestui domeniu, durata de serviciu se reduce drastic, iar

la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. In afara intervalului optim de temperatura este

necesara de asemenea, compensarea tensiunii de incarcare cu temperatura. Curentul de incarcare

al unei baterii de acumulatori trebuie sa se incadreze in domeniul 10% pina la20% din

capacitatea ei nominala.

Bateriile plumb-acid au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apa in stare lichida in bateriile

clasice (electrolit lichid), retinut prin efectul capilar in separatoare din fibra de sticla sau silicat

9

de bor (baterii AGM) sau retinut in Gel (baterii cu Gel). Bateriile AGM au separatoarele montate

rigid, rezista foarte bine la socuri si vibratii, iar electrolitul nu se varsa nici daca bateriile sunt

rasturnate. Pentru ca nu contin elemente care ingheata pot fi utilizate la temperaturi extrem de

scazute. Desi din punct de vedere al electrolitului sunt similare cu bateriile cu gel, bateriile AGM

apartinind clasei lichid, iar tensiunea si algoritmul de incarcare sunt aceleasi ca si pentru bateriile

clasice.

Bateriile cu Gel au electrolitul sub forma unei mase viscoase si imobile avind acidul sulfuric

retinut in Gel. Pot fi instalate in orice pozitie, au rezistenta mare la temperaturi scazute, socuri si

vibratii, dar necesita tensiuni de incarcare mai mici decit in cazul bateriilor din clasa lichid si de

asemenea nu necesita incarcare de egalizare.

Dimensionarea corecta a capacitatii pentru o baterie de acumulatori se face in functie de puterea

nominala a consumatorilor si de diagrama de consum pe intervale orare. Durata de viata a unei

bateri de acumulatori este dependenta de adincimea de descarcare si de temperatura de lucru. In

functie de capacitatea si tipul bateriei de acumulatori se aleg controlerele de incarcare si/sau

invertoarele de baterii. Trebuie retinut ca utilizarea unui controller de incarcare sau invertor de

baterii impropriu poate duce la reducerea capacitatii bateriei de acumulatori si a duratei de viata

a acesteia sau chiar la distrugerea ei.

3. Dimensionarea instalatiei fotovoltaice

Pentru a realiza dimensionarea instalatiei fotovoltaice, vom considera ca punct de plecare puterea

necesara alimentarii pompei de apa (3kW).

Pentru realizarea dimensionarii instalatiei electrice, trebuie parcursi mai multe etape, si anume:

[4]

Etapa 1: Alegerea panourilor fotovoltaice:

In urma analizei ofertelor de panouri fotovoltaice, am decis sa utilizam panou fotovoltaic

multicristalin de 150 W, avand urmatoarele valori electrice nominale: U= 12 V, Ipanou= 8.1 A;

Vmp = 18.50 V. Panoul are urmatoarele dimensiuni: L=1.45 m; l= 0.7m ;

10

Etapa 2: Determinarea numarului de panouri necesare pentru obtinerea unei puteri de 3kW:

N= numarul de panouri

Pi=Pn= 3 kW = puterea instalatiei

Ppanou= puterea unui panou

N=

Pi

P panou

=3000150

=20

In concluzie, pentru obtinerea unei puteri de 3 kW, sunt necesare 20 panouri fotovoltaice, avand

o putere de 150 W fiecare.

Etapa 3: Determinarea suprafetei panourilor

St= suprafata totala = L*l

Spanou= suprafata unui panou

Ntotal_panou= numarul total de panouri

St=S panou∗N total panou=

1.45*0.7*20= 20.3 m2

Pentru a obtine cei 3 kW de energie electrica necesara, trebuie sa avem la dispozitie o suprafata

totala de 20.3 m2.

Etapa 4: Schema de conexiuni pentru panourile fotovoltaice

Cele 20 de panouri fotovoltaice le vom lega in serie, pe 4 siruri a cate 5 panouri fiecare.

Etapa 5: Calculul caracteristicilor generatorului fotovoltaic

Tensiunea instalata a generatorului fotovoltaic:

Ug = Np/s*Up

Ug = 10*12 = 120 V

Ug= tensiunea instalata a generatorului

Up= tensiunea unui panou

11

Curentul generatorului :

Ig = IPV*Nr_siruri= 4*4 = 16 A

Ig= curentul generatorului

Nr_siruri= numarul de siruri al panourilor

Voc = Nr. panouri/sir* Voc panou = 10*22.6 = 226 V

Isc = nr. sir*I panou = 4*8.1= 32.4 A

Vmp generator = nr. panouri/sir*Voc panou = 5*18.50 = 92.5 V

P generator = Vmp generator*I generator = 92.5*32.4 = 2997 W (aproximativ 3 KW)

Etapa 6: Alegerea invertorului

Conditiile de baza in alegerea invertorului sunt urmatoarele:

Uinvertor= Ug= 120 V

Pinvertor > Pi => 3000 W > Pi

S-a ales un invertor solar cu unda sinusoidala pura 4KWh nominal.

Controller solar incorporat 50 Amperi 24 VDC max.

Acest tip de invertor se utilizeaza pentru producerea si stocarea energiei electrice cu ajutorul

panourilor solare fotovoltaice, sisteme independente de retea si are functie UPS cu baterii externe

de capacitate mare.

Chargerul solar de 50A cu functii avansate de incarcare si control permite instalarea de panouri

fotovoltaice de pana la 1500Wp putere instalata (PV speciale pentru incarcarea in baterii cu 36

sau 72 de celule solare).

Etapa 7: Determinarea puterilor necesare

Puterea necesara extragerii apei:

Papa=ρapa⋅g⋅Q⋅H /0 . 25=1000⋅9 . 81⋅1,3⋅1 .1⋅25 /0 .25=0 . 098/0 .25 kWh / zi=0 . 392 kWh /zi

12

Puterea necesara pompei: 0 ,098 kW / zi /HSP=0 .392 kW

Etapa 8: Alegerea bateriilor

Bateriile sunt folosite în sistemele fotovoltaice cu scopul de a stoca energia produsã de

generatorul fotovoltaic pe timpul zilei, pentru a putea fi folosita când este nevoie  pe timpul

noptii sau cer înnorat).

La alegerea bateriilor trebuie sa tinem cont de urmatoarele informatii:

- pentru incarcarea bateriilor de 12V avem nevoie de panouri cu Vmp 16V – 20V

- pentru incarcarea bateriilor de 24V avem nevoie de panouri cu Vmp 34V – 40V

- pentru incarcarea bateriilor de 48V avem nevoie de panouri cu Vmp 62V -76V

Pentru dimensionarea bateriei de stocare, este necesar sa stabilim un numar de zile fara aport

solar. Notam numarul de zile fara aport solar cu Nfas, care reprezinta practic numarul de zile in

care bateria va alimenta instalatia singura, fara ca generatorul fotovoltaic sa produca energie

electrica.

Pentru a determina capacitatea pentru o functionare de Nfas si un necesar energetic zilnic Nez vom

aplica urmatoarea relatie:

Cb=Nfas*Nez, unde Cb reprezinta capacitatea utila a bateriei

Capacitatea utila a bateriei Cb reprezinta capacitatea real disponibila in functionare tot timpul.

Pentru a calcula puterea nominala in functie de aceasta capacitate necesara, trebuie sa se tina

cont de numarul de ore de functionare zilnica si de timpul de utilizare zilnica.

Astfel, consideram: Nr_consumatori = 1

Tutil_zilnica = 2

Puterea consumata in Wh de catre pompa sumersibila va fi:

PWh= Pn x Nr_consumatori*Tutil_zilnica/0.9= 3000 * 1 * 2/0.9= 6000/0.9 Wh = 6.6 kWh

Consideram timpul de insorire mediu: Tinsorire= 3 h, iar zilele innorate: Tinnorat= 1.5 zile.

Vom determina capacitatea bateriei: Cb=

PWh∗T innorat

U b

∗0. 42=

6 .6 kWh∗1. 548

∗0 . 42=315 Ah

Astfel, vom alege o baterie cu Ub= 12V, avand o capacitate Cb>315 Ah.

Vom utiliza doua baterii solare acide cu plumb avand urmatorii parametrii:

13

Ub= 12V

Cb= 200Ah

Greutate: 62 kg

Dimensiuni: 521x238x218 cm

Bateriile au fost luate din catalogul Habitat Energy.

Estimarea zilnică a cerinţei zilnice a bateriei:

0 . 392 kWh/ zi90 %⋅95 %⋅12 V

=38 . 2 Ah/ zi

Estimarea capacităţii zilnice de stocarea a bateriei cu 80%:

38 . 2 Ah/ zi80 %

=47 .7 Ah/ zi

Estimarea capacităţii toatale a bateriilor cu o rezervă de 1.5 zile: 47 . 7 Ah/zi⋅1. 5=71 .5 Ah

Cerinţele efective de energie după scădearea pierderilor de putere:

0 .392 kWh / zi90 %⋅95 %

=0 . 458 kWh /zi

Capacitatea de înmagazinare a bateriei pentru o descărcare de 80%:

0 . 458 kWh /zi80 %

=0 . 573 kWh /zi

Etapa 9: Alegerea regulatorului de sarcina

 Regulatoarele de sarcina au rolul de a controla incarcarea bateriilor de acumulatori. La alegera

regulatorului de sarcina trebuie sa tinem cont de urmatoarele conditii:

- tensiunea nominala a regulatorului sa fie mai mica sau egala decat decat tensiunea nominala a

generatorului fotovoltaic

- curentul de intrarea sa fie mai mare sau egal decat curentul de incarcare maxim, pe care

generatorul il poate debita

Se alege regulatorul de sarcina CX40 PHOCOS de in catalogul TME.EU, avand urmatoarii

parametrii nominali:

-Unregulator= 12/24 V

-Iin(regulator)= 40 A

14

4. Modelul matematic al sistemului fotovoltaic

4.1. Simularea modulelor multicristaline Modelul realizat pentru Voc= 22.64V si Isc= 32.4A.

Fig. 9 - Modelul matematic al unui PV multicristalin[5]

Graficul U=f(I) obtinut pentru o temperatura de 22oC si o radiatie de 0.25 kW/m2.

15

Fig. 10 - Graficul U=f(I)

Graficul U=f(I) obtinut pentru o temperatura de 22oC si o radiatie de 0.5 kW/m2

Fig. 11 - Graficul U=f(I) pentru T=20C, rad = 0.5 kw/m^2

16

Modelul matematic pentru obtinerea puterii:

Fig. 12 - Modelul matematic al PV pentru obtinerea puterii

Obtinerea puterii panoului multicristalin:

Fig. 13 - Graficul P=f(t)

17

4.2. Simularea incarcarii acumulatoaruluiSchema de simulare pentru incarcarea unei baterii de 12V:

Fig. 14 - Schema de incarcare a acumulatorului

Graficul puterii:

Fig. 15 - Graficul puterii la incarcarea acumulatorului

18

4.3. Simularea pompei de apa

5. Concluzii

* Principalul avantaj al instalatiilor fotovoltaice il constituie costul total mai mic

comparativ cu sursele conventionale de energie. In timp, fotovoltaicele se dovedesc a fi

mai economice decat sursele conventionale.

* Prezinta avantajul utilizarii in cazul aplicatiilor care necesita productii de energie

electrica constante si precise.

* Instalatiile fotovoltaice au fost create in special cu scopul utilizarii energiei verzi,

produse de natura, fara a polua. Practic, producerea energiei fotovoltaice face parte din

dezvoltarea durabila a vietii, acesta constituind un avantaj important in privinta utilizarii

acestora.

* Instalatiile fotovoltaice au dezavantajul ca necesita o investitie initiala destul de mare,

insa prezinta avantajul de recuperare a investitiei in doar cativa ani.

* Un alt dezavantaj considerabil al instalatiei fotovoltaice il constituite disponibilitatea

acestuia de productie a energiei electrice. Astfel, noaptea, precum si in zilele innorate,

productia acestuia este aproape inexistenta. Insa, prin amplasarea intr-un loc strategic,

instalatiile fotovoltaice pot avea un randament excelent.

19

* Un alt dezavantaj al instalatiilor fotovoltaice il reprezinta necesitatea intretinerii

acestora, pentru evitarea pierderii randamentului instalatiei.

* Un dezavantaj al sistemului de acumulatoare, il constituie faptul ca acumulatoarele o

data uzate, trebuie inlocuite.

6. Bibliografie [1]- https://lefo.wikispaces.com/Prezentare+Predoi

[2] - https://lefo.wikispaces.com

[3] - http://www.agropataki.ro/sisteme-de-irigat/rezidentiale/stabilirea-debitului/ro

[4] - http://www.electricalc.ro/sisteme-fotovoltaice-solare/dimensionarea-instalatiei

[5] - http://www.vlab.pub.ro/courses/smart_grids/SG_Lab_2.pdf

20