Sisteme solare fotovoltaice – Kronstadt Energii Regenerabile

Sistemul solar fotovoltaic reprezintă soluția tehnologică avansată pentru generarea energiei electrice din surse regenerabile, acesta este alcătuit dintr-un ansamblu de module fotovoltaice, echipamente de conversie, control și protecțe, destinat generării de energie și alimentarea consumatorilor. Sistemul solar fotovoltaic captează radiația solară, iar prin efect fotovoltaic se generează curent electric continuu (DC), ulterior invertorul convertește curentul continuu (DC) în curent alternativ (AC), energia astfel generată poate fi utilizată de consumatori, stocată sau injectată în rețea. Un sistem solar fotovoltaic poate funcționa independent, conectat la rețeaua publică de electricitate sau în regim hibrid.

Componentele principale a unui sistem solar fotovoltaic sunt:

Module solare fotovoltaice (cunoscute și sub denumirea de panouri solare fotovoltaice), invertor fotovoltaic, acumulatori solari (unde este cazul), tablou electric, protecții și sisteme de montaj.

Panouri solare fotovoltaice

Panourile solare fotovoltaice convertesc energia solară (foton) în energie electrică (volt) cu ajutorul celulelor fotovoltaice. Celulele fotovoltaice sunt fabricate din siliciu, acesta fiind un mterial semiconductor. Atunci când radiația solară cade pe suprafața panoului se produce efectul fotovoltaic, fotonii din radiația solară eliberează electroni, iar deplasarea acestora generează curent continuu. Un panou este compus din mai multe celule fotovoltaice conectate între ele în serie sau paralel pentru a obține tensiune și curent.

Componentele principale ale unui panou solar fotovoltaic:

Cadru din aluminiu – pentru rigiditate și montaj.
Sticlă securizată – are rol de protecție mecanică și transmiterea eficientă a radiației solare către celule.
Straturi de încapsulare (EVA) – reprezintă straturile din material plastic (etilen vinil acetat, EVA) ce fixează și protejează celulele.
Celule fotovoltaice – acestea sunt fabricate din siliciu monocristalin, policristalin sau strat subțire, și sunt conectate între ele prin benzi de cositor.
Folie posterioară (backsheet) – strat aflat pe spatele panoului realizat din materiale polimerice, având rol de protecție și izolație.
Cutie de joncțiune – reprezintă punctul de conexiune electrică, are rolul de a prelua energia produsă de celule și de a o transmite către cablurile de ieșire. Conține diode de bypass, acestea mențin fluxul de energie într-o singură direcție, înpiedicând returnarea acesteia către panouri, deasemenea previne pierderile și supraîncălzirea în cazul umbriri parțiale a panoului.

Tipuri de panouri solare fotovoltaice

Panouri solare fotovoltaice monocristaline

Acestea sunt produse dintr-un singur cristal de siliciu monocristalin de înaltă puritate și eficiență ridicată. Sunt cele mai utilizate în prezent datorită eficineței ridicate și duratei mari de viață. Celulele monocristaline au culoare neagră și colțuri ușor rotunjite, aspect care indică structură cristalină unică. Datorită structurii ordonate a cristalului, electronii se deplasează mai ușor, ceea ce permite o conversie mai eficientă a radiației solare în energie electrică.
Beneficii:

Randament ridicat - conversia energiei solare în energie electrică este mai eficientă față de alte panouri, randamentul modulelor monocristaline este cuprins între 18% și 23%.
Eficiență bună pe lumina slabă – panourile produc energie electrică chiar și în condiții de cer acoperit, dimineața sau seara târziu, în schimb randamentul lor scade odata cu creșterea temperaturii.
Durată mare de viață – au o durată mare de exploatare, de peste 25 de ani, cu un grad redus de degradare.
Dimensiuni compacte – datorită randamatului ridicat, panourile sunt mai mici.

Panouri solare fotovoltaice policristaline

Panouri solare fotovoltaice policistaline
Panourile sunt realizate din celule de siliciu policristalin, obținute prin topirea și solidificarea siliciului în blocuri formate din mai mulți cristali. Celulele policristaline se recunosc prin culoare cu tentă albastră și prin textură neuniformă. Datorită orientării diferite a cristalelor din structură, mișcarea electronilor este mai puțin eficientă, ceea ce duce la un randament mai scăzut față de panourile monocristaline.
Beneficii:

Cost redus – sunt mai ieftine datorită procesului de fabricație mai simplu.
Comportament termic eficient – pierdierile rezistive la temperaturi ridicate sunt relativ bune.
Randamentul modulelor fotovoltaice policristaline este, în general, între 15% și 18%.
Durată de viață bună – au o durată mare mare de exploatare, de peste 25 de ani.
Fiabilitate în exploatare – prezintă o funcționare constantă și o degradare redusă în timp

Panouri solare fotovoltaice cu strat subțire (Thin Film)

Panourile fotovoltaice de acest tip sunt produse pe baza celulelor fotovoltice cu strat subțire, realizate prin pulverizarea sau impimarea materialului semiconductor activ sub formă de pelicule de ordinul micronilor pe un suport din plastic flexibil, metal sau sticlă.
Panourile cu film subțire au un aspect uniform, închis la culoare, sunt ușoare și flexibile. Randamentul acestor tipuri de panouri este mai redus față de panourile monocistalene sau policristaline, cu valori tipice cuprinse între 7% și 13%, însă rămân competitive în condiții de funcționare la temperaturi ridicate și lumină difuză.
În comparație cu panourile din siliciu cristalin, modelele Thin Film au o durată de viață mai scurtă și o eficiență energetică inferioară, iar datorită utilizării unor materiale rare acestea ridică probleme legate de impact asupra mediului și de disponibilitate asupra resurselor.
Beneficii:

Performanță înbunătățită la iradiere redusă și la temperaturi ridicate – panourile Thin Film au pierderi mai mici la temperaturi ridicate, iar în condiții de lumină difuză prezintă o eficiență mai bună.
Flexibilitate – anumite tehnologii (a-SI și CIGS) permit realizarea de panouri flexibile.
Greutate redusă – datorită grosimii reduse a stratului activ și a utiliării substraturilor ușoare rezultă o greutate a panourilor substanțial redusă.
Cost de producție mai scăzut – procesele tehnologice necesare fabricării panourilor implică costuri mai reduse.

Invertor solar

Invertoarele sunt echipamente esențiale în cadrul unui sistem fotovoltaic, acestea convertesc curentul continuu (DC) produs de panourile fotovoltaice în curent alternativ (AC) compatibil cu rețeaua electrică și cu consumatorii casnici sau industriali.

Pentru eficiența întregului sistem fotovoltaic și pentru siguranță , invertorul îndeplinește mai multe funcții:

Conversie DC-AC – transformarea curentului continuu (curent care circulă într-un singur sens cu tensiune relativ constantă) primit de la panouri sau acumulatori în curent alternativ (curent care își schimbă periodic sensul cu tensiune care variază), acestă conversie se realizează prin comutarea rapidă a unor componente electronice (tranzistori) care schimbă sensul curentului în mod controlat. Un alt rol este de filtrarea semnalului, obținând astfel o tensiune compatibilă cu aparatele electronice.
Funcția (Maximum Power Point Tracking) – reglează tensiunea și curentul pentru a extrage puterea maximă din panouri, modifică constatnt parametrii de funcționare, indiferent de nivelul de radiere, astfel optimizează puterea produsă.
Sincronizarea cu rețeaua electrică (pentru sistemele on-grid) – invertorul sincronizează tensiunea și frecvența pentru ca acestea sa fie compatibile cu rețeaua electrică publică, permite injectarea energiei electrice în rețea, iar în cazul unor pene de curent inverorul se oprește automat pentu siguranță.
Protecția sistemului – invertorul este dotat cu protecții care previn scurtcircuitele, opresc funcționarea la supratensiune sau supracurent, protejează la supraîncălzire, asigură siguranța utilizatorilor și a rețelei.
Monitorizarea și controlul funcționării – invertorul afișează parametrii de funcționare a sistemului, permite diagnosticarea și detectarea defectelor, iar unele modele pot fi controlate de la distanță cu ajutorul unor aplicații dedicate, astfel se poate monitoriza performanța sistemului fotovoltaic analizând atât cantitatea de energie solară produsă cât și cât și consumul de energie al locuinței.

Tipuri de invertoare

Invertoare On-Grid (conectate la rețea publică de electricitate)

Sunt folosite în sistemele fotovoltaice care livrează curentul direct în rețeaua electrică sau către consumatorii din locuință. Aceste tipuri de invertoare nu funcționează în lipsa rețelei electrice, nu asigură energie în cazul unei întreruperi de curent și nu oferă autonomie energetică.

Beneficiile invertoarelor on-grid:

Randament ridicat – invertoarele actuale au o eficiență de conversie de 96 -98%, astfel pierderile de energie rezulate din procesul de transformare a curentului continuu în curent alternativ sunt reduse.
Eficiență energetică – energia produsă poate fi consumată direct sau poate fi injectată în rețea, astfel deveniți prosumator iar surplusul de energie livrat în rețea va fi compensat cantitativ.
Protecții și siguranță – invertoarele de acest tip sunt dotate cu protecții care opresc funcționarea în cazul unor pene de curent (protecție anti-islanding) și protecții la supratensiune sau supracurent.
Cost mai mic – față de alte tipuri de invertoare, acestea au un cost mai mic.
Protecții și siguranță – invertoarele de acest tip sunt dotate standard cu protecții la supratensiune sau supracurent, unele modele pot monitoriza în permanență parametrii de funcționare și trimite notificări în caz de defecte.

Invertoare Off-Grid (sistem autonom)

Reprezintă soluția viabilă de conversie și management al energiei. Sunt proiectate pentru a putea gestiona simultan producția de energie din panourile, stocarea energiea în acumulatori și distribuția energie în rețeaua publică de electricitate. Practic un inveror hibrid reprezintă o combinație între sistemele on-grid și off-grid cu posibilitatea de stocării energiei. Invertoarele hibrid beneficiază de un management eficient de gestionare și eficientizare a energiei, astfel: convertesc energia electrică provenită de la panourile fotovoltaice (DC) în curent alternativ (AC), prioritizează consumul local, direcționează surplusul către acumulatori sau rețeaua de electricitate, controleză ciclurile de încărcare / descărcare și limitează adâncimea de descărcare pentru protecția acumulatorilor.

Beneficiile invertoarelor off-grid:

Independență energetică – funcționare complet independentă, sistemul gestionează alimentarea electrică din resurse proprii, funcționând cu ajutorul panourilor fotovoltaice, regulatoare de încărcare sau acumulatori solari, fără a mai depinde de rețeaua publică de electricitate.
Integrarea sistemelor de stocare de energie – invertoarele de acest tip sunt concepute să funcțineze cu acumulatori, având funcții de control al ciclurilor de încărcare, funcții de limitare adâncimii de descărcare (DoD) și funcții de protecție la supratensiune și supracurent.
Flexibilitate în optimizarea sistemului – invertoarele off-grid permit mărirea capacității de stocare, adăugarea de panouri fotovoltaice sau integrarea în sistem a unor turbine eoliene, generatoare pe combustibil fosil, etc..
Eficiență energetică – după amortizarea investiției, energia electrică nu mai implică costuri.
Control deplin și monitorizare – aceste modele de invertoare oferă control total asupra consumului și stocării, oferind date despre cantitatea de energie produsă, nivelul de încărcare a acumulatorilor și optimizarea consumului.
Protecții și siguranță – invertoarele de acest tip sunt dotate standard cu protecții la supratensiune sau supracurent, unele modele pot monitoriza în permanență parametrii de funcționare și trimite notificări în caz de defecte.

Invertoare hibride

Sunt proiectate pentru a putea gestiona simultan producția de energie din panourile, stocarea energiea în acumulatori și distribuția energie în rețeaua publică de electricitate. Practic un inveror hibrid reprezintă o combinație între sistemele on-grid și off-grid cu posibilitatea de stocării energiei. Invertoarele hibrid beneficiază de un management eficient de gestionare și eficientizare a energiei, astfel: convertesc energia electrică provenită de la panourile fotovoltaice (DC) în curent alternativ (AC), prioritizează consumul local, direcționează surplusul către acumulatori sau rețeaua de electricitate, controleză ciclurile de încărcare / descărcare și limitează adâncimea de descărcare pentru protecția acumulatorilor.

Beneficiile invertoarelor hibride:

Autonomie energetică – datorită integrări sistemelor de stocare, un invertoarele hibrid reduc semnificativ dependența față de rețeaua publică de electricitate, astfel crește gradul de autoconsum și reduce consumul din rețea.
Continuitate în cazul unor întreruperi de curent - invertoarele hibrid au posibilitatea de a alimenta consumatorii în cazul unor pene de curent prin trecerea automată în regim off-grid, acestea vor lua electricitate din panouri sau acumulatori.
Flexibilitate în funcționare – aceste tipuri de invertoare pot lucra în diferite regimuri: on-grid, off-grid sau hibrid (autoconsum, stocare, injecție în rețea).
Control și monitorizare sistem – invertoarele hibrid analizează în timp real parametrii electrici și starea sistemului pentru a asigura o funcționare sigură și eficientă. Acestea au capacitatea de a monitoriza mai mulți parametri vitali ai sistemului precum: tensiunea panourilor, puterea instantanee produsă, starea MPPT, pot monitoriza sistemul de stocare (urmarind tensiunea acumulatorilor, curentul de încărcare și descărcare, temperatura acumulatorilor), pot monitoriza rețeaua electrică (tensiune și frecvenșă, prezența sau absența rețelei), pot monitoriza consumatorii (putere consumată, suprasarcinii), pot monitorizarea condițiilor interne de funcționare (temperatura componentelor, starea ventilatoarelor, jurnal de erori). Invertoarele hibrid pot fi controlate de la distanță prin internet sau local, facând sistemul mult mai eficient și ușor de controlat.
Protecții și siguranță – invertoarele hibrid sunt dotate standard cu protecții la supratensiune sau supracurent.

Microinvertoare

Sunt invertoare de putere mică, montate individual pe fiecare panou fotovoltaic, acestea transformă curentul continuu (DC) în curent alternativ (AC) direct la nivelul fiecărui panou, contribuind asfel la optimizarea întregului sistem fotovoltaic. Deși montajul unui sistem cu microinvertoare înbunătățește performanțele sistemul, trebuie avută în vedere complexitatea instalației și costurile inițiale de achiziție mai ridicate.

Beneficiile microinvertoarelor:

Optimizare individuală a fiecărui panou – utilizarea microinvertoarelor va eficientiza fiecare panou în parte, acestea va funcționa în puctul de putere maximă, minimizând pierderile cauzate de umbrire parțială sau murdărie.
Eficiență energetică înbunatățită– randamentul energetic este mai mare față de sistemele convenționle.
Siguranță crescută – datorită eliminării tensiunilor curentului continuu (DC) pe traseele de cablu se reduce riscul de arc electric, incendiu și electrocutare.
Monitorizare evoluată – aceste microinvertoare permit evaluarea performanțelor fiecarui panou solar fotovoltaic. starea ventilatoarelor, jurnal de erori). Invertoarele hibrid pot fi controlate de la distanță prin internet sau local, facând sistemul mult mai eficient și ușor de controlat.

Tipuri de sisteme solare fotovoltaice

Sistem solar fotovoltaic On-Grid

Reprezintă solția de a genera energie electrică pentru consumul propriu, acest sistem este conectat la rețeaua electrică publică și produce curent ce poate fi consumat direct sau poate fi injectat în rețea, astfel deveniți prosumator iar surplusul de energie livrat în rețea va fi compensat cantitativ.

Beneficiile sistemului on-grid:

Reducerea facturilor de energie electrică.
Independență parțială și protejare față de modificarile prețurilor.
Creșterea valorii imobilului.
Costuri minime de mentenanță.
Fară emisii de CO2.

Sistem solar fotovoltaic Off-Grid

Un sistem fotovoltaic off-grid reprezintă soluția ce oferă independență energetică totală, este un sistem autonom nefiind conectat la rețeaua publică de electricitate. Acest sistem produce energie electrică ce poate fi consumată direct sau stocată în acumulatori pentru utilizare ulterioară. Sistemul fotofoltaic off-grid este ideal în zonele izolate sau pentru beneficiarii care doresc autonomie electrică completă. Trebuie avut în vedere faptul ca un sistem de acest gen necesită o gestionare atentă a consumului de energie pentru a nu epuiza rezervele din acumulatori.

Beneficiile sistemului off-grid:

Independență energetică completă.
Ideal pentru zonele izolate, sau unde este prea costisitoare ori dificilă racordarea la rețea publică de electricitate.
Creșterea valorii imobilului.
Economii pe termen lung, după amortizarea investiției costurile de funcționare sunt minime.
Flexibilitate și extindere, sistemul poate fi optimizat oricând adaugând panouri sau acumulatori.

Sistem solar fotovoltaic Hibrid

Sistemul fotovoltaic hibrid îmbină beneficiile sistemului on-grid (conectat la rețeaua electrică) și off-grid (sistem cu stocare de energie), oferindu-ți astfel independență parțială sau totală față de rețeau publică de electricitate. Sistemul hibrid poate alimenta direct consumatorii casnici, iar în cazul în care exista surplus de energie acesta este stocat în acumulatorii solari. În permanență sistemul rămane conectat la rețeaua electrică și poate prelua sau injecta energie, în funcție de necesar. Totul este gestionat automat, în funcție de consum și de cerințe, de un invertor hibrid care monitorizează și optimizează fluxurile de energie între modulele fotovoltaice, rețeaua electrică, consumatori și acumulatorii. Un sistem de acest gen necesită monitorizarea atentă a bateriilor pentru a nu le degrada.

Beneficiile sistemului hibrid:

Independență energetică (surplusul de energie este înmagazinat în acumulatori).
Reducerea facturilor de energie electrică.
Creșterea valorii imobilului.
Flexibilitate și extindere, sistemul poate fi optimizat oricând adaugând panouri sau acumulatori. starea ventilatoarelor, jurnal de erori). Invertoarele hibrid pot fi controlate de la distanță prin internet sau local, facând sistemul mult mai eficient și ușor de controlat.

Randamentul unui sistem solar fotovoltiac

Randamentul unui sistem solar fotovoltiac este influențat de mai mulți factori:

Tipul și calitatea panourilor -panourile solare fotovoltaice monocristaline - au un randament ridicat datorită structurii cristaline uniforme și pierderilor reduse / panourile policristaline - sunt mai accesibile, dar au eficiența mai scăzută / panourile Hal-Cel - sunt special concepute pentru a reduce pierderile rezistiveși și pentru îmbunătățirea performanțelor în .
Tehnologia celulelor fotovoltaice - randamentul unui sistem solar este influentat de tehnologia folosita în construcția modulelor fotovoltaice. Diferența dintre tehnologii (monocristalin, PERC, TOPCon, HJT, etc.) determină nivelul de absorbție a radiației, transportul de sarcină sau pierderile rezistive.
Radiația solară disponibilă -eficiența unui sistem fotovoltaic este influențată direct de numărul de ore de radiație solară, de intensitatea radiației (zile senine / zile înnorate), momentul zilei (la prânz - radiație maximă / dimineața sau seara radiație scăzută), tipul radiației (radiație directă, ce vine direct de la soare / radiație difuză, mai slaba datorată norilor sau ceței), de sezon vară/iarnă.
Orientarea și înclinarea panourilor - orientarea optimă este spre S, SE sau SV, unghi de înclinare adaptat latitudinii, 30⁰ - 40⁰ pentru România, orientarea sau înclinarea greșită reduce randamentul sistemului.
Temperatura de funcționare -un nivel de radiație ridicat duce la încalzirea panourilor iar temperatura ridicată le scade eficiența.
Umbra - umbrirea parțială sau totală a panourilor fotovoltaice afectează producția întregului sistem.
Calitatea invertorului- invertorul influențează randamentul prin eficiența conversiei DC/AC, performanța MPPT (Maximum Power Point Traking - invertorul determina punctul de putere maximă), eficiența generală a invertorului (un invertor calitativ transforma 96 - 99% din energie).
Degradarea în timp - celulele fotovoltaice prezintă o scădere progresivă a parametrilor electrici, astfel scade randamentul atat la nivel de modul câ și la nivel de sistem.
Murdăria - panourile murdare pot influența randamentul unui sistem.