2009.10.27 - rezumat_burduhos
DESCRIPTION
Rezumat tezaTRANSCRIPT
UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV
FACULTATEA DE INGINERIE TEHNOLOGICĂ CATEDRA DE DESIGN DE PRODUS ŞI ROBOTICĂ
Ing. Bogdan Gabriel BURDUHOS
OPTIMIZAREA MECANISMELOR DE ORIENTARE DE TIP PSEUDO-ECUATORIAL UTILIZATE PENTRU
CREŞTEREA EFICIENŢEI CONVERSIEI PANOURILOR FOTOVOLTAICE INDIVIDUALE
- rezumatul tezei de doctorat -
OPTIMIZATION OF PSEUDO-EQUATORIAL TRACKING MECHANISMS USED FOR INCREASING THE CONVERSION EFFICIENCY OF INDIVIDUAL
PHOTOVOLTAIC MODULES
- abstract of the PhD. thesis -
Conducător ştiinţific: Prof. univ. dr. ing. Dorin Valentin DIACONESCU
Braşov, 2009
MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII ŞI TINERETULUI
UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV b-dul Eroilor, nr. 29, 500036, Braşov, tel. +40-0268-413000, fax. +40-0268-410525
RECTORAT
D-nei/lui...............................................................................................................
COMPONENŢA Comisiei de doctorat
Numită prin Ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov, nr. 3800/09.10.2009
PREŞEDINTE:
Prof. univ. dr. ing. Nouraş Barbu LUPULESCU Decan – Facultatea de Inginerie Tehnologică Universitatea Transilvania din Braşov
CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC:
Prof. univ. dr. ing. Dorin DIACONESCU Universitatea Transilvania din Braşov
REFERENŢI ŞTIINŢIFICI:
Prof. univ. dr. ing. Vistrian MĂTIEŞ Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Cercetător ştiinţific gr. I dr. fiz. Dan Ilie TEODOREANU Institutul de Cercetări Electrotehnice Bucureşti Prof. univ. dr. ing. Anca DUŢĂ-CAPRĂ Universitatea Transilvania din Braşov
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat:
30 octombrie, ora 10:00, Colina Universităţii, sala E.II.4 Eventualele aprecieri sau observaţii asupra lucrării vă rugăm să le transmiteţi, în timp util, pe adresa Universităţii Transilvania din Braşov
1
Cuprins (numerotarea paginilor corespunde celei din teza de doctorat) 1. Introducere 5
2. Asupra stadiului actual al sistemelor fotovoltaice cu orientare pseudo-ecuatorială; obiectivele cercetării 9
2.1. Problema globală a energiei şi prevederile legislative referitoare la utilizarea unor noi surse de energie 9
2.2. Tipuri şi caracteristici ale soluţiilor constructive existente 12
2.3. Sisteme de stabilire a traiectoriei solare 19
2.4. Mărimi geometrice care descriu poziţia unghiulară a razelor solare faţă de Pământ 21
2.4.1. Despre modelarea poziţiei unghiulare a razei solare 21 2.4.2. Modelarea unghiurilor sistemelor PV cu orientare pseudo-ecuatorială 27 2.4.3. Unghiul de incidenţă rază solară – modul PV şi influenţa acestuia asupra radiaţiei solare directe receptate normal de modulul PV 36
2.5. Factori meteorologici care influenţează răspunsul energetic al sistemelor fotovoltaice cu orientare pseudo-ecuatorială 42
2.5.1. Înregistrarea parametrilor meteorologici 42 2.5.2. Radiaţia solară 46 2.5.3. Factorul de turbiditate şi influenţa acestuia asupra răspunsului energetic al sistemelor fotovoltaice cu orientare pseudo-ecuatorială 48 2.5.4. Temperatura şi vântul 54
2.6. Concluzii şi contribuţii 55
2.7. Obiectivele cercetării 56
3. Design-ul unui demonstrator fotovoltaic individual cu orientare pseudo-ecuatorială, implementat în zona Braşov 59
3.1. Design-ul conceptual al demonstratorului fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială biaxială 59
3.2. Design-ul constructiv şi prototiparea demonstratorului fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială biaxială 65
3.3. Concluzii şi contribuţii 69
4. Proiectarea programului optim anual de orientare pseudo-ecuatorială 71
4.1. Influenţa variaţiei factorului de turbiditate asupra eficienţei de orientare 71
4.2. Analiza aportului energetic relativ al paşilor succesivi dintr-un program de orientare pseudo-ecuatorială 73
4.3. Analiza comparativă a contribuţiilor energetice aduse de mişcările de orientare pseudo-ecuatorială (mişcarea diurnă şi mişcarea de elevaţie) 81
4.4. Despre divizarea anului în sezoane cu sub-programe fixe de orientare pseudo-ecuatorială 91
4.5. Stabilirea programului anual optim de orientare pseudo-ecuatorială cu ajutorul softului MatLab 92
2
4.6. Concluzii şi contribuţii 115
5. Analiza influenţei latitudinii şi a numărului axelor de orientare asupra eficienţei de orientare pseudo-ecuatorială 117
5.1. Influenţa latitudinii asupra eficienţei de orientare biaxială pseudo-ecuatorială şi identificarea zonei geografice favorabile implementării 117
5.2. Analiza comparativă a eficienţei de orientare biaxială şi monoaxială 120
5.3. Concluzii şi contribuţii 127
6. Realizarea demonstratorului pseudo-ecuatorial, testarea şi analiza rezultatelor 129
6.1. Modulul electric al demonstratorului 129 6.1.1. Modulul fotovoltaic (PV-ul) 130 6.1.2. Regulatorul de încărcare al acumulatorului 131 6.1.3. Acumulatorul 132 6.1.4. Becul (spotul, consumatorul) 132 6.1.5. Actuatoarele liniare 133
6.2. Sistemul de control al demonstratorului 135 6.2.1. Controlerul NI cRIO-9012 136 6.2.2. Modul intrări-ieşiri digitale cRIO 9401 136 6.2.3. Driver servomotor cRIO 9505 136 6.2.4. Componentele hard şi soft ale sistemului de control 137 6.2.5. Adaptarea programelor de orientare la sistemul de control al demonstratorului 138
6.3. Monitorizarea demonstratorului 142
6.4. Rezultate experimentale 145
6.5. Concluzii şi contribuţii 155
6.6. Recomandări şi îmbunătăţiri posibile 157
7. Concluzii finale, contribuţii şi diseminarea rezultatelor 159
7.1. Concluzii şi contribuţii 159
7.2. Diseminarea rezultatelor 161
3
1. Introducere
O alternativă viabilă a dezvoltării durabile este reprezentată de conversia energiei solare în energie electrică, cu ajutorul sistemelor fotovoltaice (PV); principalele părţi active ale unui sistem PV sunt celulele fotovoltaice, alcătuite din joncţiuni p-n de materiale semiconductoare.
Acest domeniu fiind unul de stringentă actualitate, prezenta teză de doctorat îşi propune să aducă contribuţii în domeniul optimizării acestui proces de conversie, pe baza orientării controlate de tip pseudo-ecuatorial a modulelor fotovoltaice faţă de Soare.
Problema majoră care intervine în implementarea unui sistem de orientare se referă la câştigul energetic realizat prin orientare (ΔE=EPV.ORIENTAT–EPV.FIX): un sistem de orientare devine eficient dacă prin câştigul energetic generat ΔE se asigură atât compensarea energiei folosite pentru orientare (EOR), cât şi amortizarea echipamentului de orientare într-un interval de timp acceptabil. Maximizarea surplusului ΔE–EOR presupune optimizarea curselor unghiulare de orientare, a numărului de paşi şi implicit a programului de orientare, în condiţiile unui control adecvat.
Pentru finalizarea acestei teze de doctorat doresc să mulţumesc, în primul rând, lui Dumnezeu pentru toate cele dobândite pe parcursul perioadei de doctorat. De asemenea doresc să aduc mulţumiri conducătorului de doctorat, pentru sprijinul şi răbdarea cu care m-a îndrumat pe parcursul acestor 3 ani, şi conducerii din departamentul de cercetare D01, pentru baza materială şi oportunitatea de a activa ca membru în echipele unor proiecte din domeniul energiilor regenerabile; nu în ultimul rând aduc mulţumiri membrilor colectivului de cercetare, familiei, colegilor şi prietenilor pentru ajutorul financiar şi moral pe care mi l-au oferit. Precizare referitoare la titlul lucrării de doctorat
În momentul stabilirii titlului tezei, în literatura de specialitate se utiliza noţiunea de panou fotovoltaic; ulterior, noţiunea de panou a fost înlocuită cu cea de modul fotovoltaic. Datorită acestui fapt, în titlu apare noţiunea de panou, în timp ce în text este folosită noţiunea de modul fotovoltaic (PV).
4
2. Asupra stadiului actual al sistemelor fotovoltaice cu orientare pseudo-ecuatorială; obiectivele cercetării
În acest capitol sunt prezentate succint şi analizate critic principalele aspecte,
privind stadiul actual al problematicii referitoare la orientarea pseudo-ecuatorială a sistemelor fotovoltaice; în finalul capitolului sunt formulate obiectivele cercetării pe baza limitelor identificate. 2.1. Problema globală a energiei şi prevederile legislative
referitoare la utilizarea unor noi surse de energie
Cu toate că Soarele reprezintă cea mai importantă sursă de energie pentru omenire, aceasta este exploatată într-o măsură foarte mică, în general contribuţia surselor de energie regenerabile fiind nesemnificativă (Fig. 2.1). Cele mai utilizate surse de energie utilizate în prezent sunt, conform Fig. 2.1, combustibilii fosili (gaz şi cărbune) şi substanţele radioactive. Utilizarea acestora nu ridică doar probleme de mediu ci şi de securitate planetară datorită faptului că sunt disponibile în cantităţi limitate şi doar în anumite părţi ale globului.
Fig. 2.1. Surse de energie electrică la S.C. FDFEE Electrica Transilvania Nord S.A., anul 2008, [81]
Poluarea rezultată în urma consumului excesiv de combustibili fosili şi scăderea cantităţii de resurse energetice primare pe plan mondial determină o creştere continuă a preţurilor acestor resurse şi au dus în ultimii ani la o accentuare a
5
interesului pentru găsirea unor surse de energie neconvenţională şi a condiţiilor optime de exploatare a acestora.
Una din principalele posibilităţi de participare la dezvoltarea domeniului energiilor regenerabile o reprezintă transformarea energiei solare în energie electrică cu ajutorul sistemelor de conversie fotovoltaică. Celulele şi implicit modulele fotovoltaice (alcătuite din joncţiuni p-n de materiale semiconductoare) constituie principalele componente active ale acestor sisteme. Studiul, modelarea, simularea, optimizarea şi testarea sistemelor de orientare pseudo-ecuatorială, destinate creşterii eficienţei modulelor fotovoltaice, constituie obiectivul central al prezentei teze. 2.2. Tipuri şi caracteristici ale soluţiilor constructive existente
Rapoarte recente ale grupurilor de cercetare arată că folosirea sistemelor de orientare poate mări cantitatea de energie obţinută de modulele PV cu 20% până la 50% (Fig. 2.2), în funcţie de anotimp, locaţie şi cantitatea de radiaţie existentă la locul de implementare al sistemului fotovoltaic orientat [1], [42], [50].
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
timp [h]
rad
iaţi
a [
W/m
2]
Fig. 2.2. Exemple de variaţie a radiaţiei directe receptate de un PV: orientat continuu (curba
exterioară), orientat în paşi (curba mediană) şi neorientat (curba interioară)
Din sistematizarea şi analiza mecanismelor de orientare, utilizate pe plan mondial pentru orientarea modulelor fotovoltaice, se desprinde concluzia că un sistem de orientare solară este eficient d.p.d.v. tehnic şi economic doar dacă sunt îndeplinite simultan următoarele trei condiţii:
solicită un consum de resurse materiale relativ uşor de amortizat, d.p.v.d. economic;
poate maximiza radiaţia receptată perpendicular pe modulul fotovoltaic;
consumul energetic pentru orientare este suficient de mic. D.p.v.d. analitic, condiţiile b) şi c) se reduc la maximizarea expresiei:
ΔE – EM, în care ΔE = EO – EF este diferenţa dintre energia oferită de modulul solar orientat (EO) şi cea oferită de acelaşi modul fix (EF), iar EM este energia consumată pentru orientare.
6
În funcţie de modalitatea de acţionare, se deosebesc 2 tipuri de sisteme de orientare:
pasive (fără motoare de acţionare, relativ rar folosite);
active (cu motoare de acţionare).
Sistemele active, spre deosebire de cele pasive, folosesc moto-actuatoare liniare sau rotative, care realizează mişcarea controlată a modulului după una sau două axe de orientare. Un moto-actuator liniar electric conţine uzual un motor electric, un reductor de turaţie cu raport de transmitere ridicat şi un mecanism de tip şurub-piuliţă; spre deosebire de cel liniar, un moto-actuator rotativ foloseşte angrenaje, dintre care cele de tip melcat au o largă utilizare.
Frecvent, actuatorele liniare sunt folosite pentru curse unghiulare relativ reduse, în timp ce actuatoarele rotative sunt destinate curselor unghiulare mari (uzual, peste 180°); deşi realizează curse unghiulare mai mici, moto-actuatoarele liniare sunt preferate faţă de cele rotative, datorită avantajelor tehnice şi economice pe care le oferă.
În raport cu un observator situat pe pământ, într-un punct Q de latitudine φ (Fig. 2.3), pot fi utilizate următoarele 3 sisteme unghiulare de modelare a razei solare şi implicit următoarele 3 tipuri de lanţuri cinematice deschise de orientare (LCDO):
Sistemul: unghi orar ω şi declinaţie δ (Fig. 2.3); acestui sistem îi corespunde un LCDO bimobil ecuatorial sau polar (Fig. 2.6a); acesta este format înseriind: mai întâi rotaţia ω şi apoi declinaţia δ. LCDO ecuatorial are avantajul că unghiul δ poate fi menţinut nemodificat o perioadă relativ lungă de timp. În schimb, ordinea de înseriere induce dificultăţi constructive, care au făcut ca acest sistem să fie mai puţin agreat în tehnică.
Sistemul: unghi sezonier γ≈φ-δ şi unghi diurn β≈ω (Fig. 2.3); acestui sistem îi corespunde LCDO bimobil (pseudo)ecuatorial sau (pseudo)polar (Fig. 2.6b); acesta este format înseriind: mai întâi rotaţia sezonieră γ şi apoi cea zilnică β; practic LCDO pseudo-ecuatorial se obţine din LCDO ecuatorial inversând ordinea de înseriere. Deşi teoretic unghiurile γ şi β au variaţii mari, în tehnică este relativ larg utilizată varianta aproximativă: γ≈φ−δ şi β≈ω; aceasta reduce semnificativ dificultăţile constructive specifice LCDO ecuatorial, păstrând avantajul menţinerii nemodificate a unghiului γ≈φ−δ o perioadă relativ lungă de timp. Cu toate că unghiul β≈ω are un domeniu relativ larg de variaţie, acest LCDO utilizează în multe cazuri actuatoare liniare pentru acţionarea ambelor deplasări unghiulare.
Sistemul unghiular: azimut ψ şi altitudine α (Fig. 2.3); acestui sistem îi corespunde LCDO bimobil azimutal; acesta este format înseriind: mai întâi rotaţia ψ şi apoi α; LCDO derivat din cel azimutal prin inversarea ordinei de înseriere nu are viabilitate. Cele 2 mişcări de orientare (ψ şi α) au gradienţi
7
relativ mari de variaţie; ca urmare, deplasarea modulului solar se realizează uzual prin acţionarea simultana a ambelor mişcări. Deplasarea α, care are un domeniu de variaţie mai redus (0°...90°), este acţionată uzual cu un actuator liniar; în schimb, deplasarea unghiulară ψ (al cărei domeniul de variaţie depăşeşte deseori 180°) este realizată frecvent cu un actuator rotativ. Lanţul cinematic deschis, al unui mecanism de orientare, este uzual format
prin înserierea a 2 cuple de rotaţie; ca urmare, mecanismele de orientare sunt mecanisme bimobile (cu 2 cuple de rotaţie, respectiv 2 axe de orientare). În cazul în care mişcarea dintr-o cuplă este anulată, mecanismul de orientare devine monomobil (cu o axă de orientare). Rezultă astfel prima clasificare a sistemelor de orientare în sisteme monoaxiale şi respectiv biaxiale.
O altă clasificare a sistemelor de orientare se referă la numărul modulelor orientate; din acest punct de vedere se deosebesc sisteme de orientare:
cu module individuale;
de tip platformă (multi-modul);
şiruri de platforme cu orientare monoaxială.
În continuare, deoarece prezenta teză de doctorat este axată pe sistemele de orientare de tip pseudo-ecuatorial, se prezintă succint câteva exemple de acest tip, produse de firme recunoscute pe plan mondial, cu precizarea unor particularităţi specifice şi a valorilor extreme ale deplasărilor unghiulare de orientare (vezi Tabelul 2.1).
Tabelul 2.1 Particularităţi ale sistemelor de orientare pseudo-ecuatorială existente
Nume sistem pseudo-ecuatorial (firma)
Cursa diurnă (E-V)
Cursa elevaţiei
Observaţii suplimentare
DEGER TOPtraker 8.5 ~ 120º − monoaxial
Solenergy ST-2 (160°) 0° - 80° biaxial
Solenergy ST-4, ST-8, ST-12, ST-16 (170°) 0° - 90° biaxial
TetraTrack (Dobon) ±75° (150°) - - precizie: ±1,5°
EtaTrack (Lorentz) ±45° (90°) 0° - 45° - 12 paşi (13 poziţii) / zi pt. mişcarea diurnă
Traxle (Poulek) ±60° (120°) - monoaxial 2.3. Sisteme de stabilire a traiectoriei solare
Punerea în mişcare, respectiv pornirea şi oprirea sistemelor de orientare active se realizează cu ajutorul unor sisteme de comandă/control care monitorizează şi verifică dacă sunt îndeplinite condiţiile pentru modificarea poziţiei unghiulare a sistemului de orientare.
După modalitatea de identificare a poziţiei Soarelui (a punctului cu cea mai mare luminozitate) pe bolta cereasca, sistemele de comandă/control utilizate în orientare pot fi clasificate în:
8
Sisteme cu foto-senzori, capabili să depisteze poziţia Soarelui pe bolta cerească.
Sisteme care funcţionează pe bază de date meteorologice statistice privind poziţia zilnică a Soarelui în decursul unui an [32].
Din punct de vedere al numărului de sisteme de orientare pe care dispozitivul de comanda/control le poate gestiona, se deosebesc:
Sistem de control individual, la care fiecare sistem de orientare este comandat de propriul sistem de control, care gestionează autonom mişcările optime care trebuie realizate în funcţie de condiţiile reale de funcţionare.
Cu sistem de control central – CCU, care poate gestiona parcuri cu până la 100 de sisteme de orientare.
2.4. Mărimi geometrice care descriu poziţia unghiulară a razelor
solare faţă de Pământ În acest subcapitol sunt prezentate aspecte referitoare la parametrii unghiulari
care descriu poziţia Soarelui faţă de Pământ, într-un sistem de referinţă terestru de tip pseudo-ecuatorial şi ecuatorial.
2.4.1. Despre modelarea poziţiei unghiulare a razei solare Eficienţa unui modul fotovoltaic poate fi îmbunătăţită semnificativ dacă
acesta urmăreşte poziţia Soarelui pe cer, astfel încât unghiul de incidenţă dintre raza solară şi normala suprafeţei receptoare să fie teoretic nul sau cât mai mic posibil. Realizarea acestui deziderat presupune o modelare a unghiurilor razelor solare faţă de Pământ, care trebuie să fie, pe de o parte, precisă, simplă şi fără dificultăţi de calcul, iar pe de altă parte trebuie sa fie uşor de interpretat. În literatura de specialitate [23], [40], [51] există mai multe variante de modelare a acestor unghiuri, care folosesc sisteme de referinţă şi relaţii de calcul relativ diferite.
Toate aceste modele descriu poziţia unghiulară a razei solare, în sistemul global (ecuatorial), cu ajutorul a două unghiuri: declinaţia δ şi unghiul orar ω; deşi sunt definite asemănător, relaţiile de calcul folosite sunt diferite.
Declinaţia (Fig. 2.3 şi Fig. 2.4) reprezintă unghiul dintre axa centrelor Pământ - Soare (raza solară) şi planul ecuatorial al Pământului. Acesta variază pe parcursul unui an între –23º45’(iarna) ≤ δ ≤ 23º45’(vara) în funcţie de poziţia Pământului pe traiectoria sa faţă de Soare; valorile extreme corespund zilelor de solstiţiu, iar la echinocţii declinaţia este nulă.
Unghiul orar (Fig. 2.3 şi Fig. 2.5) este unghiul diedru format de planul meridian al observatorului terestru şi planul meridian al razei solare (planul meridian care conţine axa Pământ - Soare); uzual, acest unghi se măsoară în planul ecuatorial.
Pe baza analizei modelelor existente în literatură se recomandă următorul set de relaţii pentru proiectarea sistemelor de orientare de tip ecuatorial şi pseudo-ecuatorial:
9
365
80º360sinº45,23
n; (2.1)
T 12º15 ; (2.2) tantancos 1
,sssr ; (2.3)
unde indicele sr reprezintă răsăritul (cu semn pozitiv) iar indicele ss reprezintă apusul (cu semn negativ).
Fig. 2.3. Unghiurile Pământ - Soare în sistemul ecuatorial
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300 315 330 345 360
numărul zilei din an
de
clin
aţi
a [
grd
]
Fig. 2.4. Variaţia declinaţiei în decursul unui an
-180
-150
-120
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
timp solar [h]
ω [
grd
]
ω răs-sv
ω ap-ech
ω răs-echω răs-si
ω ap-si
ω ap-sv
Fig. 2.5. Variaţia unghiului orar la latitudinea 45°N
Pe baza setului de relaţii stabilit anterior, în teză sunt prezentate, cu ajutorul softului Excel, simulări reprezentative ale variaţiei unghiurilor δ=δ(n) şi ω=ω(T, n) la cele mai importante latitudini din emisfera nordică în cele mai importante zile din an (echinocţii, solstiţiu de vară şi solstiţiu de iarnă) (v. spre exemplu Fig. 2.4 şi Fig. 2.5).
10
2.4.2. Modelarea unghiurilor sistemelor PV cu orientare pseudo-ecuatorială Dacă în sistemul de orientare ecuatorial, unghiurile care modelează
orientarea razei solare sunt: unghiul orar ω (controlat în Fig. 2.6a prin intermediul actuatorului liniar c) şi declinaţia δ (controlată în Fig. 2.6a prin intermediul actuatorului liniar a), în sistemul pseudo-ecuatorial, datorită înserierii în ordine inversă, aceste unghiuri devin: unghiul diurn β (controlat în Fig. 2.6b prin intermediul actuatorului liniar c) şi unghiul de elevaţie γ (controlat în Fig. 2.6b prin intermediul actuatorului liniar a).
Spre deosebire de sistemul de orientare ecuatorial (în care prima mişcare faţă de sol este ω şi cea de-a doua este δ, vezi Fig. 2.6a) la sistemul pseudo-ecuatorial mişcările sunt în ordine inversă (vezi Fig. 2.6b şi Fig. 2.7); astfel prima mişcare faţă de sol este γ (care depinde de δ), iar cea de-a doua este β (care depinde de ω).
Din motive economice şi constructive, în practică sunt preferate sistemele pseudo-ecuatoriale, care reprezintă şi obiectul de studiu al prezentei teze de doctorat.
a) b)
Fig. 2.6. a) Sistem cu orientare ecuatorială; b) Sistem cu orientare pseudo-ecuatorială;
Considerând unghiurile ω şi δ ca mărimi primare de calcul, în continuare se determină, cu ajutorul Fig. 2.7 şi Fig. 2.8, expresiile exacte ale unghiurilor β şi γ ale razei solare în sistemul local (pseudo-ecuatorial) QX0Y0Z0 (exprimate în funcţie de δ, ω şi φ):
)sin(cossin 1 ; (2.4)
cos
cossinsincoscossin 1 . (2.5)
Expresii asemănătoare se obţin pentru unghiurile β* şi γ* (ale normalei la modul PV), în premisa că unghiurile razei solare ω şi δ sunt aproximate discret prin valorile ω* şi δ*.
Variaţiile unghiurilor pseudo-ecuatoriale, stabilite mai sus, sunt prezentate în teză cu ajutorul unor diagrame asemănătoare cu cea din Fig. 2.9 (latitudinea 45ºN)
11
pentru cele mai importante latitudini din emisfera nordică, în cele mai importante zile din an (echinocţii, solstiţiu de vară şi solstiţiu de iarnă). Analizând diagramele obţinute se observă că prin utilizarea orientării bi-axiale pseudo-ecuatoriale, în locul celei ecuatoriale, se obţine o reducere semnificativă a cursei unghiulare diurne. Acest avantaj este însă însoţit de dezavantajul creşterii cursei unghiulare în mişcarea de elevaţie (cu precădere, în zori şi în amurgul zilelor din vecinătatea solstiţiului de vară); conform testărilor efectuate, consecinţele acestui dezavantaj sunt net mai reduse, în raport cu avantajul menţionat.
Z2=normala la modulul PV
Fig. 2.7. Schema cinematică a unui sistem de orientare pseudo-ecuatorial cu două axe
Fig. 2.8. Poziţia relativă a sistemului de
referinţă global (al Pământului) OXYZ şi a celui local (al observatorului) QX0Y0Z0)
-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-10
0102030405060708090
100110120
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
oră solară [h]
un
ghiu
ri s
ola
re [g
rd]
ω δ β γ
-90
-80-70
-60-50
-40-30
-20-10
0
1020
3040
5060
7080
90
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
oră solară [h]
un
ghiu
ri s
ola
re [g
rd]
ω δ β γ a) b)
-90
-80-70
-60-50
-40-30
-20-10
0
1020
3040
5060
7080
90
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
oră solară [h]
un
gh
iuri
so
lare
[grd
]
ω δ β γ c)
Fig. 2.9. Variaţia unghiurilor razei solare (ω, δ) şi a unghiurilor pseudo-ecuatoriale (β, γ), la latitudinea 45º, în timpul: a) solstiţiului de vară; b) echinocţiului; c) solstiţiului de iarnă
12
2.4.3. Unghiul de incidenţă rază solară – modul PV şi influenţa acestuia asupra radiaţiei solare directe receptate normal de modulul PV Funcţia principală a unui sistem de orientare solară îl reprezintă maximizarea
radiaţiei receptate normal pe suprafaţa modulului PV, prin minimizarea adecvată a unghiului de incidenţă dintre versorul razei solare şi normala la modul.
În continuare se modelează unghiul de incidenţă dintre raza solară şi normala la un modul PV cu orientare pseudo-ecuatorială şi se analizează influenţa acestuia asupra cantităţii de radiaţie solară directă receptată normal de modul, comparativ cu două sisteme fotovoltaice fixe (orizontal şi înclinat); analiza comparativă se efectuează pentru zile considerate reprezentative dintr-un an (solstiţiile de iarnă şi vară, echinocţiile de primăvară şi toamnă).
a)
b) c)
Fig. 2.10. Schemele de calcul pentru: a) un modul PV orientat după două axe, b) un modul PV fix orizontal; c) un modul PV fix înclinat φ−δ faţă de axa zenitului
Relaţiile de calcul pentru cosinusul unghiului de incidenţă (2.6), (2.7), (2.8), din cele trei situaţii de amplasare a modulului PV:
*sinsin*)cos(coscoscos *. eqpPV ; (2.6)
coscoscos horizfixPV ; (2.7)
)cos(coscos)sin(sincoscos înclfixPV . (2.8)
Pe baza relaţiilor stabilite anterior, s-au efectuat simulări numerice, cu ajutorul softului Excel, la latitudinea 45,6°N (Braşov, România), pentru solstiţiul de vară, de iarnă şi echinocţii.
Deplasarea unghiulară β*≈ω* a modulului PV fiind discontinuă (în paşi), aceasta aproximează în trepte variaţia unghiului orar al Soarelui (ω); fiecare treaptă
13
corespunde unui pas compus din 0,02h (1min) mişcare şi 0,98h (59min) staţionare. În Fig. 2.11 sunt prezentate variaţiile unghiurilor de incidenţă în cazurile:
modulului PV orientat, modulului PV fix înclinat la unghiul φ−δ faţă de zenit (v. Fig. 2.10c) şi modul PV fix orizontal; aceste diagrame permit analiza comparativă între cele trei tipuri de module şi evidenţiază efectul de optimizare al orientării pseudo-ecuatoriale asupra unghiului de incidenţă, în toate zilele de testare considerate.
Din analiza diagramelor reprezentate în Fig. 2.11 se pot extrage următoarele concluzii utile pentru designul sistemului de orientare:
variaţiile unghiurilor de incidenţă în cazul ambelor module fixe sunt relativ asemănătoare;
din comparaţia dintre modulul fotovoltaic orientat şi cele fixe, reiese în mod evident că valorile unghiului de incidenţă realizate de sistemul orientat sunt net mai reduse, ceea ce însemnă că orientarea pseudo-ecuatorială este eficientă şi se pretează utilizării în practică;
în varianta aproximativă (γ*≈φ−δ), pe parcursul unei zile sistemul de orientare pseudo-ecuatorială deplasează modulul PV după o singură axă, obţinând unghiuri de incidenţă reduse mai ales în jurul amiezii; îmbunătăţiri semnificative pot fi aduse sistemului dacă se măreşte numărul paşilor dimineaţa şi seara.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
timp solar [h]
[grd
]
ν-sv
ν-sv fix oriz.
ν-sv fix înclinat
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
timp solar [h]
[grd
]
ν-ech
ν-ech fix înclinat
ν-ech fix oriz.
a) b)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
timp solar [h]
[grd
]
ν-si fix înclinat
ν-si
ν-si fix oriz.
c)
Fig. 2.11. Variaţiile unghiului de incidenţă la latitudinea φ=45,6°N pentru trei cazuri: modul PV cu orientare pseudo-ecuatorială, modul fix orizontal şi modul fix înclinat în timpul a) solstiţiului de
vară (ziua n=172 / 21 iunie, δ=+23,45°;) b) echinocţiilor (ziua n=79 / 20 martie şi n=266 / 23 septembrie, δ=0°); c) solstiţiului de iarnă (ziua n=355 / 21 decembrie, δ= –23,45°)
14
2.5. Factori meteorologici care influenţează răspunsul energetic al sistemelor fotovoltaice cu orientare pseudo-ecuatorială
2.5.1. Înregistrarea parametrilor meteorologici Pentru colectarea şi prelucrarea datelor meteo, Centrul de Design de Produs
pentru Dezvoltare Durabilă, al Universităţii Transilvania din Braşov, în cadrul căruia s-a realizat prezenta teză, dispune de o staţie meteorologică proprie de tip Delta-T Weather Station. Această staţie este un sistem complet de mijloace pentru măsurători şi înregistrări automatizate ale următorilor parametrii meteorologici: temperatura aerului, cantitatea de precipitaţii, umiditatea relativă, radiaţia solară, viteza şi direcţia vântului.
Datele meteorologice specifice locaţiei Braşov, în care s-a implementat sistemul de orientare pseudo-ecuatorială, joacă un rol important în designul acestuia precum şi în sinteza programelor de orientare discretă, care intervin în programarea sistemului de comanda/control al celor două actuatoare folosite pentru acţionare.
2.5.2. Radiaţia solară Cantitatea de energie solară este dependentă de locaţie (în principal prin
latitudine), sezon şi momentul (ora) zilei şi conţine două componente principale: radiaţia directă (provenită de la Soare sub formă de fascicul paralel de raze) şi radiaţia difuză (provenită din cea directă, printr-un proces complex de împrăştiere, la interacţiunea cu particulele din atmosfera terestră); suma celor 2 componente principale desemnează radiaţia globală.
Pentru a estima, într-o anumită locaţie, efectul de reducere a radiaţiei solare directe, datorită procesului de împrăştiere în atmosfera terestră (considerată fără nori), se utilizează aşa numitul factor de turbiditate Linke (TR), care este prezentat în paragraful următor.
2.5.3. Factorul de turbiditate şi influenţa acestuia asupra răspunsului energetic al sistemelor fotovoltaice cu orientare pseudo-ecuatorială Pentru descrierea radiaţiei solare directe terestre, care reprezintă componenta
cea mai importantă pentru orientarea modulelor PV, s-a folosit un model simplificat, utilizat de Kleemann & Meliss [33], descris prin relaţia :
sin4,99,0
exp RoD
TGG ; (2.9)
unde:
)coscoscossin(sinsin 1 [grd]; – altitudinea Soarelui (2.10) )cos0334,01( xGG oo [W/m2]; – radiaţia extraterestră; (2.11)
oo Nx 72,29856,0 ; N – numărul zilei din an; φ – latitudinea;
15
1367oG W/m2 (constanta solară);
TR [1/m] – factorul de turbiditate (care descrie gradul de extincţie al radiaţiei directe datorat dispersiei luminii in atmosfera terestra, in premisa cerului senin);
Prin „inversarea” acestui model, se determină factorul de turbiditate TR pentru zona Braşov, folosind datele meteo înregistrate pe parcursul a trei ani calendaristici (2006-2008); stabilirea factorului TR reprezintă primul pas în abordarea design-ului şi optimizării unui sistem fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială, în funcţie de zona de implementare.
sin4,99,0ln
o
DR G
GT . (2.12)
Pentru determinarea valorilor lunare medii ale factorului de turbiditate pentru zona Braşov, cu ajutorul relaţiei (2.12), ţinând seama şi de unele recomandări din literatura de specialitate [8], [9], [21], [99], [102] şi [103], s-a propus şi utilizat un algoritm, prin utilizarea căruia s-a obţinut variaţia estimativă a factorului de turbiditate pentru zona Braşov, reprezentată în Fig. 2.12.
3,1
3,2
3,3
3,4
3,5
3,6
3,7
3,8
3,9
4
4,1
4,2
4,3
4,4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Luna
Fa
co
tru
l de
tu
rbid
ita
te T
R la
Braş
ov
Fig. 2.12. Variaţia estimativă a factorului de turbiditate pentru zona Braşov
2.6. Concluzii şi contribuţii
Concluzii:
a) radiaţia solară care ajunge la atmosfera Pământului sub forma de radiaţie directă poate fi modelată printr-un fascicul de raze paralele cu dreapta care uneşte centrele celor două astre;
b) în atmosfera Pământului, radiaţia solară se descompune în două componente principale: radiaţia directă şi radiaţia difuză; diminuarea radiaţiei directe în atmosfera terestră, considerată fără nori, este modelată cu ajutorul factorului de turbiditate, ale cărui valori depind de particularităţile meteo ale zonei geografice considerate;
16
c) valorile factorului de turbiditate rezultate pentru locaţia Braşov, confirmă posibilitatea implementării de sisteme fotovoltaice cu orientare controlată în această zonă;
d) setul unitar de relaţii propus pentru modelarea unghiurilor razei solare asigură completarea bazei de date necesară pentru designul optimal al sistemelor fotovoltaice cu orientare pseudo-ecuatorială;
e) studiile comparative, referitoare la radiaţia directă receptată normal de module PV cu orientare fixă şi controlată, au evidenţiat faptul că orientarea modulelor este utilă deoarece aduce un surplus semnificativ de radiaţie directă receptată normal de suprafaţa modulului fotovoltaic.
Contribuţii:
1) sistematizarea informaţiilor semnificative referitoare la sistemele PV cu orientare controlată de tip ecuatorial / pseudo-ecuatorial;
2) realizarea parţii software care asigură autonomia şi corecta funcţionare a staţiei meteorologice, precum şi automatizarea descărcării datelor înregistrate ;
3) stabilirea principalilor parametrii care influenţează aportul energetic, designul şi optimizarea unui sistem fotovoltaic cu orientare controlată;
4) sistematizarea informaţiilor referitoare la radiaţia solară;
5) participare la prelucrarea înregistrărilor de la staţia meteorologică, urmată de algoritmizarea şi stabilirea valorilor medii lunare estimative ale factorului de turbiditate pentru zona Braşov, România.
6) participarea la rafinarea unui set de relaţii unitar pentru calculul unghiurilor razelor solare dintr-un sistem fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială;
7) modelarea analitică a unghiului de incidenţă dintre raza solară şi normala la un modul PV cu orientare pseudo-ecuatorială; realizarea de simulări privind radiaţia receptată de un astfel de modul orientat, comparativ cu 2 module fixe (orizontal şi respectiv înclinat).
2.7. Obiectivele cercetării
Obiectivul central al cercetării, se referă la creşterea eficienţei energetice a
unui sistem fotovoltaic individual prin optimizarea orientării pseudo-ecuatoriale biaxiale a acestuia şi este îndeplinit prin formularea şi rezolvarea următoarelor obiective de lucru, identificate pe baza analizei critice a stadiului actual:
1. caracterizarea sistemelor de orientare de tip ecuatorial şi justificarea utilizării trackerelor de tip pseudo-ecuatorial;
17
2. sistematizarea şi modelarea unghiurilor formate de o rază solară în triedre terestre de tip ecuatorial şi respectiv pseudo-ecuatorial;
3. sinteza şi designul unor mecanisme de orientare pseudo-ecuatorială pentru maximizarea radiaţiei directe receptate normal de un modul fotovoltaic;
4. analiza performanţelor soluţiei stabilite cu ajutorul softurilor moderne;
5. studiul şi proiectarea unor programe optimale de orientare pseudo-ecuatorială, destinate programării sistemului de comandă/control aferent modulului PV cu orientare controlată;
6. realizarea unui demonstrator fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială biaxială, a unui demonstrator fotovoltaic de referinţă (fix şi înclinat) şi integrarea acestora în mediul construit;
7. analiza răspunsului energetic al unui sistem fotovoltaic cu orientarea pseudo-ecuatorială în funcţie de latitudine;
8. stabilirea programului de testare a demonstratoarelor, monitorizarea înregistrarea şi prelucrarea datelor experimentale;
9. analiza rezultatelor experimentale oferite de demonstratorul cu orientare pseudo-ecuatorială comparativ: cu rezultatele teoretice, pe de o parte, şi cu rezultatele demonstratorului fix, pe de altă parte.
18
3. Design-ul unui demonstrator fotovoltaic individual cu orientare pseudo-ecuatorială, implementat în zona Braşov
În urma concluziilor stabilite în capitolul anterior, se stabileşte o soluţie conceptuală optimă pentru zona Braşov / România, din punct de vedere constructiv şi economic; pentru soluţia decelată, se prezintă apoi designul constructiv, urmat de analiza răspunsului dinamic şi în radiaţie al demonstratorului propus.
3.1. Design-ul conceptual al demonstratorului fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială biaxială
Din motive tehnice şi economice, pentru orientarea pseudo-ecuatorială eficientă a unui demonstrator fotovoltaic individual s-a decelat soluţia de acţionare cu actuatoare electrice liniare.
În condiţiile zonei Braşov (45,6ºN), pentru cursele unghiulare ale unui sistem de orientare pseudo-ecuatorială sunt posibile două soluţii de principiu: a) se folosesc mecanisme de orientare bicontur (obţinute prin înserierea unui
mecanism triunghiular, de tipul celui din Fig. 3.1b, cu un mecanism patrulater amplificator);
b) se utilizează mecanisme de orientare monocontur (Fig. 3.1b), în condiţiile unor curse unghiulare mai reduse, faţă de cele ale razei solare; evident, această soluţie devine acceptabilă, numai dacă reducerea curselor unghiulare nu afectează semnificativ aportul energetic al sistemului fotovoltaic orientat. Rezultatele simulărilor numerice, prezentate în continuare, confirmă viabilitatea soluţiei b), care va fi dezvoltată mai departe.
0
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Unghi de presiune β [deg]
Fac
tor
de
amp
lifi
care
(1/
cos(β
))
a) b)
Fig. 3.1. a) Variaţia factorului de amplificare în funcţie de unghiul de presiune; b) Schema moto-mecanismului triunghiular cu actuator liniar
Pentru exemplificare, în Fig. 3.2, sunt ilustrate grafic rezultatele unor simulări numerice privind: variaţiile unghiurilor γ, γ*, β şi β* (curbele a1, a2; b1, b2 şi c1, c2), ale unghiurilor de incidenţă (curbele a, b şi c) şi variaţiile radiaţiei directe receptate
B
BiBf
A
B
C
Bf Bi
F
Fa
T
Bi Bf
19
normal de trei module PV cu orientare pseudo-ecuatorială, un modul PV fix-orizontal (f-h) şi unul fix-înclinat (f-t); simulările sunt efectuate pentru latitudinea de 45,6°N (Braşov), în timpul solstiţiilor de vară şi iarnă şi a unui echinocţiu [17].
a) b)
c)
Fig. 3.2. a) Variaţiile unghiulare continue [grd] (curbele a1 şi a2) şi variaţiile unghiulare discontinue [grd] / în paşi (curbele b1, b2 şi c1, c2) în funcţie de oră [h], realizate de cele 3 sisteme cu orientare pseudo-ecuatorială, în timpul solstiţiului de vară la latitudinea 45,6°N;
b) variaţiile unghiurilor de incidenţă [grd] corespunzătoare celor 3+2 module PV (curbele a, b, c; f-h şi f-t) în funcţie de oră [h]; c) variaţia radiaţiei solare directe [W/m2] receptate normal de cele
3+2 module PV (curbele a, b, c; f-h şi f-t) în funcţie de oră [h]
Din analiza acestor diagrame şi a celor asemănătoare din timpul echinocţiilor şi solstiţiului de iarnă, se deprinde o concluzie deosebit de importantă pentru design-ul sistemelor de orientare pseudo-ecuatorială şi anume: receptarea unei radiaţii directe, apropiate de cea disponibilă, nu necesită urmărirea fidelă a curselor unghiulare ale razei solare şi nici utilizarea unui număr foarte mare de paşi!
În concluzie, în continuare, ambele mişcări ale sistemului de orientare pseudo-ecuatorială pot fi controlate prin mecanisme triunghiulare cu actuatoare liniare, având următoarele curse unghiulare: pentru mişcarea diurnă β*=–64º…+64º şi pentru mişcarea de elevaţie (sezonieră) γ*=–15º…+68º; în conformitate cu Fig. 3.3, în care sunt reprezentate schemele soluţiilor conceptuale, punctul de articulaţie al fiecărui actuator cu baza se alege pe dreapta BiBf pentru a asigura egalizarea unghiurilor de presiune maxime care intervin la capetele de cursă Bi şi Bf.
20
ABiBf = actuator
BiBf = cursa
actuator
OBi = OBf = OB
a) b) Fig. 3.3. Schemele conceptuale ale mecanismelor de orientare pseudo-ecuatorială pentru:
a) mişcarea de elevaţie; b) mişcarea diurnă
3.2. Design-ul constructiv şi prototiparea demonstratorului fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială biaxială
Pe baza schemelor conceptuale ale mecanismelor care asigură orientarea sistemului pseudo-ecuatorial (Fig. 3.3) s-a efectuat design-ul constructiv al acestora. Designul constructiv propriu-zis este precedat de stabilirea momentelor de încărcare datorate vântului şi precipitaţiilor; pe baza acestor momente se dimensionează braţul OB (r1 şi r2), coordonatele punctului de articulaţie A şi se stabileşte actuatorul potrivit pentru fiecare din cele 2 mecanisme de orientare.
Pe baza datelor meteo ale zonei Braşov, s-au considerat:
viteza extremă a vântului 30m/s (108km/h); la această viteză sistemul trebuie să reziste cu motoarele în repaus şi este considerat regim static;
viteza maximă a vântului la care actuatoarele funcţionează 16m/s (57,6km/h); acest regim este considerat regim dinamic de funcţionare.
Consultând prospectele actuatoarelor electrice liniare realizate de firma MecVel s-au identificat următoarele actuatoare optime cu dimensiunile aferente acestora:
diurn: MecVel L02 M06 S3-30%: Fst_act. = Fdin_act. = 1800N, cursa 300mm;
elevaţie: MecVel L02 M06 S3-30%: Fst_act. = Fdin_act. = 1800N, cursa 200mm.
Pe baza datelor obţinute, în Fig. 3.4 s-au reprezentat la scară schemele mecanismelor de orientare; din acestea se identifică coordonatele punctelor de articulaţie (A şi B) ale fiecărui actuator cu elementele adiacente.
21
a) b)
Fig. 3.4. Schemele cinematice ale mecanismelor de orientare pseudo-ecuatorială pentru: a) mişcarea de elevaţie; b) mişcarea diurnă
3.3. Concluzii şi contribuţii
Concluzii:
a) reducerea adecvată a curselor unghiulare, specifice sistemului de orientare pseudo-ecuatorială, diminuează nesemnificativ (sub 5%) radiaţia solară directă receptată de un modul fotovoltaic orientat; în schimb devine posibilă acţionarea ambelor mişcări de orientare cu câte un mecanism triunghiular cu o latură deformabilă materializată de un actuator liniar;
b) dacă, se doreşte ca mecanismul de orientare să acopere întreaga gamă de variaţie a unghiurilor (β, γ), se recomandă utilizarea fie a unui mecanism bicontur cu actuator liniar (soluţie economică, dar cu curse unghiulare mai reduse), fie a unui actuator rotativ cu raport mare de transmitere (soluţie mai puţin economică, dar cu curse unghiulare mari);
c) în orientarea pseudo-ecuatorială a unui modul fotovoltaic, receptarea unei radiaţii directe apropiate de cea disponibilă nu necesită utilizarea unui număr mare de paşi.
Contribuţii:
1) analiza influenţei unghiului de presiune asupra curselor unghiulare maxime pe care le poate efectua un mecanism triunghiular utilizabil într-un sistem de orientare;
2) analiza influenţei unor curse unghiulare reduse asupra cantităţii de energie solară directă receptată de un modul fotovoltaic orientat;
3) design-ul şi prototiparea unui demonstrator fotovoltaic individual cu orientare biaxială pseudo-ecuatorială.
22
4. Proiectarea programului optim anual de orientare pseudo-ecuatorială
Pe baza concluziilor reieşite din capitolul precedent, problema poate fi formulată astfel: cunoscând particularităţile meteo ale zonei de implementare şi caracteristicile tehnice ale demonstratorului realizat, se cere să se stabilească un program de orientare, care să asigure: a) orientarea pseudo-ecuatorială biaxială a sistemului PV pe parcursul întregului an;
b) o eficienţă de orientare η≥98% pe întreg parcursul anului şi
c) realizarea, prin orientare, a unui surplus energetic (în raport cu sistemul considerat fix) astfel încât resursele energetice şi tehnico-economice consumate pentru orientare, să fie amortizate într-un interval de timp rezonabil.
4.1. Influenţa variaţiei factorului de turbiditate asupra eficienţei de orientare
În stabilirea programelor optime de orientare pseudo-ecuatorială intervine o mărime energetică comparativă importantă, denumită eficienţa de orientare, care constituie principala performanţă a sistemului de orientare; această mărime este definită ca raport între energia radiaţiei care cade normal pe modulul fotovoltaic şi energia radiaţiei disponibile. În continuare se analizează influenţa variaţiei factorului de turbiditate asupra acestei mărimi, considerând numai radiaţia solară directă, în premisa cerului senin. Cu acest scop, s-au efectuat o serie de simulări numerice, dintre care sunt exemplificate grafic rezultate, referitoare la radiaţia directă corespunzătoare valorilor TR=2; 5; 8, obţinute la latitudinea φ=45,6º în timpul solstiţiului de vară, în premisa că TR=2, ..., 8, pentru trei sisteme PV: un sistem fix înclinat la 35º faţă de orizontală, un sistem monoaxial cu orientare diurnă în 2 paşi şi un sistem biaxial cu orientare în paşi după ambele axe (Fig. 4.1).
-90,000
-80,000
-70,000
-60,000
-50,000
-40,000
-30,000
-20,000
-10,000
0,000
10,000
20,000
30,000
40,000
50,000
60,000
70,000
80,000
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
β γ β*1 γ*1
0
200
400
600
800
1000
1200
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
timp solar [h]
rad
iaţi
e d
irec
tă [
W/m
2]
R.dir.disp.Tr=2 R.dir.disp.Tr=5 R.dir.disp.Tr=8
R.dir.PV-Tr=2 R.dir.PV-Tr=5 R.dir.PV-Tr=8
a) b)
Fig. 4.1. Influenţa factorului de turbiditate: a) variaţiile unghiulare ale razei solare şi ale unui modul PV cu orientare biaxială; b) variaţia radiaţiei solare directe disponibile şi receptate de modulul
orientat, pentru TR=2; 5; 8
23
Simulările numerice efectuate au permis trasarea variaţiei eficienţei de orientare (Fig. 4.2), pentru cele trei sisteme fotovoltaice considerate, în funcţie de factorul de turbiditate; din analiza diagramei Fig. 4.2, se poate trage următoarea concluzie: pentru eficienţe de orientare superioare (peste 86-90%), influenţa variaţiei factorului de turbiditate devine practic nesemnificativă (v. Fig. 4.2); aceasta însemnă că valorile estimate al factorului de turbiditate din zona Braşov, nu influenţează practic mărimile relative determinate în continuare.
0,6
0,64
0,68
0,72
0,76
0,8
0,84
0,88
0,92
0,96
1
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8
Fact. de turbiditate Tr
Efi
cien
ta d
e o
rien
tare
modul PV fix înclinat modul PV or. monoaxial modul PV or. biaxial
Fig. 4.2. Influenţa factorului de turbiditate asupra eficienţei de orientare a trei sisteme fotovoltaice
distincte: fix înclinat, cu orientare monoaxială, cu orientare biaxială 4.2. Analiza aportului energetic relativ al paşilor succesivi dintr-
un program de orientare pseudo-ecuatorială
Stabilirea programului anual de funcţionare a sistemului de orientare pseudo-ecuatorială presupune de fapt minimizarea a doi parametrii: numărul paşilor diurni β* şi a numărului paşilor de elevaţie (sezonieri) γ*, pe care îi efectuează sistemul. În acest subcapitol a fost prezentată optimizarea paşilor diurni β*, în premisa că unghiul de elevaţie γ* este constant; evidenţierea aportului energetic relativ al paşilor, se realizează considerând, succesiv, că programul de orientare are 0, 1, 2, 3, 4 şi respectiv 6 paşi optimi.
Pe baza relaţiilor prezentate în capitolele anterioare, referitoare la unghiul de incidenţă [40] şi la radiaţia solară directă disponibilă într-o anumită locaţie [39[], au fost realizate simulări numerice în care s-au considerat următoarele date de intrare: a) solstiţiu de vară (21 iunie, adică ziua N=172); b) latitudinea φ=45,6°N, corespunzătoare zonei Braşov / România; c) unghiul sezonier γ*=25º; d) factorul de turbiditate TR=4,2; e) cer fără nori.
Aceste simulări au fost sistematizate cantitativ în Fig. 4.3; prima coloană, de culoare închisă, prezintă valorile eficienţei energetice ale sistemului de orientare pseudo-ecuatorială, corespunzătoare programelor optime de orientare cu 0, 1, 2, 3,
24
4, 6 şi ∞ paşi, iar cea de-a doua coloană, mai deschisă la culoare, diferenţa dintre acestea şi eficienţa realizată de sistemul fix înclinat (cazul cu 0 paşi).
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
0 paşi 1 paşi 2 paşi 3 paşi 4 paşi 6 paşi ∞ paşi
număr de paşi
pro
cen
te [
%]
Fig. 4.3. Analiza comparativa a contribuţiilor energetice aduse de diverse
numere de paşi în cazul orientării pseudo-ecuatoriale
Se desprind următoarele concluzii, privind numărul optim de paşi: a) aportul energetic major este adus de primii paşi; aşadar, contribuţia energetică a
unui pas scade odată cu numărul de ordine al acestuia; b) numărul par de paşi este de preferat (faţă de cel impar), deoarece, în intervalul
din vecinătatea amiezii, sistemul cu număr par de paşi aduce un aport energetic mai mare, comportându-se (în această vecinătate) ca un sistem fix înclinat;
c) pentru determinarea numărului optim de paşi al unei zile, este necesar să se modeleze eficienţa energetică a sistemului de orientare pseudo-ecuatorială pentru un număr suficient de mare de paşi astfel,
d) pe baza optimizării programelor zilnice de orientare, se poate trece la optimizarea programelor sezoniere de orientare, prin a căror asamblare urmează să se obţină programul anual optim de orientare.
4.3. Analiza comparativă a contribuţiilor energetice aduse de mişcările de orientare pseudo-ecuatorială (mişcarea diurnă şi mişcarea de elevaţie)
În acest subcapitol se determină ponderea cu care fiecare mişcare participă la energia solară directă receptată de un modul montat pe sistemul de orientare biaxial propus. Aceasta a fost modelată prin aportul energetic mediu zilnic obţinut pentru un grad de orientare diurnă şi, respectiv, prin aportul energetic mediu zilnic obţinut pentru un grad de orientare pe elevaţie; pentru aceste mărimi s-a utilizat în continuarea denumirea de aport energetic zilnic unghiular.
Aportul energetic zilnic unghiular al fiecărei mişcări de orientare (Aβ* şi respectiv Aγ*) a fost determinat ca raport între surplusul zilnic de energie obţinut
25
prin orientare după axa considerată (ΔEβ*=Eβ*–Efix şi respectiv ΔEγ*=Eγ*–Efix) şi cursa unghiulară corespunzătoare acesteia (Δβ* şi respectiv Δγ*):
**
***
fixEEEA ;
****
*
fixEEE
A . (4.1)
Au fost efectuate simulări pentru determinarea influenţei mişcării diurne (β*) şi de elevaţie (sezoniere, γ*) a căror rezultate numerice sunt sistematizate în Tabelul 4.1; analiza comparativă a rezultatelor obţinute permite formularea următoarelor concluzii: a) comparând aportul energetic zilnic unghiular al mişcării diurne cu cel al mişcării
de elevaţie rezultă că mişcarea diurnă are o influenţă net superioară asupra eficienţei sistemului de orientare, faţă de mişcarea de elevaţie;
b) din analiza aportului energetic zilnic unghiular al mişcării diurne, obţinut în cele patru zile relevante din an, se poate observa că mişcarea diurnă este deosebit de eficientă mai ales în sezoanele de primăvară (11,653Wh/grd) – vară (27,894Wh/grd) – toamnă (11,991Wh/grd), în timp ce în sezonul de iarnă aportul orientării diurne scade până la 3,625Wh/grd. Drept urmare, la alegerea programului optim de orientare în perioada de iarnă, se va utiliza un număr de paşi diurni mai mic decât în restul anului, deoarece aportul orientării diurne obţinut în această perioadă este de 7,69 ori mai mic decât vara; un alt motiv care justifică un număr redus de paşi diurni pe perioada iernii este şi faptul că numărul zilelor cu cer senin este foarte redus în această perioadă.
Tabelul 4.1 Aportul energetic zilnic unghiular
Ziua Echinocţiu de
Primăvară Solstiţiu de
Vară Echinocţiu de
Toamnă Solstiţiu de Iarnă
Energia receptată de modulul fix (Efix) [Wh/m2]
6170,05 7178,67 6170,05 3392,60
Surplusul de energie obţinut prin orientarea după axa diurnă (ΔEβ*) [Wh/m2]
2097,62 3088,75 2158,44 381,45
Cursa unghiulară zilnică (Δβ*) [grd]
180,00 110,73 180,00 105,22
Aportul energetic zilnic unghiular al mişcării diurne β* (Aβ*) [Wh/m2/grd]
11,653 27,894 11,991 3,625
Surplusul de energie obţinut prin orientarea după axa elevaţie (ΔEγ*) [Wh/m2]
0 600,94 0 10,40
Cursa unghiulară de elevaţie (Δγ*) [grd]
~1 112,11 ~1 17,49
Aportul energetic zilnic unghiular al mişcării de elevaţie γ* (Aγ*) [Wh/m2/grd]
0 5,360 0 0,594
26
4.4. Despre divizarea anului în sezoane cu sub-programe fixe de orientare pseudo-ecuatorială
Până acum s-a avut în vedere numai obţinerea unor programe zilnice de orientare. Pentru a simplifica programul de control anual devine necesară divizarea anului în sezoane1, cu utilizarea unui program fix de orientare pentru fiecare sezon în parte. Stabilirea acestui program se va efectua astfel încât eficienţa orientării să nu scadă sub o valoare limită de cca. 98%.
În acest subcapitol se exemplifică problema generală a delimitării unui sezon, pe baza eficienţei de orientare impusă. Practic, problema se reduce la determinarea diferenţei Δδmax=δ–δ*sezon maxim admisibilă pentru fiecare sezon (în care, poziţia pe elevaţie a modulului PV, δ*sezon, rămâne neschimbată); pe baza diferenţei Δδmax se determină apoi numărul de zile al sezonului considerat. Ţinând seama de acest exemplu, în subcapitolul 4.5 se realizează divizarea completă a anului în sezoane şi se stabileşte programul propriu-zis de orientare.
96.5
97
97.5
98
98.5
99
99.5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Δδ - diferenţă declinaţie [grd]
efic
ienţă
[%
]
4paş i 6paş i 8paş i eficienţă limită
Fig. 4.4. Eficienţa sistemului de orientare pseudo-ecuatorială pentru intervale de zile simetrice faţă de echinocţiul de primăvară în cazul utilizării a 4 ,6 şi 8 paşi diurni
Pentru exemplificare, s-a considerat sezonul centrat pe ziua N=88 (v. Fig. 4.5); pentru simulările numerice, în jurul acestei zile s-au considerat intervale Δδ de cca. kx1,6º(k=1, 2, 3, …) şi p=4, 6 şi 8 paşi diurni; s-a determinat eficienţa de orientare pseudo-ecuatorială, în zilele extreme ale acestor intervale, considerând elevaţia fixă la valoarea γ*=45,6º–3º=42,6º şi p=4, 6 şi 8 paşi diurni. Rezultatele simulărilor efectuate pentru exemplul considerat, sunt sistematizate grafic în Fig. 4.4; din analiza acesteia rezultă că valoarea limită admisă pentru eficienţa de orientare este atinsă în cazul: 1) p=6paşi, pentru Δδ≈11º, ceea ce înseamnă un sezon cu ΔN≈100–73=27zile; 2) p=8paşi, pentru Δδ≈13º, ceea ce înseamnă un sezon cu ΔN≈104–71=33zile.
1
conform dicţionarului DEXonline definiţia sezonului este: perioadă a anului caracterizată prin apariţia anumitor fenomene sau printr-o intensă activitate în unele domenii
27
Se consideră că numărul optim de paşi este numărul pentru care raportul Δδ/p este maxim; deci, în acest caz: p=6 paşi (11/6=1,83 > 13/8=1,625).
4.5. Stabilirea programului anual optim de orientare pseudo-ecuatorială cu ajutorul softului MatLab
Divizarea anului şi stabilirea programului optim de orientare se bazează pe următoarele precizări desprinse din concluziile anterioare: 1. aportul energetic, adus de un pas zilnic de orientare, scade cu creşterea
numărului de ordine al pasului; ca urmare, din acest punct de vedere, mărirea excesivă a numărului de paşi nu se justifică;
2. în condiţii echivalente, aportul energetic mediu zilnic obţinut pentru un grad de orientare diurnă este net superior aportului energetic mediu zilnic obţinut pentru un grad de orientare pe elevaţie; ca urmare, numărul paşilor zilnici pe elevaţie va fi net mai redus;
3. programul anual optim de orientare pseudo-ecuatorială, implementat în sistemul de comanda/control, poate fi conceput ca un ansamblu de sub-programe sezoniere fixe (fiecare sub-program sezonier fix rămâne nemodificat în toate zilele sezonului considerat); ca urmare, devine necesară împărţirea anului în sezoane astfel încât, în zilele fiecărui sezon, eficienţa sistemului de orientare pseudo-ecuatorială să nu coboare sub o valoare impusă (v. subcap. 4.4);
4. în demersurile estimative, care intervin în elaborarea programului anual optim de orientare pseudo-ecuatorială, se utilizează factorul de turbiditate al zonei, considerând că cerul este permanent senin; fiind vorba de o analiza comparativă, bazată pe eficienţa sistemului de orientare (privind energia radiaţiei directe), impreciziile, cauzate de premisa cerului permanent senin, sunt iniţial neglijate.
Ţinând seama de aceste precizări, s-au efectuat numeroase simulări numerice cu ajutorul softului MatLab; pentru exemplificarea acestora, în Tabelul 4.2 se prezintă rezultatul simulărilor din ziua solstiţiului de vară (N=172) pentru cazul utilizării a 4 paşi diurni.
Pe baza simulărilor efectuate s-a realizat divizarea anului în 6 sezoane (Fig. 4.5) şi s-a stabilit programul optim de orientare pseudo-ecuatorială, pentru fiecare sezon, prin determinarea numărului de paşi zilnici, cu valorile unghiurilor de orientare şi a orei de realizare a fiecărui pas.
28
Tabelul 4.2 -- 4 pasi --- Energia rad. dir. recept. de sist. de or.psEc. = = 2 x 3858.91726 = 7717.83452 Wh/m^2 Energia rad. dir. disponibile = = 2 x 3987.89975 = 7975.79949 Wh/m^2 Eficienta sist. de orient. psEc. = = 7717.83452 / 7975.79949 = 0.967657 Curba interioară (diagr. jos): β* 1 = 64.0grd β* 2 = 32.0grd β* 3 = 0.0grd Ore de intersectie: ora 1 = 8.50 ora 2 = 10.85 după-masa datele sunt simetrice faţă deamiază
Fig. 4.5. Divizarea anului în sezoane prin aproximarea variaţiei anuale a declinaţiei δ (linia
continuă) cu o linie frântă (δ*) cu 6 trepte, pe care sunt înscrise numerele de paşi diurni
Tabelul 4.3 Eficienţele programului de orientare pseudo-ecuatorială cu 6 sezoane
prima zi a sezonului
ultima zi a sezonului nr.
sezon
N = nr. zilelor sezon
nr. paşi diurni eficienţa
de orientΔδi
eficienţa de orient
Δδs
Eficienţa medie de orient. a
sezonului 1. 73 – 100 6 99,03 ~6º 98,71 ~5º 98,872 2. 101 – 127 8 99,29 ~4º 97,95 ~4º 98,619
96,23 3. 128 – 216 10
98,70 ~4º 98,87 ~4º 98,281
4. 217 – 243 8 98,22 ~4º 99,24 ~4º 98,727 5. 244 – 271 6 98,86 ~5º 98,93 ~6º 98,892
98,40 6. 272 – 72 4
98,71 ~6º 98,65 ~6º 98,817
eficienţă anuală 98,220
29
Testările experimentale, bazate pe legea de orientare cu 6 sezoane anuale, au evidenţiat un consum energetic al actuatoarelor mult mai redus decât cel preconizat; acest consum este situat sub 0,5Wh, în condiţii uzuale de utilizare, pentru ambele curse unghiulare, comparativ cu aportul energetic minimal al modulelor, care este de ordinul sutelor de Wh/m2.
Aşadar, datorită faptului că tehnologia de manufacturare a actuatoarelor electrice s-a perfecţionat, consumul energetic al acestora poate fi practic neglijat în bilanţul energetic; ca urmare, devine justificată trecerea de la 6 sezoane anuale (v. Fig. 4.5) la 12 sezoane (v. Fig. 4.6 şi Tabelul 4.4).
Fig. 4.6. Divizarea anului în sezoane prin aproximarea variaţiei anuale a declinaţiei δ (linia
continuă) cu o linie frântă (δ*) cu 12 trepte, pe care sunt înscrise numerele paşilor diurni
Tabelul 4.4 Eficienţele programului de orientare pseudo-ecuatorială cu 12 sezoane
prima zi a sezonului ultima zi a sezonului nr.
sezon
N = nr. zilelor sezon
nr. paşi diurni eficienţa
de orient Δδi
eficienţa de orient
Δδs
Eficienţa medie de orient. a sezonului
49 – 70 6 98,87 ~6º 99,14 ~6º 99,008 71 – 89 8 99,22 ~9º 98,98 ~8º 99,100 90 – 108 8 99,12 ~8º 98,05 ~7º 98,581 109 – 126 10 98,51 ~7º 97,18 ~7º 97,847 127 – 144 10 97,62 ~7º 97,62 ~5º 97,623
96,23 145 – 198 10
96,89 ~5º 97,02 ~4º 96,712
199 – 216 10 96,64 ~1º 97,97 ~1º 97,303 217 – 234 10 97,54 ~4º 98,62 ~5º 98,081 235 – 252 8 98,19 ~5º 99,08 ~7º 98,636 253 – 271 8 98,92 ~7º 99,28 ~8º 99,101 272 – 293 6 99,16 ~8º 98,91 ~9º 99,037
98,40 294 – 48 6
99,27 ~6º 99,28 ~6º 98,985
eficienţă anuală 98,376
30
Programul anual obţinut, pentru orientarea pseudo-ecuatorială optimă în 12 sezoane a modulului PV, are următoarea descriere:
sezon N= 49…70 şi sezon N= 272…293: 6 paşi β*, 1 pas γ* - γ* = 53,25º; - β* dimineaţa = 62º, 40º, 19º, 0º, -19º, -40º, -62º; - orele efectuării paşilor β*: 9:06, 10:24, 11:48, 13:12, 14:36, 15:54. sezon N= 71…89 şi sezon N= 253…271: 8 paşi β*, 1 pas γ* - γ* = 45,65º; - β* dimineaţa = 64º, 46º, 32º, 16º, 0º, -16º, -32º, -46º, -64º; - orele efectuării paşilor β*:8:43, 9:43, 10:43, 11:49,13:01, 14:07, 15:07, 16:07; sezon N= 90…108 şi sezon N= 235…252: 8 paşi β*, 2 paşi γ* - γ* = -15º; 38,25º; -15º; - orele efectuării paşilor γ*: 7:01, 17:37; - β* dimineaţa = 64º, 47º, 32º, 16º, 0º, -16º, -32º, -47º, -64º; - orele efectuării paşilor β*: 8:31, 9:37, 10:37, 11:43, 12:55, 14:01, 15:01, 16:07. sezon N= 109…126 şi sezon N= 217…234: 10 paşi β*, 2 paşi γ* - γ* = -15º; 31,65º; -15º; - orele efectuării paşilor γ*: 7:33, 16:57; - β* dimineaţa = 64º, 52º, 40º, 28º, 12º, 0º, -12º, -28º, -40º, -52º, -64º; - orele ef. paşilor β*: 8:09, 8:57, 9:51, 10:51, 11:51, 12:39, 13:39, 14:39, 15:33, 16:21. sezon N= 127…144 şi sezon N= 199…216: 10 paşi β*, 4 paşi γ* - γ* = -15º; 5,85º; 26,65º; 5,85º; -15º; - orele efectuării paşilor γ*: 7:14, 8:50, 15:38, 17:14; - β* dimineaţa = 64º, 52º, 38º, 26º, 12º, 0º, -12º, -26º, -38º, -52º, -64º; - orele paşilor β*: 8:02, 8:56, 9:56, 10:56, 11:50, 12:38, 13:32, 14:32, 15:32, 16:26; sezon N= 145…198: 10 paşi β*, 4 paşi γ*, (Fig. 4.7) - γ* = -15º; 4,05º; 23,15º; 4,05º; -15º; - orele efectuării paşilor γ*: 7:31, 8:55, 15:43, 17:07; - β* dimineaţa = 64º, 48º, 36º, 24º, 12º, 0º, -12º, -24º, -36º, -48º, -64º; - orele paşilor β*: 8:07, 9:13, 10:07, 11:01, 11:55, 12:43, 13:37, 14:31,15:25, 16:31; sezon N= 294…48: 6 paşi β*, 1 pas γ*, (Fig. 4.8) - γ* = 62,65º; - β* dimineaţa = 58º, 36º, 18º, 0º, -18º, -36º, -58º; - orele efectuării paşilor β*: 9:14, 10:32, 11:50, 13:02, 14:20, 15:38.
31
a)
b)
c)
Fig. 4.7. Diagramele sezonului N= 145…198 privind variaţiile: a) unghiurilor β*, γ* şi β, γ; b)
unghiului de incidenţă; c) radiaţiei solare receptate normal de modulul PV orientat.
a)
b)
c)
Fig. 4.8. Diagramele sezonului N= 294…48 privind variaţiile: a) unghiurilor β*, γ* şi β, γ;
b) unghiului de incidenţă; c) radiaţiei solare receptate normal de modulul PV orientat
32
4.6. Concluzii şi contribuţii
Concluzii:
a) principalii parametrii care intervin în optimizarea numărului de paşi al unui sistem de orientare pseudo-ecuatorială sunt: radiaţia solară disponibilă şi unghiul de incidenţă Soare – modul PV;
b) aportul energetic (din radiaţia directă disponibilă în zonă), adus de un pas zilnic de orientare, scade cu creşterea numărului de ordine al pasului (v. Fig. 4.3);
c) numărul par de paşi este de preferat (faţă de cel impar), deoarece, în intervalul din vecinătatea amiezii, sistemul cu număr par de paşi aduce un aport energetic mai mare;
d) aportul energetic mediu zilnic obţinut pentru un grad de orientare diurnă este net superior aportului energetic mediu zilnic obţinut pentru un grad de orientare pe elevaţie (de ex. în perioada de vară Aβ*=27,894Wh/grd ↔ Aγ*=5,360Wh/grd); ca urmare, este raţional ca numărul paşilor zilnici pentru mişcarea diurnă să fie net superior faţă de numărul zilnic al paşilor de elevaţie (care poate deveni subunitar sau chiar zero);
e) sistemul de control al demonstratorului urmează sa fie programat în concordanţă cu cel de-al doilea program de orientare (cu 12 sezoane anuale); în plus, acesta trebuie să includă un program care să asigure revenirea sistemului în poziţia iniţială după apusul Soarelui şi aducerea modulului PV în poziţia orizontală, atunci când viteza vântului depăşeşte 16m/s;
f) testările experimentale efectuate pe baza programului propus cu ajutorul demonstratorului pseudo-ecuatorial urmează să fie exemplificate şi analizate în capitolul 6;
Contribuţii:
1) analiza influenţei variaţiei factorului de turbiditate asupra eficienţei de orientare;
2) determinarea aportului energetic adus de un grad de orientare diurnă şi respectiv de un grad de orientare sezonieră;
3) divizarea anului în sezoane, cu sub-programe fixe de orientare pseudo-ecuatorială, cu eficienţă de orientare minim-impusă;
4) elaborarea unui algoritm pentru sinteza optimală a programelor de orientare discretă, pe baza unor programe de simulări numerice adecvate, folosind mediul de programare MatLab;
5) stabilirea de programe anuale optime, pentru orientarea biaxială pseudo-ecuatorială a unui modul PV individual şi a unei platforme fotovoltaice orientată hidraulic, bazate pe sub-programe sezoniere fixe corelate cu specificul geografic şi meteorologic al zonei de implementare (Braşov).
33
5. Analiza influenţei latitudinii şi a numărului axelor de orientare asupra eficienţei de orientare pseudo-ecuatorială
Mai întâi se analizează influenţa latitudinii, asupra eficienţei sistemului de orientare considerat, cu ajutorul unor simulări numerice în mediul de programare MatLab, şi sunt formulate concluzii privind zonele geografice de utilizare optimă a orientării pseudo-ecuatoriale. Apoi este prezentată o analiză numerică prin care se stabilesc răspunsuri la următoarele întrebări: a) care sistem de orientare monoaxială are eficienţă energetică maximă în condiţiile zonei Braşov?; b) în ce raport se află eficienţa unui sistem pseudo-ecuatorial biaxial, comparativ unul monoaxial?
5.1. Influenţa latitudinii asupra eficienţei de orientare biaxială pseudo-ecuatorială şi identificarea zonei geografice favorabile implementării
Stabilirea locaţiilor în care sistemul propus are o eficienţă energetică optimă s-a realizat prin simulare numerică, în mediul de programare MatLab; simulările numerice s-au efectuat în premisa cerului senin, pentru diverse latitudini (cuprinse în intervalul 1º−89º N), stabilindu-se variaţiile eficienţei de orientare (energia radiaţiei solare directe, receptată normal de modulul fotovoltaic / energia radiaţiei solare directe, disponibilă) în decursul unui întreg an calendaristic. Din diagrama globală rezultată (Fig. 5.1) decurg următoarele concluzii:
Fig. 5.1. Variaţii ale eficienţei de orientare biaxială pseudo-ecuatorială, în emisfera nordică, pe
parcursul unui întreg an calendaristic obţinute prin asamblarea simulărilor precedente
34
a) sistemul de orientare pseudo-ecuatorială propus se pretează utilizării în zonele situate la latitudini sub 56ºN, deoarece în acest interval eficienţa energetică a sistemului de orientare nu scade sub valoarea de 95% (atinsă mai ales în timpul sezonului rece);
b) deoarece emisfera sudică este simetrică cu cea nordică şi anotimpurile din cele două emisfere au loc în contrafază, rezultă faptul că orientarea pseudo-ecuatorială biaxială poate fi utilizată în zonele situate între latitudinile 56ºS şi 56ºN;
c) la latitudini mai mari, folosirea sistemului nu se justifică din două motive: eficienţa mai ridicată intervine doar pe perioade scurte în jurul echinocţiilor
de primăvară şi toamnă; noaptea polară care apare începând cu latitudinea 74ºN.
5.2. Analiza comparativă a eficienţei de orientare biaxială şi monoaxială
Pentru a răspunde la întrebările formulate în introducerea capitolului, au fost analizare comparativ energia radiaţiei solare directe receptată normal de module PV identice [3] orientate cu: 1) un sistem biaxial de tip pseudo-ecuatorial (Fig. 5.3a); 2) un sistem monoaxial, cu axa de rotaţie diurnă înclinată la 35º faţă de orizontală dispusă pe direcţia N-S (Fig. 5.3b); 3) un sistem monoaxial, cu axa de rotaţie diurnă dispusă orizontal pe direcţia N-S (Fig. 5.3c); 4) un sistem monoaxial, cu axa de rotaţie diurnă dispusă vertical (Fig. 5.3d).
În cazul sistemului monoaxial înclinat, valoarea fixă a unghiului de elevaţie (γ*=35º) a fost determinată cu ajutorul unor simulări numerice, ale căror rezultate sunt prezentate grafic în Fig. 5.2. Simulările au avut ca scop stabilirea unghiului de elevaţie optim utilizabil la sisteme de orientare monoaxiale fixe înclinate, în condiţiile specifice zonei Braşov – România, atât în premisa cerului senin, cât şi a cerului real (cu nori).
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
γ* [grd]
efi
cie
nţă
[%
]
cer real (cu nori) cer senin
Fig. 5.2. Variaţii ale eficienţei anuale de orientare monoaxială înclinată, în funcţie de valoarea
unghiului de înclinare γ* şi a stării cerului (cer senin, cer cu nori)
35
a) b)
c) d)
Fig. 5.3. Poziţia relativă faţă de Pământ a celor 4 sisteme fotovoltaice cu orientare: a) biaxială pseudo-ecuatorială; b) monoaxială înclinată (γ*=35º); c) monoaxială orizontală (γ*=0º); d) monoaxială
verticală (γ*=90º)
Pentru sistemele de orientare ales (Fig. 5.3), au fost efectuate simulări numerice, în condiţiile zonei Braşov, pentru cele mai relevante zile ale unui an calendaristic (solstiţiu de vară, un echinocţiu şi solstiţiu de iarnă), în premisa cerului senin. Acestea au permis obţinerea diagramelor din Fig. 5.4, care descriu variaţiile radiaţiei directe disponibile şi ale radiaţiei receptate atât de modulul orientat pseudo-ecuatorial, după două axe, cât şi de modulele orientate după o singură axă. Prin prelucrarea datelor din Fig. 5.4, s-a obţinut Fig. 5.5 şi Tabelul 5.1; valorile, pentru energia directă disponibilă anual şi pentru energia receptată anual de cele 4 sisteme de orientare, din Tabelul 5.1, au fost calculate considerând că anul are 4 sezoane (anotimpuri) de lungime egală şi că cele 4 zile reprezentative din an sunt zile echivalente pentru sezoanele aferente.
Din analiza Fig. 5.5 şi a Tabelul 5.1 reiese faptul că eficienţa sistemului biaxial utilizat în mediul real este superioară celor realizate de toate cele trei sisteme monoaxiale, fiind însă relativ apropiată de sistemul monoaxial înclinat (99,289% faţă de 95,112%); diferenţa relativ redusă (de cca 5%) dintre valorile eficienţei medii anuale de orientare (99,29% faţă de 95,12%), la care se adăugă simplificarea
36
constructivă semnificativă, obţinută prin trecerea de la orientarea biaxială la cea monoaxială înclinată, aduc cele două soluţii pe poziţii relativ egale; evident, alegerea uneia sau a celeilalte este condiţionată de mărimea parcului fotovoltaic şi de natura restricţiilor tehnice şi economice care intervin.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
4 5 6 7 8 9 10 11 12
timp solar [h]
rad
iaţi
e d
ire
ctă
[W
/m^
2]
rad. disp. rec. psEc. rec. înclinat rec. oriz. rec. vert.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
5 6 7 8 9 10 11 12
timp solar [h]
rad
iaţi
e d
ire
ctă
[W
/m^
2]
rad. disp. rec. psEc rec. înclinat rec. oriz. rec. vert. a) b)
0
100
200
300
400
500
600
700
7 8 9 10 11 12
timp solar [h]
rad
iaţi
e d
ire
ctă
[W
/m^
2]
rad. disp. rec. psEc. rec. înclinat rec. oriz. rec. vert. c)
Fig. 5.4. Variaţii ale radiaţiei directe disponibile şi receptate de modulele PV între răsărit şi amiază în timpul: a) solstiţiului de vară; b) echinocţiului de primăvară / toamnă; c) solstiţiului de iarnă
0
20
40
60
80
100
pro
cen
te [
%]
ef. psEc. biaxial ef. înclinat monoax. ef. orizontal monoax. ef. vertical monoax.
ef. psEc. biaxial 99,603 98,993 99,603 98,552 99,289
ef. înclinat monoax. 98,756 93,571 98,756 84,483 95,118
ef. orizontal monoax. 80,833 95,880 80,833 44,411 83,737
ef. vertical monoax. 82,217 65,671 82,217 95,427 76,256
Echin. primăvară (senin)
Solstiţiu vară (senin)
Echinocţiu toamnă (senin)
Solstiţiu de iarnă (senin)
Media anuală (nori)
Fig. 5.5. Variaţia eficienţei medii anuale în funcţie de tipul de orientare: biaxială pseudo-ecuatorială, monoaxială înclinată, monoaxială orizontală şi monoaxială verticală, în premisa cerului senin şi real
37
Tabelul 5.1 Energia radiaţiei solare directe în condiţii reale (cer cu nori)
Echinocţiu de
primăvară Solstiţiu de
vară Echinocţiu de toamnă
Solstiţiu de iarnă
ANUAL
Energia directă disponibilă [kWh/m2]
2,378 4,802 2,615 1,122 993,429
Energia receptată de sistemul psEc. biaxial
[kWh/m2] 2,368 4,760 2,605 1,106 986,369
Eficienţa de orientare psEc. biaxială [%]
99,61% 99,13% 99,61% 98,57% 99,289%
Energia receptată de sistemul înclinat
monoax. [kWh/m2] 2,348 4,505 2,583 0,948 944,927
Eficienţa de orientare a sist. monoax.
înclinat [%] 98,76% 93,82% 98,76% 84,49% 95,118%
Energia receptată de sistemul orizontal
[kWh/m2] 1,922 4,607 2,114 0,498 831,868
Eficienţa de orientare a sist. monoax. orizontal [%]
80,83% 95,94% 80,83% 44,42% 83,737%
Energia receptată de sistemul monoax. vertical [kWh/m2]
1,955 3,149 2,150 1,071 757,546
Eficienţa de orientare a sist. monoax.
vertical [%] 82,22% 65,57% 82,22% 95,44% 76,256%
5.3. Concluzii şi contribuţii
Concluzii:
a) utilizarea sistemului de orientare pseudo-ecuatorială propus se pretează la latitudini cuprinse între 56ºN şi 56ºS; în acest interval eficienţa energetică a sistemului de orientare este ≥95%;
b) datorită eficienţei scăzute pe aproape tot parcursul anului şi a fenomenului de noapte polară care apare începând cu latitudinea 74ºN, la latitudini mai mari de 56º folosirea sistemului pseudo-ecuatorial propus nu se justifică;
c) sistemul de orientare biaxială pseudo-ecuatorială este mai eficient decât toate cele 3 sisteme monoaxiale, fiind urmat la o diferenţă relativ redusă de sistemul monoaxial înclinat (99,289% versus 95,118% - înclinat; 83,737% - oriz. şi 76,256% - vert.);
38
d) diferenţa relativ redusă (de cca 5%) dintre valorile eficienţei medii anuale, obţinute cu sistemele de orientare biaxială şi respectiv monoaxială înclinată (99,289% faţă de 95,112%), la care se adaugă simplificarea constructivă semnificativă obţinută prin trecerea de la orientarea biaxială la cea monoaxială înclinată, aduc cele două soluţii pe poziţii comparative; alegerea soluţiei este condiţionată de mărimea aplicaţiei fotovoltaice şi de natura restricţiilor tehnice şi economice care intervin;
e) reducerea numărului de axe, în cazul sistemelor pseudo-ecuatoriale înseamnă o simplificare majoră a sistemului de orientare; în cazul acesta se recomandă utilizarea sistemului de orientare monoaxial înclinat, a cărui pierdere anuală de eficienţă este de ~5% faţă de sistemul biaxial sau utilizarea sistemului monoaxial orizontal cu pierderi de eficienţă de ~15%; în ambele cazuri pierderile pot fi compensate, în cazul în care se utilizează un număr mare de module fotovoltaice, care folosesc un mecanism de orientare unic (un exemplu concludent, în acest sens, reprezentându-l string-urile de module orientate, cu un singur actuator, după o singură axă înclinată sau orizontală orientată pe direcţia N-S);
f) Valorile eficienţei de orientare realizate de sistemele monoaxiale de tip orizontal şi respectiv vertical sunt relativ apropiate, cu deosebirea că în acest caz diferenţa este ceva mai mare (83,737% faţă de 76,256%), în raport cu celelalte două sisteme analizate; ţinând în plus seama că, d.p.d.v. constructiv, sistemul orizontal este mai simplu decât cel vertical, rezultă că orientarea monoaxială orizontală este soluţie superioară celei verticale.
Contribuţii:
1) analiza prin simulări numerice a influenţei latitudinii asupra eficienţei de orientare biaxială pseudo-ecuatorială;
2) determinarea zonelor geografice (descrise prin latitudine) în care utilizarea sistemelor fotovoltaice cu orientare biaxială pseudo-ecuatorială este eficientă;
3) modelarea şi analiza comparativă, prin simulare numerică, a eficienţei de orientare: biaxială pseudo-ecuatorială, monoaxială înclinată, monoaxială orizontală şi monoaxială verticală;
4) determinarea pe baza simulărilor numerice a unghiului de elevaţie optim pentru sistemul de orientare monoaxial înclinat;
5) analiza comparativă şi identificarea avantajelor şi dezavantajelor celor patru sisteme de orientare analizate.
39
6. Realizarea demonstratorului pseudo-ecuatorial, testarea şi analiza rezultatelor
Pe baza documentaţiei tehnice elaborate, în Centrul de Inventică şi Business al Universităţii s-a realizat un demonstrator al sistemului fotovoltaic propus, cu orientare biaxială pseudo-ecuatorială (Fig. 6.1) şi un sistem fotovoltaic fix şi înclinat, pentru comparaţie (Fig. 6.1b). În vederea testărilor, acestea au fost amplasate pe corpul E de pe Colina Universităţii Transilvania.
a) b)
Fig. 6.1. Imagini ale demonstratoarelor fotovoltaice amplasate pe corpul E al Universităţii Transilvania din Braşov: a) demonstrator cu orientare biaxială pseudo-ecuatorială; b)
Demonstrator de referinţă (cu modul PV fix şi înclinat)
6.1. Modulul electric al demonstratorului
Demonstratorul propus este un sistem fotovoltaic individual cu orientare pseudo-ecuatorială (conţine regulatoare şi acumulatori). Testările iniţiale au scos în evidenţă faptul că încărcările şi descărcările bateriilor din dotarea sistemelor fotovoltaice comparate sunt asincrone; ca urmare, condiţiile de încărcare ale modulelor fotovoltaice devin diferite şi implicit comparaţia rezultatelor îşi pierde validitatea. Pentru evitarea acestei situaţii, testările au fost continuate fără regulatoare şi baterii (v. schema din Fig. 6.2). 6.2. Sistemul de control al demonstratorului
Sistemul de control al demonstratorului este alcătuit în principal din următoarele părţi componente:
Calculatorul de comandă care asigură prelucrarea datelor trimise de sistemele de comandă şi control ale modulelor solare şi asigură interfaţa grafică cu
40
utilizatorii. Programele de comunicaţie, comandă şi control ale modulelor solare sunt realizate utilizând mediul de programare LabView. Comunicaţia cu sistemul de comandă se realizează prin reţeaua Ethernet, lungimea maximă a cablului fiind de 100m.
Controlerul programabil cRIO 9012 şi modulele aferente: NI9401 – modul intrări/ieşiri digitale şi NI9505 – driver motor curent continuu.
Encoderele digitale în cuadratură şi senzorii magnetici pentru iniţializarea sistemului. Pentru sistemele de orientare echipate cu actuatoare MecVel L02 encoderele şi senzorii de iniţializare sunt incluse în structura actuatoarelor.
Fig. 6.2. Schema electrică a demonstratorului: varianta simplificată utilizată în cazul testărilor
experimentale
6.2.1. Adaptarea programelor de orientare la sistemul de control al demonstratorului Sistemul de orientare pseudo-ecuatorială propus utilizează actuatoare
MecVel, fiecare actuator fiind echipat cu un encoder digital (montat în carcasa motorului) care generează câte 4 impulsuri pentru fiecare rotaţie a motorului (4imp./rot.); prin testare s-a determinat că pentru 1mm deplasare liniară a tijei actuatorului, encoder-ul generează 65 impulsuri (65imp./mm).
Deoarece programele de orientare stabilite anterior descriu poziţia unghiulară în grade, iar sistemul de control al demonstratorului funcţionează digital pe baza numărului de impulsuri dat de encoder-ele montate în motoarele actuatorelor, este necesară stabilirea corelaţiei dintre deplasarea unghiulară şi numărul de impulsuri.
Ca urmare, pe baza schemelor din Fig. 3.4 s-au determinat mai întâi deplasările liniare ale fiecărui actuator, corespunzătoare deplasărilor unghiulare ale fiecărui pas de orientare în parte; apoi, ştiind că un encoder generează 65imp./mm, s-au adaptat
41
programele de orientare la descrierea paşilor prin impulsuri (Tabelul 6.1). În cazul mişcării diurne, pe baza schemei din Fig. 3.4a pentru numărul de
impulsuri k, necesar efectuării unei deplasări unghiulare diurne β*, se obţine expresia (6.1):
)5,15sin(11,16,29490,40265 * k ; (6.1)
În mod similar, pe baza schemei din Fig. 3.4b, se obţine expresia numărului de impulsuri necesar pentru efectuarea unei deplasări unghiulare pe elevaţie de valoare γ*:
79,549)5,36sin(41,297,43065 * k ; (6.2)
Înlocuind, în programul optim de orientare, valorile unghiurilor β* şi γ* cu numerele de impulsuri rezultate din relaţiile (6.1) şi respectiv (6.2), se obţine programul de orientare anual asemănător cu cel prezentat în Tabelul 6.1 în timpul solstiţiului de vară. Pe baza acestui program s-a efectuat programarea sistemului de control al demonstratorului.
Tabelul 6.1 Programul anual optim de orientare, cu unghiurile de orientare exprimate în impulsuri
Mişcare zilnică Mişcare de elevaţie
ziua ora min beta*[grd]
beta* [impulsuri]
ora min gama*[grd]
gama* [impulsuri]
145 4 0 64 87 4 0 -15,00 0 198 8 7 48 1618 7 31 4,05 2605
9 13 36 3056 8 55 23,15 5615 10 7 24 4719 15 43 4,05 2605 11 1 12 6583 17 7 -15,00 0 11 55 0 8616 12 43 -12 10777 13 37 -24 13012 14 31 -36 15238 15 25 -48 17315 16 31 -64 19378
21 0 64 87
6.3. Monitorizarea demonstratorului
Principalii parametri care trebuie monitorizaţi pentru analiza influenţei orientării pseudo-ecuatoriale asupra eficienţei sistemului fotovoltaic sunt: a) parametrii de intrare: 1) radiaţia solară (directă şi difuză) înregistrată de staţia
meteorologică; 2) unghiurile programului optim de orientare, monitorizate de către controller prin intermediul encoder-elor din componenţa actuatoarelor;
b) parametrii de ieşire referitori la puterea electrică instantanee generată de modulul PV: tensiunea de la borne şi curentul produs;
42
Soluţia aleasă pentru monitorizarea energiei electrice, produsă de modulul PV cu orientare pseudo-ecuatorială (Fig. 6.3), presupune transmiterea analogică a datelor referitoare la tensiune şi curent şi implicit conversia numerică a acestora, cu ajutorul unei plăci de achiziţie de tip National Instruments 6218. Întrucât intrările plăcii de achiziţie utilizate (NI 6218) permit doar utilizarea de tensiuni din gama (–10V…+10V), a fost necesară pe de o parte micşorarea tensiunii şi pe de altă parte citirea indirectă a curentului prin intermediul unei tensiuni aferente acestuia.
Fig. 6.3. Schema de monitorizare a demonstratorului
6.4. Rezultate experimentale
Pentru efectuarea unei analize comparative pertinente, în paralel cu demonstratorul fotovoltaic cu orientare biaxială pseudo-ecuatorială, a fost realizat şi implementat un sistem fotovoltaic fix orientat spre sud (β*=0º) şi înclinat la 35º faţă de orizontală (γ*=35º), considerat ca sistem de referinţă. Unghiul de înclinare al modulului PV (γ*=35º) a fost stabilit ca rezultat al unui proces de optimizare, bazat pe simulări numerice efectuate în Excel; pentru acest unghi de înclinare, aplicat în zona Braşov, energia anuală a radiaţiei directe care cade normal pe modulul PV fix devine maximă.
Datele experimentale înregistrate în timpul testărilor, la intervalul Δt=600s (parametrii metrologici) şi Δt=10s (parametrii electrici), conţin: - date numerice referitoare la poziţia unghiulară curentă a demonstratorului cu
orientare pseudo-ecuatorială (ziua, ora, valorile numerice ale unghiurilor β* şi γ*); - înregistrări privind radiaţia solară, temperatura şi vântul (ziua, ora, radiaţia globală
în plan orizontal, radiaţia difuză în plan orizontal, valorile minimă, medie şi maximă ale vitezei vântului, valorile minimă, medie şi maximă ale temperaturii);
43
- tensiunea şi curentul debitate atât de modulul fotovoltaic orientat, cât şi de cel fix, pe un consumator.
Înregistrările obţinute, au fost prelucrate în 2 etape: o etapă primară, ale cărei rezultate, sistematizate în Fig. 6.4, …, Fig. 6.10 şi o etapă secundară, ale cărei rezultate sunt exemplificate prin diagramele din Fig. 6.11, …, Fig. 6.15.
Pentru exemplificarea primei etape de prelucrare a datelor în Fig. 6.4, …, Fig. 6.10 sunt sistematizate prelucrările rezultatelor numerice ale testărilor efectuate în săptămânile 1-7, 8-14, 22-28 iunie 2009 şi 3-9, 17-23 24-30 august 2009. Din analiza acestor rezultate se pot desprinde următoarele concluzii: a) Creşterea excesivă a temperaturii ambiante influenţează, de obicei, negativ
funcţionarea sistemului fotovoltaic, prin reducerea randamentului modului PV orientat; aşa de exemplu, deşi, în zilele de 8.08 şi 18.08 valorile energiei aferente radiaţiei directe (în plan normal pe razele solare) sunt apropiate (cca. 5300 şi respectiv cca. 5500Wh/m2); dar datorită diferenţei de temperatură (18,18ºC cu vânt de 0,98m/s – pt. ziua 8.08 şi 22,19ºC cu vânt de 1,58m/s – pt. ziua 18.08), valorile energiei electrice generate de sistemul fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială sunt diferite: 119,29 şi respectiv 94,71Wh/m2; acest fenomen explică, de asemenea, producţia de energie electrică mai redusă din zilele lunii august, faţă de zilele cu radiaţie similară ale lunii iunie;
b) Vârfurile zilnice ale puterilor instantanee din perioada de testate sunt mai mari în cazul modului montat pe demonstratorului fix decât în cazul celui orientat pseudo-ecuatorial (v. Fig. 6.6); acest aspect se explică prin aceea că temperatura modulului orientat este mai ridicată datorită cantităţii mai mari de energie solară receptată.
c) Vântul influenţează de regulă pozitiv randamentul modulului PV, în sensul că menţine modul PV la temperaturi mai reduse, ceea ce influenţează pozitiv randamentul acestuia; aşa de exemplu, deşi în zilele de 13.06 şi 22.08 valorile energiei aferente radiaţiei directe (în plan normal pe razele solare) sunt apropiate (cca. 6400 şi respectiv cca. 6500Wh/m2), datorită valorilor diferite ale vitezei medii a vântului (3,03m/s cu 13,48ºC – pt. ziua 13.06 şi 1,61m/s cu 21,19ºC – pt. ziua 22.08), valorile energiei electrice generate sunt total diferite: 389,02 şi respectiv 97,26Wh/m2;
d) În zilele înnorate, radiaţia directă este relativ mică şi, implicit, energia electrică produsă de modulul cu orientare pseudo-ecuatorială este aproximativ egală cu cea produsă de modulul fix (vezi zilele 11, 12 iunie şi 5, 6, 7, 20, 24, 28, 30 august din Fig. 6.4 şi Fig. 6.7); spre exemplu în data de 20.08 sistemul pseudo-ecuatorial a produs 34,27Wh/m2, în timp ce sistemul fix a generat 31,22Wh/m2;
44
e) Energia electrică produsă de modulul cu orientare pseudo-ecuatorială poate fi uneori mai mică decât cea produsă de modulul fix (vezi spre exemplu ziua 5, 6, 24 august când eficienţa relativă globală (raportul dintre energia electrică a modului orientat şi cea a modulului fix) este subunitară: 0,9893; 0,8799 şi respectiv 0,9842); acest aspect se explică prin aceea că în zilele înnorate energia aferentă radiaţiei difuze receptate de modulul PV orientat este uzual mai mică decât energia receptată modulul fix (ziua 5.08 => 3114,45Wh/m2 dif. şi 1020,92Wh/m2 dir.; ziua 6.08 => 2040,09Wh/m2 dif. şi 242,41Wh/m2 dir. şi respectiv ziua 24.08 => 2349,13Wh/m2 dif. şi 478,13Wh/m2 dir.); ca urmare, ar fi benefic ca, în zilele înnorate, sistemul de orientare să aducă şi să menţină modulul PV în poziţie orizontală;
f) Valorile uzuale ale energiei electrice produse de sistemul cu orientare pseudo-ecuatorială, în zilele înnorate, sunt de ordinul zecilor de Wh/m2 (11, 12 iunie şi 5, 6, 7, 20, 24, 28, 30 august), iar în zilele însorite, valorile energiei electrice produse sunt uzual de ordinul sutelor de Wh/m2 (vezi majoritatea zilelor din luna iunie şi zilele 3, 8, 18, 25 august); în acest sens, este extrem de sugestivă corespondenţa dintre digramele ilustrate în Fig. 6.4, Fig. 6.7, şi Fig. 6.8;
g) Puterea maximă produsă, de fiecare dintre cele două module PV, n-a depăşit valoarea de 100W/m2, în săptămânile considerate (v. Fig. 6.6), şi respectiv valoarea de 116W/m2, în toată perioada în care s-au efectuat testările; aceste valori sunt situate sub valoarea declarată de producător (max. 130W/m2); de asemenea, eficienţa modulului PV este mult mai redusă (maxim 4,2%) faţă de cea precizată în catalog (max. 13%);
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
nr. ordine
ener
g. s
olară
[Wh
/m2]
totală staţie difuză staţie
Fig. 6.4. Variaţia energiei zilnice aferente radiaţiei solare înregistrată de staţia meteorologică
45
0100020003000400050006000700080009000
10000
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
nr. ordine
ener
g. s
olară
[Wh
/m2]
directă de la Soare directă în planul PV fix 10.000x ef. orient. PV fix
Fig. 6.5. Variaţia energiei zilnice aferente radiaţiei solare directe disponibile, a celei receptate de
modulul PV fix şi variaţia eficienţei de orientare a modulului fix
0
20
40
60
80
100
120
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
nr. ordine
pu
tere
ele
ctri
că m
aximă
[W]
sist. psEc sist. fix inclinat
Fig. 6.6. Variaţiile vârfurilor zilnice ale puterii instantanee produse de demonstratoarele fotovoltaice
0
100
200
300
400
500
600
700
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
nr. ordine
ener
g. e
lect
rică
[W
h/m
2]
sist. psEc sist. fix inclinat
Fig. 6.7. Variaţiile energiei electrice produse de cele 2 demonstratoare PV
46
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
nr. ordine
[%]
eficienţă relativă globală aport energetic relativ
Fig. 6.8. Variaţia eficienţei relative globale care coincide cu variaţia eficienţei relative de
orientare (în măsura în care cele 2 module PV au aceeaşi eficienţa electrică) şi variaţia aportului energetic relativ al celor 2 demonstratoare
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
nr. ordine
tem
per
atu
ră [
ºC]
minimă maximă medie
Fig. 6.9. Temperatura aerului înregistrată de staţia meteorologică
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
nr. ordine
vite
za v
ânt
[m/s
]
minimă maximă medie [m/s]
Fig. 6.10. Viteza vântului înregistrată de staţia meteorologică
47
S-a realizat de asemenea oestimare pe perioada unui an a surplusului de energie obţinut cu ajutorul demonstratorului de orientare propus. Întrucât timpul disponibil pentru testări a fost relativ scurt, surplusul anual s-a determinat estimând, pe baza înregistrărilor realizate, mărimile aferente zilei echivalente anual (Tabelul 6.2); pentru simplificare, s-a considerat că media zilnică a energiei electrice debitate de cele 2 demonstratoare, în perioada de testare, este aproximativ egală cu energia electrică corespunzătoare zilei echivalente anual. Ţinînd seama de simplificarea făcută, rezultă că valoarea eficienţei relative anuale, a demonstratorului PV orientat faţă de cel de referinţă, poate fi estimată la cca. 77,19/55,61 = 1,38.
Tabelul 6.2 Estimare a energiilor aferente celor 2 demonstratoare PV
Energie electrică produsă Energia radiaţiei disponibile în
plan orizontal măsurată la STATIE ziua
Sistem de orientare pseudo-ecuatorial
Sistem fix înclinat (35º faţă de orizontală)
totală directă difuză
medie zilnică [Wh/m2/zi]
211,48 152,36 4809,14 2549,43 2259,71
estimare anuală [kWh/m2/an]
77,19 55,61 1755,34 930,54 824,79
Rezultatele din etapa secundă a prelucrării datelor înregistrate sunt exemplificate prin diagramele din Fig. 6.11, …, Fig. 6.15, în care sunt prezentate comparativ, două câte două, variaţiile principalilor parametri din zilele săptămânii 8-14 iunie 2009, care au valori extreme ale eficienţei relative de orientare; din analiza acestor diagrame decurg următoarele concluzii: a) În condiţii reale, radiaţia directă receptată de modulul PV cu orientare pseudo-
ecuatorială este aproape identică cu radiaţia directă disponibilă (dedusă din cea măsurată la staţia meteorologică), ceea ce validează programul de orientare (vezi curbele dir.sun.st. şi dir.rec.psEc. din Fig. 6.11 şi Fig. 6.12); aceeaşi apropiere se regăseşte şi în premisa cerului senin, între variaţia radiaţiei directe disponibile dir.Meliss şi variaţia radiaţiei directe receptate de modulul PV orientat dir.rec.M.psEc (v. Fig. 6.11 şi Fig. 6.12);
b) În cele 2 zile considerate în Fig. 6.11 şi Fig. 6.12, se observă că, abstracţie făcând de unele „sincope”, variaţia radiaţiei difuze dif.H.Meliss (determinată analitic) modelează satisfăcător variaţia radiaţiei difuze înregistrată de staţia meteo; aceeaşi corespondenţă se regăseşte şi în cazul variaţiilor „modelate şi înregistrate” ale radiaţiei directe, din intervalele de timp cu cer senin ale zilei de 13.06.2009 (Fig. 6.12, între orele: 4:30-8:30, 11:30-12:30 şi 17:00-19:00): spre deosebire ziua de 13.06.09 (Fig. 6.12), în ziua de 11.06.09 (Fig. 6.11) cerul a fost complet acoperit cu nori, cu câteva rarefieri ale acestora între 9:30-11:30, când radiaţia directă depăşeşte cu puţin pe cea difuză;
48
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5
timp solar [h]
radi
aţie
[W
/m2]
dir.sun.st dir.rec.psEc dir.rec.fix dir.Meliss
dir.rec.M.psEc dir.rec.M.f dif.statie dif.H.Meliss
Fig. 6.11. Variaţii ale radiaţiei solare directe şi difuze în ziua cu cea mai redusă eficienţă relativă de orientare:11.06.2009 (dir.sun.st = radiaţia directă în planul normal pe razele solare, dedusă din cea
măsurată la staţia meteo; dir.Meliss = radiaţia directă determinată, în premisa cerului senin,cu modelul utilizat de Meliss; dir.rec.psEc = radiaţia directă receptă de modulul cu orientare pseudo-ecuatorială, în condiţii reale; dir.rec.Mpq = radiaţia directă receptată de modulul cu orientare pseudo-ecuatorială, în
premisa cerului senin, cu modelul utilizat de Meliss; dir.rec.fix = radiaţia directă receptată de modulul PV fix, în condiţii reale; dir.rec.Mf = radiaţia directă receptată de modulul fix, în premisa cerului senin,cu
modelul utilizat de Meliss; dif.statie = radiaţia difuză înregistrată de staţia meteorologică; dif.H.Meliss = radiaţia difuză în plan orizontal, determinată cu modelul utilizat de Meliss)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5
timp solar [h]
rad
iaţi
e [W
/m2]
dir.sun.st dir.rec.psEc dir.rec.fix dir.Meliss
dir.rec.M.psEc dir.rec.M.f dif.statie dif.H.Meliss
Fig. 6.12. Variaţii ale radiaţiei solare directe şi difuze în ziua cu cea mai mare eficienţă relativă de
orientare:13.06.2009 (dir.sun.st = radiaţia directă în planul normal pe razele solare, dedusă din cea măsurată la staţia meteo; dir.Meliss = radiaţia directă determinată, în premisa cerului senin,cu
modelul utilizat de Meliss; dir.rec.psEc = radiaţia directă receptă de modulul cu orientare pseudo-ecuatorială, în condiţii reale; dir.rec.Mpq = radiaţia directă receptată de modulul cu orientare pseudo-
ecuatorială, în premisa cerului senin,cu modelul utilizat de Meliss; dir.rec.fix = radiaţia directă receptată de modulul PV fix, în condiţii reale; dir.rec.Mf = radiaţia directă receptată de modulul fix, în
premisa cerului senin,cu modelul utilizat de Meliss; dif.statie = radiaţia difuză înregistrată de staţia meteorologică; dif.H.Meliss = radiaţia difuză în plan orizontal, determinată cu modelul utilizat de Meliss)
49
Aspectele comparative, reliefate de variaţiile ilustrate în Fig. 6.11 şi Fig. 6.12, se regăsesc într-o formă accentuată şi în comparaţia diagramelor din Fig. 6.13 şi Fig. 6.14: a) datorită prezenţei foarte reduse a radiaţiei directe, din ziua de 11.06.09 (Fig.
6.13), atât variaţiile radiaţiei receptate, cât şi variaţiile energiei electrice produse de cele 2 demonstratoare PV sunt foarte apropiate; implicit, în aceste condiţii, efectul orientării este foarte redus!
b) conform Fig. 6.14, efectul orientării iese imediat în evidenţă, la apariţia radiaţiei directe, când cerul devine senin, pentru a se estompa din nou în intervalele de timp în care cerul devine acoperit;
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5
timp solar [h]
pu
tere
el.;
rad
iaţi
e so
l. [W
/m2]
rad.rec.psEc. rad.rec.fix 10x P.el.psEc. 10x P.el.fix
Fig. 6.13. Variaţia puterii electrice debitată de sistemul orientat şi de cel de referinţă în ziua cu cea
mai redusă eficienţă relativă de orientare (11.06.2009)
0100200300
400500600700800900
100011001200
4,5 5,5 6,5 7,5 8,5 9,5 10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5 16,5 17,5 18,5 19,5
timp solar [h]
pu
tere
; ra
diaţi
e [W
/m2]
rad.rec.psEc. rad.rec.fix 10x P.el.psEc. 10x P.el.fix
Fig. 6.14. Variaţia puterii electrice debitată de sistemul orientat şi de cel de referinţă în ziua cu cea
mai ridicată eficienţă relativă de orientare (13.06.2009)
50
Pe baza analizei de mai sus, în diagrama din Fig. 6.15 s-au sistematizat grafic câteva mărimi energetice comparative privind demonstratorul PV cu orientare pseudo-ecuatorială (Fig. 6.1a) şi cel de referinţă fix (Fig. 6.1b); din analiza acestor diagrame decurg următoarele precizări: a) aportul energetic al sistemului fotovoltaic orientat este cu ~15% mai mare decât
cel al sistemului fix, în ziua înnorată (11.06.2009), şi cu 100% mai mare, în ziua cu cer parţial senin (13.06.2009);
b) în ziua cu aportul energetic minim, din săptămâna considerată, radiaţia directă este net mai mică decât cea difuză şi ca urmare, efectul orientării asupra eficienţei este net mai redus (vezi coloana “ef.orient.tot.-11.06.2009” din Fig. 6.15, spre deosebire de aceeaşi coloană alăturată din data 13.06.2009);
c) programul de orientare fiind practic acelaşi în ambele zile, eficienţa orientării privind radiaţia directă (coloanele “ef.orient.dir” din Fig. 6.15) rămâne de asemenea aceeaşi, chiar dacă radiaţia directă din cele două zile diferă foarte mult; această particularitate nu mai rămâne insă valabilă şi în cazul orientării referitoare la radiaţia totală.
0
30
60
90
120
150
180
210
pro
cen
te [
%]
PV psEc 115,97 200,63 99,22 99,22 90,74 95,39
PV fix 100,00 100,00 64,84 64,78 84,95 63,05
11.06.2009 13.06.2009 11.06.2009 13.06.2009 11.06.2009 13.06.2009
E.el. psEc/fix ef.orient.dir. ef.orient.tot.
Fig. 6.15. Analiza comparativă a demonstratoarelor testate, în zilele de 11 şi 13 iunie 2009, privind:
eficienţa relativă globală (identică cu cea de orientare în măsura în care cele 2 module PV au aceeaşi eficienţă electrică), eficienţa de orientare privind radiaţia directă şi respectiv totală
6.5. Contribuţii
1) participare la conceperea, realizarea şi instalarea demonstratorului fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială şi a unui demonstrator de referinţă fix;
2) stabilirea componentelor sistemului de comandă/control şi a modalităţii de monitorizare a parametrilor de ieşire ai demonstratorului fotovoltaic propus;
3) stabilirea şi adaptarea programelor de orientare optime la condiţiile de programare specifice modulului de comandă/control;
51
4) punerea în funcţiune a celor două sisteme fotovoltaice şi reconfigurarea sarcinii electrice astfel încât să devină posibilă analiza comparativă a acestora;
5) elaborarea programului de testare şi desfăşurarea testărilor experimentale pe demonstratorul fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială şi pe cel de referinţă fix;
6) prelucrarea datelor înregistrate, urmată de analiza, prelucrarea şi elaborarea de concluzii şi recomandări utile pentru cercetările ulterioare.
6.6. Recomandări şi îmbunătăţiri posibile
Principalele direcţii de cercetare în care rezultatele prezentate în această lucrare de doctorat pot fi utilizate şi respectiv extinse sunt:
completarea bazei de date pentru rafinarea factorului de turbiditate din zona Braşov;
stabilirea unor programe extinse de monitorizare a sistemelor de orientare biaxială pseudo-ecuatorială pentru perioade de timp îndelungate, care să includă şi o analiză a influenţei temperaturii şi vântului asupra randamentului modulelor fotovoltaice;
optimizarea constructivă a sistemului pe baza observaţiilor rezultate din testările de lungă durată;
implementarea unor sisteme de răcire a modulelor fotovoltaice în vederea optimizării randamentului acestora;
re-optimizarea programelor de orientare ale sistemelor pseudo-ecuatoriale în cazul în care, după o monitorizare îndelungată, aceasta se dovedeşte a fi necesară;
analiza comparativă a consumului energetic de orientare, pentru diverse tipuri de actuatoare liniare;
analiza introducerii energiei electrice obţinute în reţeaua locală de energie;
analiza comparativă a eficienţei fotovoltaice, precum şi a eficienţei relative de orientare pentru diverse tipuri de module fotovoltaice existente pe piaţă sau produse în departamentul de cercetare;
conceperea unei componente software care să permită manevrarea mai uşoară a volumului mare de înregistrări care se vor acumula în viitor.
52
7. Concluzii finale, contribuţii şi diseminarea rezultatelor
7.1. Concluzii şi contribuţii
Lucrarea de doctorat elaborată este orientată pe cercetări în domeniul creşterii eficienţei sistemelor fotovoltaice prin optimizarea sistemelor mecatronice destinate orientării biaxiale de tip pseudo-ecuatorial a acestor sisteme de conversie, pe baza specificului geografic şi meteorologic al zonei de implementare.
Principalele concluzii şi contribuţii, reieşite din cercetările efectuate în această teză de doctorat, sunt prezentate succint în continuare; pentru diferenţiere, concluziile cu caracter de contribuţii sunt scrise italic: 1) s-au sistematizat principalele modele utilizate în literatură pentru descrierea
poziţiei unghiulare a razelor solare relativ la Pământ şi s-a stabilit un set unitar de relaţii utilizabil în designul sistemelor mecatronice de orientare pseudo-ecuatorială;
2) s-a stabilit modelul, algoritmul şi o variaţie estimativă a factorului de turbiditate pentru zona Braşov, utilizat în estimările energetice ale sistemelor demonstratoarelor fotovoltaice propuse şi implementate la Universitatea Transilvania din Braşov;
3) s-au sistematizat soluţiile constructive utilizate în industrie pentru sistemele de orientare cu module fotovoltaice;
4) pe baza soluţiilor sistematizate, s-au stabilit soluţiile conceptuale optime pentru realizarea celor două mişcări unghiulare necesare sistemului de orientare pseudo-ecuatorială, atât în cazul utilizării curselor unghiulare teoretice cât şi a unor curse raţional reduse;
5) s-a realizat dimensionarea, manufacturarea, instalarea şi punerea în funcţiune a două demonstratoare fotovoltaice (unul fix de referinţă şi unul cu orientare pseudo-ecuatorială biaxială), cu monitorizarea parametrilor reprezentativi de funcţionare;
6) s-au corectat sarcina electrică şi sistemul de achiziţie a datelor, astfel ca monitorizarea parametrilor de funcţionare şi analiza comparativă dintre demonstratorul fotovoltaic de referinţă (fix) şi cel cu orientare pseudo-ecuatorială să devină valide;
7) s-a modelat, şi testat prin simulări numerice, aportul energetic relativ al paşilor succesivi din diverse programe de orientare pseudo-ecuatorială, obţinându-se următoarea concluzie importantă pentru elaborarea programelor de orientare: aportul energetic al paşilor de orientare scade odată cu creşterea numărului de ordine al acestora şi, implicit, devine nejustificată creşterea
53
exagerată a numărului paşilor de orientare, dacă nu se impun restricţii speciale unghiului de incidentă;
8) s-a analizat pe baza unor simulări numerice influenţa factorului de turbiditate asupra eficienţei de orientare a sistemelor cu module fotovoltaice; principala concluzie rezultată din această analiză se referă la faptul că influenţa variaţiei factorului de turbiditate devine practic nesemnificativă pentru eficienţe de orientare mai mari de 86-90%;
9) s-a conceput şi testat un algoritm de generare a programelor de orientare sezoniere, pe baza căruia s-au elaborat, prin simulare numerică, două programe anuale optime de orientare pseudo-ecuatorială biaxială, bazate pe sub-programe fixe de orientare sezonieră şi pe specificul geografic şi meteorologic al zonei de implementare (Braşov/România): primul dintre programe este utilizat pentru orientarea anuală a demonstratorului fotovoltaic individual propus, iar celalalt program este utilizat pentru orientarea pseudo-ecuatorială a unei platforme fotovoltaice-stand, cu acţionare hidraulică;
10) s-a rafinat primul program de orientare, pe baza observaţiilor decelate din testările experimentale iniţiale ale demonstratorului fotovoltaic orientat, trecându-se de la programul cu 6 sezoane anuale, la un program de orientare pseudo-ecuatorială cu 12 sezoane;
11) s-a adaptat primul program de orientare pseudo-ecuatorială, elaborat pentru demonstratorul fotovoltaic individual, la specificul de programare al modulului de comandă / control, prin stabilirea funcţiilor care fac trecerea de la unghiurile de orientare la numărul de impulsuri – actuator;
12) s-a stabilit unghiul optim de înclinare al unui sistem de orientare monoaxial înclinat în condiţiile geografice şi meteorologice specifice zonei Braşov / România;
13) s-a realizat, prin simulare numerică, o analiză comparativă între eficienţa de orientare realizată de sistemul biaxial de orientare pseudo-ecuatorială propus şi de principalele sisteme de orientare monoaxiale, derivate din acesta: înclinat, orizontal şi vertical; conform acestei analize, eficienţa de orientare ierarhizează cele patru modalităţi de orientare astfel: 1) orientarea pseudo-ecuatorială biaxială, 2) orientarea monoaxială înclinată; 3) orientarea monoaxială orizontală şi 4) orientarea monoaxială verticală; primele două sisteme se situează pe poziţii relativ egale în timp ce dintre ultimele două, variante orizontală este mai bună faţă de cea verticală;
14) s-a modelat şi analizat numeric influenţa latitudinii asupra eficienţei de orientare a unui sistem fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială biaxială; în premisele utilizate, a reieşit că acest tip de orientare biaxial poate fi utilizat cu succes în zonele geografice cuprinse între latitudinile 56ºS–56ºN;
54
15) s-a elaborat şi desfăşurat programul de testare comparativă a celor două demonstratoare fotovoltaice, cu înregistrarea şi sistematizarea valorilor mărimilor monitorizate;
16) s-au prelucrat şi analizat comparativ datele înregistrate, decelându-se concluzii şi recomandări utile în dezvoltările ulterioare ale temei, dintre care se amintesc următoarele: a) în zilele însorite, aportul de energie electrică, al demonstratorului fotovoltaic cu orientare pseudo-ecuatorială, aduce un surplus de până la 100%, faţă de aportul energetic al demonstratorului fotovoltaic de referinţă (fix şi înclinat); b) în funcţie de gradul şi de durata de acoperire a cerului cu nori, acest surplus se poate reduce de la câteva procente până la zero; c) în perioadele de timp în care radiaţia directă devine practic absentă, surplusul demonstratorului orientat devine negativ şi implicit, în astfel de cazuri, este de preferat ca sistemul de orientare să aducă şi să menţină modulul fotovoltaic în poziţie orizontală (în acest fel radiaţia difuză receptată de modulul PV devine maximă); d) temperaturile relativ reduse şi intensificarea vântului, în perioadele foarte calde, influenţează pozitiv aportul de energie electrică al modulelor PV, prin menţinerea randamentului electric al acestora la valori mai ridicate;
17) s-a efectuat o analiză energetică estimativă a surplusului de energie adus anual de sistemul orientat biaxial faţă de cel înclinat fix; au rezultat următoarele valori ale energiei electrice produse: 7,19kWh/m2/an în cazul sistemului biaxial şi 55,61kWh/m2/an în cel al sistemului fix înclinat, aşadar sistemul fotovoltaic orientat realizează un aport energetic suplimentar (faţă de cel fix înclinat) de cca. 38%.
Rezultatele prezentate în această lucrare de doctorat pot fi utilizate şi respectiv extinse în următoarele direcţii de cercetare: a) completarea bazei de date meteorologice în vederea rafinării factorului de
turbiditate din zona Braşov;
b) stabilirea unor programe extinse de monitorizare a sistemelor de orientare biaxială pseudo-ecuatorială pentru perioade de timp îndelungate;
c) analiza influenţei temperaturii şi vântului asupra randamentului modulelor PV;
d) optimizarea constructivă a sistemului de orientare pseudo-ecuatorial pe baza observaţiilor rezultate din testările de lungă durată;
e) dezvoltarea şi implementarea unor sisteme de răcire a modulelor fotovoltaice în vederea optimizării eficienţei acestora;
f) re-optimizarea programelor de orientare ale sistemelor pseudo-ecuatoriale în cazul în care, după o monitorizare îndelungată, aceasta se dovedeşte a fi necesară;
55
g) comparaţia consumului de orientare, pentru diverse tipuri de actuatoare liniare;
h) analiza introducerii energiei electrice obţinute în reţeaua locală de energie;
i) analiza comparativă a eficienţei fotovoltaice, precum şi a eficienţei relative de orientare pentru diverse tipuri de module fotovoltaice existente pe piaţă sau produse în departamentul de cercetare.
7.2. Diseminarea rezultatelor
Cercetările teoretice şi experimentale realizate în vederea elaborării prezentei lucrări au fost parţial valorificate prin: 1) participarea la 15 conferinţe internaţionale (ex. ICEEMS, 2007, Braşov,
România; COMEC, 2007, Braşov/România; ICREPQ, 2008, Santander/Spania; 23rd EU PVSEC 2008, Valencia/Spania; MTM, 2008, Timişoara/România,), cu susţinerea şi publicarea a 20 de articole, la 5 dintre acestea fiind prim autor;
2) participarea la rezolvarea a 5 contracte de cercetare, dintre care la unul în calitate de director de contract [70];
3) participare la elaborarea unei monografii în domeniul energiilor regenerabile [64];
4) utilizarea rezultatelor cercetării în activităţile didactice (de laborator şi proiect)
5) depunerea unei cereri de brevet, dosar A/00622/11.08.2008;
6) elaborarea unei lucrări de laborator, bazată pe testarea performanţelor demonstratorului cu orientare pseudo-ecuatorială.
56
Bibliografie selectivă [1] Agarwal, A.K.: Two-axis-tracking System for Solar Concentrators, Renewable Energy
Vol. 2, 1992
[2] Burduhos, B., Diaconescu, D., Săulescu, R.: On the Dependence of the Received Direct Solar Radiation on the PV Pseudo-Equatorial Tracking Steps’ Number, Sesiunea de Comunicări Ştiinţifice IMT - Inginerie Managerială şi Tehnologică, Oradea, România, 29 - 30 mai 2008, publicat în Annals of the Oradea University, Fascicle of Management şi Technological Engineering, CD-ROM Edition, Vol. VII (XVII), 2008, ISSN: 1583-0691, pg. 734-741
[3] Burduhos, B., Diaconescu, D., Săulescu R.: Comparison Between Single-Axis PV Trackers of Pseudo-Equatorial and Azimuthal Type, Bulletin of the Transilvania University of Braşov, România, 2008, Vol. 15(50), ISSN 2065-2119 (Print), ISSN 2065-2127 (CD-ROM), pg. 81-86
[4] Burduhos, B., Vişa, I., Rusu, C., Diaconescu, D.: On the Orientation Cycle Optimization of a PV Testing Tracked Platform, CSE 2008 - 2nd Conference on Sustainable Energy, Brasov, Romania, 3-5 iulie 2008, ISBN: 978-973-598-316-1, pg. 85-92
[5] Burduhos, B., Diaconescu, D., Săulescu, R.: The Synthesis of a Planar Linkage Used to Drive the Daily Motion of a Solar Tracker, MTM 2008 - International Conference on Mechanisms and Mechanical Transmissions, Timisoara, Romania, 8-10 octombrie 2008, ISSN 1224-6077, pg. 17-20
[6] Burduhos, B., Vişa, I., Diaconescu, D., Săulescu, R.: Novel Orientation Step-Program of a Pseudo-Equatorially Tracked PV Panel, 24th EU PVSEC – 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 21-25 septembrie 2009.
[8] Coste, L.: Modelling the Climatological Parameters used for Linke’s Turbidity Factor Calculus, Sesiunea de Comunicări Ştiinţifice IMT - Inginerie Managerială şi Tehnologică, Oradea, România, 2009, publicat în Annals of the Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering
[9] Coste, L., Eftimie, E.: Solar and Wind Power Determination for Braşov City Area, Bulletin of the Transilvania University of Braşov, 2008, România
[13] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Dinicu, V.: On the Sun-Earth Angles used in the Solar Trackers’ Design. Part 2: Simulations, Sesiunea de Comunicări Ştiinţifice IMT - Inginerie Managerială şi Tehnologică, Oradea, Romania, 31Mai - 01 iunie 2007, publicat în Annals of the Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering, CD-ROM Edition, Vol. VI (XVI), 2007, ISSN:1583-0691, pg. 842-849
[14] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Dinicu, V.: Analysis of the Sun-Earth Angles used in the Design of the Solar Collectors' Trackers, Bulletin of the Transilvania University of Braşov, România, 2006, Vol. 13(48), 2006, ISSN 1223 – 9631, pg. 99-104
[15] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Dinicu, V.: The Incidence Angles of the Trackers Used for the PV Panels’ Orientation. Part I: Equatorial Trackers, ICEEMS - International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems, publicat în Jurnalul RECENT, Vol. 8, nr. 3a(21a), Braşov, România, 25 - 26 Octombrie 2007, ISSN 1582– 0246, pg. 281-286
[16] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B.: On the Received Direct Solar Radiance of the PV Panel Orientated by Pseudoequatorial Tracker, COMEC - The 2nd International Conference Computational Mechanics and Virtual Engineering, Brasov, Romania, 11 - 13 octombrie 2007, ISBN 978-973-598-117-4, ISSN 1844 – 9336 (patronaj FISITA), pg. 43-48
[17] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Săulescu, R.: On the Dependence between the Step Orientation and the Received Direct Solar Radiation of a PV Panel. Part II: The Step Pseudo-Equatorial Orientation, ICREPQ’08 - International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Santander, Spain, 12 - 14 martie, 2008, ISBN: 978-84-611-9290-8, ISBN: 978-84-611-9289-2, pg. 79-80
57
[18] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Săulescu, R.: PV Orientation Data Needed in the Design of the Pseudo-Equatorial Tracker’s Control Program, OPTIM 2008 - 11th International Conference on Optimization of Electrical şi Electronic Equipment, Braşov, România, 22 - 23 mai, 2008, ISBN: 978-973-131-030-5, pg. 449-454
[19] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Săulescu, R.: On the Steps’ Optimization of a Pseudo-Equatorially Tracked PV Panel, 23rd EU PVSEC - 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference şi Exhibition, Valencia Spain, 1-5 septembrie 2008, ISBN 3–936338–24-8, pg. 3160-3164
[20] Diaconescu D., Vişa I., Hermenean I., Vatasescu M.: Clouds Influence on the Solar Radiation for a Mountain Location, The International Conference on Materials Science and Engineering BRAMAT 2009, Braşov, România, 26-28 februarie 2009, Environmental Engineering and Management Journal, ISSN 1582-9596, pg. 849-855
[21] Eftimie, E.: Beam Horizontal Irradiance Simulation for Brasov Urban Area – Clear Sky Model, Proceedings of the 2nd International Conference on EG’09, Braşov, România, 2009, ISBN 978-960-474-119-9, ISSN 1790-2769, pg. 224-229
[23] Goswami, D.J., Kreith, K., Kreider, J.F.: Principles of Solar Engineering, Philadelphia, PA, George H. Buchanan Co., 1999
[32] Kottas, T.L., Boutalis, Y.S.: New Maximum Power Point Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks, IEEE Transactions on Energy Conversion, septembrie 2006, Vol. 21, Issue 3, pg. 793-803
[33] Kleemann, M., Meliss, M.: Renewable Energy Sources, (în germană), Berlin-Heidelberg, Springer, 1993
[36] Mătieş, V., Szabo, F., Teutan E.: Engineering Education Knowlege Based Socienty, Simpozionul National cu Participare Internatională, PRASIC’06, Braşov, pg. 261-270
[37] Mătieş, V., Szabo, F.S., Besoiu, S.: Information Links, Flexibility and Reconfigurability of the Mechatronic Systems, Proceedings of SYROM 2005, The 9th IFToMM International Symposium on Theory of Machines and Mechanisms, Bucharest, România, 2005, ISBN 973-718-289-8, pg. 697-702
[39] Meliss, M.: Regenerative Energiequellen – Praktikum, Berlin Heidelberg, Springer, 1997
[40] Messenger, R., Ventre, J.: Photovoltaic System Engineering, Boca Raton, London, New York, Washington, CRC Press, 2000
[42] Nanu, M.: Towards a 3D Solar Cell Based on TiO2/CuInS2 Heterojunction, Transilvania University of Braşov, Material Science and Engineering, Romania, Delft University of Technology, Netherlands, 2003
[49] Rusu, C, Maties, V., Besoiu, S.: Considerations Regarding the Control Mechanisms in Mechatronics, Proceedings of SYROM 2005, The 9th IFToMM International Symposium on Theory of Machines and Mechanisms, Bucharest, Romania, 2005, ISBN 973-718-289-8 973-718-291-X, pg. 867-872
[50] Soerensen, B.: Renewable Energy, Amsterdam, Elsevier, 2004
[51] Stine, B.W., Harrigan, R.W.: Solar Energy Fundamentals and Design, West Sussex, USA, John Wiley & Sons, 1985
[52] Teodoreanu, D., Olariu, N., Vişa, I., Teodoreanu, M., Mirică M.: Romanian Technology Platform 'Photovoltaics' - Aspects of Integration in EU-PV Technology Platform, 23rd EU PVSEC – 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 1-5 septembrie 2008, Valencia Spain, pg. 3819-3822
[55] Velicu R., Moldovean G., Burduhos, B.: Embodiment Design of an Equatorial Solar Tracking System, EUROSUN 2008 - 1st International Conference on Solar Heating, Cooling and Buildings, Lisabona, Portugalia, 7 - 10 octombrie 2008
[56] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: On the Sun-Earth Angles Used in the Solar Trackers’ Design. Part 1: Modelling, Sesiunea de Comunicări Ştiinţifice IMT - Inginerie Managerială şi Tehnologică, Oradea, România, 31mai - 01 Iunie 2007, publicat în
58
Annals of the Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering, CD-ROM Edition, Vol. VI (XVI), 2007, ISSN:1583-0691, pg. 929-934
[57] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: On the Minimization of the Solar Tracker Incidence Angle, Bulletin of the Transilvania University of Braşov, România, 2007, Vol.14(49)
[58] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: On the Incidence Angle Optimization of the Dual-Axis Solar Trackers, 11th International Research/Expert Conference TMT - Trends in the Development of Machinery and Associated Technology, Hamammet, Tunisia, 05-09 septembrie 2007, ISBN 995861734-X, pg. 1111-1114
[59] Vişa I., Diaconescu D., Popa V., Burduhos B.: Quantitative Estimation of the Solar Radiation Loss in the Braşov Area, The International Conference on Materials Science and Engineering BRAMAT 2009, Braşov, Romania, 26-28 februarie 2009, Environmental Engineering and Management Journal, ISSN 1582-9596, pg. 843-848
[60] Vişa I., Diaconescu D., Popa V., Burduhos B., Săulescu R.: The Synthesis of a Linkage With Linear Actuator for Solar Tracking with Large Angular Stroke, EUCOMES 2008 - 2nd European Conference on Mechanism Science, Cassino, Italy, 17 - 20 septembrie 2008, Proceedings of EUCOMES 08 (M. Ceccarelli (ed.), C_ Springer Science+Business Media B.V. 2009), ISBN: 978-1-4020-8914-5, e-ISBN: 978-1-4020-8915-2, pg. 457-464
[61] Vişa I., Diaconescu D., Popa V., Burduhos B.: Synthesis of Tracking Linkages with Increased Angular Stroke, The 10th IFToMM International Symposium on Science of Mechanisms and Machines SYROM’2009, Braşov, Romania, 12-15 octombrie 2009, (lucrare acceptată)
[62] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: The Incidence Angles of the Trackers Used for the PV Panels’ Orientation. Part II: Azimuthal Trackers, ICEEMS - International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems, publicat în Jurnalul RECENT, Vol. 8, nr. 3a(21a), Braşov, România, 25 - 26 octombrie 2007, ISSN 1582– 0246, pg. 375-380
[63] Vişa, I., Duţă, A., Velicu, R., Teodoreanu, D., Bădărău, I.: A 10 kWp PV Array in the Transilvania University of Brasov, Romania, 22nd EU PVSEC – 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 3-7 September 2007, Milan, Italy, pg. 3534-3537
[64] Vişa, I., Duţă, A.: Sustainable Energy, Transilvania University of Braşov Publishing House, ISBN 978-973-598-454-0, 2008, pagini 324, (Proiect pilot Comenius 2.1: SEE Tool – Sustainable Energy for High School Education – A European Training Tool, 226362-CP-1-2005-1-RO-COMENIUS-C21)
[64] Vişa I., Duţă A.: Sustainable Energy, Transilvania University of Braşov Publishing House, ISBN 978-973-598-454-0, 2008, pagini 324, (Proiect pilot Comenius 2.1: SEE Tool – Sustainable Energy for High School Education – A European Training Tool, 226362-CP-1-2005-1-RO-COMENIUS-C21)
[70] ***, Optimizarea mecanismelor de orientare de tip pseudo-ecuatorial utilizate pentru creşterea eficientei conversiei panourilor fotovoltaice individuale, contract de cercetare tip TD, nr. 149/2007, director drd. ing. Bogdan BURDUHOS, beneficiar CNCSIS
[81] http://www.electrica.ro
[99] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
[102] http://www.soldata.dk
[103] http://sunbird.jrc.it/pvgis/solres/images/big/g1/gs06v2y.png
59
Rezumat Obiectiv central al prezentei lucrări de doctorat este creşterea eficienţei energetice a
unui sistem fotovoltaic individual prin optimizarea orientării pseudo-ecuatoriale biaxiale a acestuia. Pentru îndeplinirea acestui obiectiv teza a fost structurată în 7 capitole cu tot atâtea obiective de lucru, stabilite pe baza limitelor desprinse din analiza critică a stadiului actual:
În capitolul 1 se prezintă o scurtă introducere în domeniul sistemelor de orientare utilizabile la îmbunătăţirea conversiei energiei solare în energie electrică.
În capitolul 2 se defineşte şi se modelează baza de date cu informaţiile care intervin în designul sistemelor de orientare pseudo-ecuatorială (unghiurile razelor solare în raport cu Pământul, factorii meteorologici care influenţează performanţele unui sistem de orientare, modelarea radiaţiei solare şi implicit a factorului de turbiditate).
În capitolul 3 se realizează studiul premergător şi designul mecanismelor utilizate pentru efectuarea celor două mişcări ale sistemului biaxial de orientare pseudo-ecuatorială.
În capitolul 4 se realizează studiul numeric pregătitor şi proiectarea programului optim de orientare al tracker-ului pseudo-ecuatorial pentru condiţiile zonei Braşov, România.
În capitolul 5 se analizează influenţa latitudinii asupra performanţelor sistemului de orientare pseudo-ecuatorială propus şi influenţa numărului axelor de orientare asupra eficienţei sistemului de orientare.
În capitolul 6 este descris demonstratorul sistemului de orientare propus, se realizează testarea acestuia comparativ cu un demonstrator fix înclinat, se analizează şi interpretează rezultate obţinute pe o anumită perioadă de timp. Pe baza acestora sunt propuse recomandări şi îmbunătăţiri posibile ce pot fi aduse demonstratorului.
În ultimul capitol (7) al tezei sunt prezentate concluziile finale rezultate, contribuţiile şi modul de diseminare a rezultatelor.
Abstract
The main objective of the current PhD thesis is the increase of the energetic efficiency for a photovoltaic individual system through the optimization of the its pseudo-equatorial biaxial orientation. In order to achieve this objective the PhD thesis was structured in 7 chapters with the same number of operational objectives:
In chapter 1 a short introduction in the domain of photovoltaic tracking systems is made. In chapter 2 the database is defined and modeled, with the information that
interfere in the design of pseudo-equatorial tracking systems (angles of the sun-ray compared to the Earth, meteorological data which influence the performance of the tracking system, modeling of the solar radiation and of the turbidity factor).
In chapter 3 a initial study is done and the design of the mechanisms is established, used for accomplishing the two movements of the pseudo-equatorial biaxial tracking system.
In chapter 4 a numerical study is done and the optimal orientation program is determined for the use of the pseudo-equatorial tracker in the Braşov, Romania conditions.
In chapter 5 the influence of the latitude is analyzed on the performances of the proposed pseudo-equatorial tracker and the influence of the axis number on the efficiency of the tracking system.
In chapter 6 the demonstrator of the proposed system is described and tested compared to a fixed tilted demonstrator; the obtained results are analyzed and interpreted and based on them recommendations and improvements for the demonstrator are proposed.
In the last chapter (7) the final conclusions are presented together with the contributions and the way the results were disseminated.
CURRICULUM VITAE 1. Surname: BURDUHOS 2. First name: Bogdan Gabriel 3. Birth date and place: 21.10.1982, Făgăraş, Romania 4. Nationality: Romanian 5. Marital status: single
6. Education: Institution Transilvania University
of Braşov Transilvania University
of Braşov Transilvania
University of Braşov Period: 01.10.2001-01.06.2006 01.10.2007-15.02.2008 1.10.2006–30.10.2009Diploma: Diplomat Engineer:
Faculty of Electrical Engineering and
Computer Science, Applied Electronics
Master Degree: Engineering Design and
Management of Renewable Energy
Sources
PhD Student, Faculty of Technological
Engineering
7. Professional experience: Period: 01.10.2006 - 30.10.2009 Place: Product Design Centre for Sustainable Development Institution: Transilvania University of Braşov Description: PhD Student, Scientific research activities
Competence fields: Electronics; Programming; Renewable Energy Sources;
8. Patents: proposal for patenting a tracking mechanism with the registration number:
A/00622/11.08.2008
9. Published papers: [1] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Dinicu, V.: Analysis of the Sun-Earth Angles
Used in the Design of the Solar Collectors' Trackers, Bulletin of the Transilvania University of Braşov, România, 2006, Vol.13(48), 2006, ISSN 1223 – 9631, pg. 99-104.
[2] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: On the Sun-Earth Angles Used in the Solar Trackers’ Design. Part 1: Modelling, IMT – Management and Technological Engineering, Oradea, Romania, 31mai - 01 June 2007, Annals of the Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering, CD-ROM Edition, Vol. VI (XVI), 2007, ISSN:1583-0691, pg. 929-934.
[3] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Dinicu, V.: On the Sun-Earth Angles Used in the Solar Trackers’ Design. Part 2: Simulations, IMT - Management and Technological Engineering, Oradea, Romania, 31Mai - 01 June 2007, Annals of the Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering, CD-ROM Edition, Vol. VI (XVI), 2007, ISSN:1583-0691, pg. 842-849.
[4] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: On the Minimization of the Solar Tracker Incidence Angle, Bulletin of the Transilvania University of Braşov, Romania, 2007, Vol.14(49).
[5] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: On the Incidence Angle
Optimization of the Dual-Axis Solar Trackers, 11th International Research/Expert Conference TMT - Trends in the Development of Machinery and Associated Technology, Hamammet, Tunisia, 05-09 September 2007, ISBN 995861734-X, pg. 1111-1114.
[6] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Dinicu, V.: The Incidence Angles of the Trackers Used for the PV Panels’ Orientation. Part I: Equatorial Trackers, ICEEMS - International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems, RECENT Journal, Vol. 8, nr. 3a(21a), Braşov, Romania, 25 - 26 October 2007, ISSN 1582– 0246, pg. 281-286.
[7] Vişa, I., Diaconescu, D., Dinicu, V., Burduhos, B.: The Incidence Angles of the Trackers Used for the PV Panels’ Orientation. Part II: Azimuthal Trackers, ICEEMS - International Conference on Economic Engineering and Manufacturing Systems, RECENT Journal, Vol. 8, nr. 3a(21a), Braşov, Romania, 25 - 26 October 2007, ISSN 1582– 0246, pg. 375-380.
[8] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B.: On the Received Direct Solar Radiance of the PV Panel Orientated by Pseudoequatorial Tracker, COMEC - The 2nd International Conference Computational Mechanics and Virtual Engineering, Braşov, Romania, 11 - 13 October 2007, ISBN 978-973-598-117-4, pg. 43-48, ISSN 1844 – 9336.
[9] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Săulescu, R.: On the Dependence between the Step Orientation and the Received Direct Solar Radiation of a PV Panel. Part II: The Step Pseudo-Equatorial Orientation, ICREPQ’08 - International Conference on Renewable Energies and Power Quality, Santander, Spain, 12 - 14 March, 2008, ISBN: 978-84-611-9290-8, ISBN: 978-84-611-9289-2, pg. 79-80.
[10] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Săulescu, R.: PV Orientation Data Needed in the Design of the Pseudo-Equatorial Tracker’s Control Program, OPTIM 2008 - 11th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, Braşov, Romania, 22 - 23 May, 2008, ISBN: 978-973-131-030-5, pg. 449-454.
[11] Burduhos, B., Diaconescu, D., Săulescu, R.: On the Dependence of the Received Direct Solar Radiation on the PV Pseudo-Equatorial Tracking Steps’ Number, IMT - Management and Technological Engineering, Oradea, Romania, 29 - 30 May 2008, Annals of the Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering, CD-ROM Edition, Vol. VII (XVII), 2008, ISSN: 1583-0691, pg. 734-741.
[12] Vişa, I., Diaconescu, D., Popa, V., Burduhos, B., Săulescu, R.: The Synthesis of a Linkage With Linear Actuator for Solar Tracking with Large Angular Stroke, EUCOMES 2008 - 2nd European Conference on Mechanism Science, Cassino, Italy, 17 - 20 September 2008, Proceedings of EUCOMES 08 (M. Ceccarelli (ed.), C_ Springer Science+Business Media B.V. 2009), ISBN: 978-1-4020-8914-5, e-ISBN: 978-1-4020-8915-2, pg. 457-464.
[13] Velicu, R., Moldovean, G., Burduhos, B.: Embodiment Design of an Equatorial Solar Tracking System, EUROSUN 2008 - 1st International Conference on Solar Heating, Cooling and Buildings, Lisabona, Portugalia, 7 - 10 October 2008.
[14] Diaconescu, D., Vişa, I., Burduhos, B., Săulescu, R.: On the Steps’ Optimization of a Pseudo-Equatorially Tracked PV Panel, 23rd EU PVSEC - 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Valencia Spain, 1-5 September 2008, ISBN 3–936338–24-8, pg. 3160-3164.
[15] Burduhos, B., Vişa, I., Rusu, C., Diaconescu, D.: On the Orientation Cycle Optimization of a PV Testing Tracked Platform, CSE 2008 - 2nd Conference on Sustainable Energy, Braşov, Romania, 3-5 iulie 2008, ISBN: 978-973-598-316-1, pg. 85-92.
[16] Burduhos, B., Diaconescu, D., Săulescu, R.: The Synthesis of a Planar Linkage Used to Drive the Daily Motion of a Solar Tracker, MTM 2008 - International Conference on Mechanisms and Mechanical Transmissions, Timişoara, Romania, 8-10 October 2008, ISSN 1224-6077, pg. 17-20.
[17] Burduhos, B., Diaconescu, D., Săulescu R.: Comparison Between Single-Axis PV Trackers of Pseudo-Equatorial and Azimuthal Type, Bulletin of the Transilvania University of Braşov, Romania, 2008, Vol.15(50), ISSN 2065-2119 (Print), ISSN 2065-2127 (CD-ROM), pg. 81-86.
[18] Vişa I., Diaconescu D., Dinicu V., Burduhos B.: Quantitative Estimation of the Solar Radiation Loss in the Braşov Area, The International Conference on Materials Science and Engineering BRAMAT 2009, Braşov, Romania, 26-28 February 2009, published in Environmental Engineering and Management Journal, ISSN 1582-9596, pg. 843-848.
[19] Vişa I., Diaconescu D., Popa V., Burduhos, B.: Synthesis of Tracking Linkages with Increased Angular Stroke, The 10th IFToMM International Symposium on Science of Mechanisms and Machines SYROM’2009, Braşov, Romania, 12-15 October 2009.
[20] Burduhos, B., Vişa, I., Diaconescu, D., Săulescu, R.: Novel Orientation Step-Program of a Pseudo-Equatorially Tracked PV Panel, 24rd EU PVSEC - 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Hamburg, Germany, 21-25 September 2009.
10. Member of professional associations:
ARoTMM (Romanian Association for Machine Theory and Mechanisms) 11. Foreign languages:
English (“First Certificate”, Cambridge University, 2000); German (“Deutsches Sprachdiplom – Zweite Stufe”, Germania, 2001).
12. Research activity related to grants:
Grant Period: ANCS CEEX – Modul 1: 752/2006, New mechanical systems used for increasing the conversion efficiency from solar energy to electrical energy, director prof. dr. ing. Ion Vişa
Member in the research team
2006 - 2008
CNCSIS A: 418/2006, Research regarding the increase of the conversion efficiency of solar energy in solar thermal collectors, director prof. dr. ing. Ion Vişa
Member in the research team
2006 - 2008
CNCSIS A: 923/2007, Studies and simulations regarding the conception of new planetary reducers with increased kinematical ratio and high energetic-economical efficiency, used in renewable energy systems, director prof. dr. ing. Dorin DIACONESCU
Member in the research team
2007 - 2008
ANCS PNII: 21-003/2007, Increase of the solar energy conversion efficiency in tracked photovoltaic platforms, director prof. dr. ing. Ion Vişa
Member in the research team
2007-2009
CNCSIS TD: 149/2007, Optimization of pseudo-equatorial tracking mechanisms used for increasing the conversion efficiency of individual photovoltaic modules, director ing. Bogdan BURDUHOS
Project Director
2007-2009