CC BY
62
SISTEM DE ILUMINARE PE LED-URI ALIMENTAT DE LA CELULE
FOTOVOLTAICE M.Tfr^u, M.Uzun, A.Speian
Institutul de Energetica al A§M, or. Chisinau, Republica Moldova
V.Spivac, A.Bogdan
Institutul de Electronica Aplicata al Universitafii Nafionale din Ucraina (Institutul Politehnic
din Kiev), or.Kiev, Ucraina
Rezumat. In lucrare se prezinta realizarea practica a sistemului de iluminare eficient realizat pe diode luminiscente cu o putere sumara de 80W instalat pe tavanul unui coridor cu o lungime de 120 m, care substituie sistemul existent de iluminare realizat din 29 corpuri de iluminat a cate 4 tuburi fluorescente fiecare §i o putere sumara instalata de 2088W. Sistemul de iluminare realizat este alimentat de la doua panouri fotovoltaice cu puterea instalata de 170W. Energia produsa de panourile fotovoltaice este stocata in doua baterii cu capacitate de 75Ah de unde prin intermediul convertorului specializat se aplica la sistemul de iluminare. Totodata, in lucrare se prezinta datele masurate de stadia meteo digitala (radia^ia solara §i indicele de radiate ultravioleta), montata in apropiere de panourile fotovoltaice §i se face o analiza comparativa cu parametrii reali ai energiei electrice furnizate de aceste panouri, care sunt stocate automat pe calculator.
Cuvinte-cheie: sistem fotovoltaic, baterii de stocare, celule fotovoltaice, sistem de iluminare, LED-uri.
POWERED LED LIGHTING SUPPLIED FROM PV CELLS M.Tir§u, M.Uzun, A.Speian
Institute of Power Engineering of Academy of Sciences of Moldova, Chisinau, Republic of Moldova
V.Spivac, A.Bogdan
Institute of Applied Electronics of National University of Ukraine (Kiev Polytechnic Institute), Kiev, Ukraine
Abstract. The paper deals with practical realization of efficient lighting system based on LED’s of 80W total power mounted on corridor ceiling total length of which is 120m and substitutes existing traditional lighting system consisting of 29 lighting blocks with 4 fluorescent lamps each of them and summary power 2088W. Realized lighting system is supplied from two photovoltaic panels of power 170W. Generated energy by PV cells is accumulated in two accumulators of 75Ah capacity and from battery by means of specialized convertor is applied to lighting system. Additionally, paper present data measured by digital weather station (solar radiation and UV index), which is mounted near of PV cells and comparative analyze of solar energy with real energy generated by PV cells is done. Measured parameters by digital weather station are stored by computer in on-line mode.
Keywords. PV system, accumulators, PV cells, lighting system, LED’s.
СВЕТОДИОДНАЯ СИСТЕМА ОСВЕЩЕНИЯ, ПОЛУЧАЮЩАЯ ЭНЕРГИЮ ОТ
ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ M.Тыршу, М.Узун, А.Спеян
Институт Энергетики АНМ, г.Кишинев, Республика Молдова В.Спивак, А.Богдан
Институт Прикладной Электроники Технического Университета Украины (Киевский Политехнический
Институт), г.Киев, Украина
Реферат. В работе рассматривается практическая реализация эффективной светодиодной системы освещения общей мощностью 80Вт расположенной на потолке коридора длинной 120м, которая заменила существующую традиционную систему освещения состоящую из 29 корпусов освещения
каждый из которых имел по 4 флуоресцентных ламп общей мощностью 2088 Вт. Предложенная система освещения получает питание от двух фотопанелей общей мощностью 170Вт. Произведенная панелями энергия аккумулируется в двух аккумуляторах емкостью 75Ач каждый, откуда с помощью преобразователя подается к системе освещения. В работе представляются данные измеренные цифровой метеостанцией (энергия солнца и коэффициент ультрафиолетовых лучей), которая смонтирована рядом с фотопанелями, и проводится сравнительный анализ с реальными параметрами энергии, произведенной фотопреобразователем. Данные регистрируются в автоматическом режиме на компьютере.
Ключевые слова: фотопреобразовательная система, аккумуляторная батарея, система освещения, светодиоды.
Introducere
Republica Moldova este o tara cu resurse energetice proprii foarte limitate, din care cauza este nevoita sa importe peste 94%. Acest fapt se expune foarte negativ asupra securitatii energetice a tarii, precum §i direct asupra consumatorilor, care sunt nevoiti sa achite 35-55% din veniturile sale pentru serviciile comunale. Pe de alta parte, Republica Moldova dispune de un potential semnificativ de resurse energetice regenerabile, care poate fi introdus in balanta energetica a tarii. Amplasarea geografica a tarii ofera in jur de 260 de zile cu soare, potentialul caruia poate fi utilizat fie direct ca energie termica in baza colectoarelor solare sau ca energie electrica in baza celulelor fotovoltaice. Cele din urma au o aplicatie mai redusa din simplu motiv ca, pe moment, au un cost foarte ridicat, iar randamentul de conversie este in jur de 12-15% la celulele situate in gama de pret 3-5 €/W.
In lucrarea data se prezinta o solutie de utilizare a celulelor fotovoltaice in scopul iluminarii spatiilor publice in baza diodelor luminiscente, care permite recuperarea investitiilor in 3-4 ani. Acest sistem are o putere instalata de 80W, este divizat in 4 ramuri a cate 20 W, asigura o iluminare distribuita §i functioneaza in doua regimuri. Primul regim de functionare asigura o iluminare redusa §i are un consum de 20W. Aceasta intensitate de iluminare este de ajuns pentru regimul de deserviciu. Al doilea regim asigura functionarea la puterea nominala a ramurii respective sub care se afla persoana. Totodata, acest sistem este dotat cu senzori de mi§care, care la aparitia persoanelor in zona conecteaza ramura respectiva a sistemului la intensitate maxima.
O alta latura importanta in selectarea parametrilor sistemului fotovoltaic tine de alegerea corecta a puterii instalate a panourilor fotovoltaice in functie de consumul necesar, selectarea sistemului de stocare §i conversie, precum §i amplasarea optima a acestora fata de soare in diferite perioade ale anului. Pentru a solutiona efectiv aceasta problema in paralel cu sistemul fotovoltaic s-a montat §i o statie meteo digitala, ce permite monitorizarea parametrilor climaterici, precum §i masurarea cantitatii de energie degajata de soare pe 1m2. Aceste date sunt stocate in regim automat pe calculator §i apoi analizate.
Sistemul de iluminare pe LED-uri prezentat in lucrarea data este inzestrat cu sistem de protectie §i control, care in caz de epuizare a stocului de energie (descarcarea bateriilor) trece la sistemul traditional de energie electrica.
Descrierea generala a sistemului de iluminat
Sistemul este constituit din 2 panouri de celule fotovoltaice avand fiecare puterea de 80W §i respectiv 90W (fig.1).
Fig.l. Panourile fotovoltaice §i statia meteo digitala montata pe acoperi§ul cladirii
Aceste panouri fotovoltaice (PF) au fost conectate consecutiv §i tensiunea de la bornele acestora prin intermediul controlerului de incarcare se aplica la o baterie de acumulatoare cu tensiunea de 24 V. Tensiunea de la bateria de acumulatoare este aplicata la modulul electronic, care formeaza tensiune de 70V, curent continuu necesara pentru sistemul de iluminare pe LED-uri amplasat la etajul 4 al blocului IFA (str. Academiei 5, Chisinau), ce consuma in regim maximal 80W (fig.2).
Fig.2. Sistemul de iluminare realizat pe diode luminiscente
Coridorul are o lungime de 120 m §i o la^ime de 2,8 m. De asemenea, modulul electronic este inzestrat cu sistem de protec^ie a acumulatoarelor de la descarcare adanca, sistem de conectare la re^eaua tradi^ionala in caz de epuizare a stocului de energie, precum §i sistem de protec^ie a sistemului de iluminat de la suprasarcini (fig.3). Pentru eviden^a consumului de energie electrica de la re^ea sistemul se alimenteaza prin contor electric, ce va permite efectuarea analizei comparative cu sistemul anterior.
Fig.3. Sistemul de protec^ie, control §i dirijare cu sistemul de iluminare
Pentru posibilitatea studierii randamentului de convertizare a energiei solare in energie electrica a PF, selectarea pozi^iei optime in func^ie de perioada anului s-a instalat echipament special care inscrie in regim on-line pe calculator energia electrica produsa.
In cadrul sistemului realizat s-a montat §i o sta^ie digitala meteo, ce permite masurarea parametrilor climaterici: energia soarelui, radia^ia solara, indicele de radiate ultravioleta, direc^ia vantului, viteza vantului, umiditatea, cantitatea de precipita^ii, presiunea atmosferica etc. Toate aceste date sunt inregistrate pe calculator in regim automat. Analiza datelor ob^inute in complex cu cele de la PF va permite efectuarea unor concluzii veridice in privin^a randamentului real al PF fata de cel declarat, energia omisa in func^ie de pozi^ia selectata fata de razele solare etc.
Analiza datelor masurate de la PF
Pentru cercetarea caracteristicilor panourilor fotovoltaice instalate s-a conectat o sarcina, valoarea careia poate modificata. Initial valoarea sarcinii a fost de 9 Ohm. Rezultatele ob^inute in 21 septembrie 2011 sunt prezentate pe fig.4. Masurarile s-au efectuat cu un interval de 10s, inscriindu-se valoarea medie.
In acest caz diminea^a la orele 8 ambele panouri au fost orientate spre rasaritul soarelui sub un unghi drept fata de razele incidente. Dupa cum se vede din fig.4, tensiunea a continuat sa creasca pana in jurul orelor 930, dupa care a ramas constanta. La orele 1030 un PF a fost rotit astfel, ca unghiul de incident a razelor sa fie de 900, fapt ce este marcat prin cre§terea momentana a tensiunii de la 18V la 24V. La orele 1130 a fost rotit §i cel de-al doilea PF, care a mai majorat cu 7V tensiunea de ie§ire. Pastrand aceasta pozijie, observam ca pana la orele 14 tensiunea s-a pastrat la nivel de 30V dupa care a inceput exponential sa cada.
Fig.4. Tensiunea la bornele panoului fotovoltaic (PF) incarcat la o sarcina de 9 Ohm, ziua de
21.09.2011
Energia produsa pe parcursul acestei zile este prezentata in fig.5.
Fig.5. Energia produsa de PF in 21.09.2011
Dupa cum se vede din Fig.5 energia sumara produsa in aceasta zi a fost de 522Wh. Puterea instantanee maxima a fost la orele 1147 §i a constituit 105W, ce constituie 62% din puterea instalata.
In fig.6 este prezentata curba tensiunii de ie§ire la bornele PF pentru aceia§i sarcina de 9 Ohm, repetand procedura din 21.09.2011.
Fig.6. Variatia tensiunii la bornele PF pentru sarcina de 9 Ohm in 22.09.2011.
Caderile temporare de tensiune care apar pe curba se datoreaza norilor care acopera soarele.
Curba energiei produse este prezentata pe fig.7.
ГОООГ\|іХ>СЛ*3'СЛіЛГОа'>Г\|«£>ГчІОО
Н^НГОІЛГМ^Н^ОГОІЛМ'Ї
ІЛ Q го 00 (N Ю го іл гм ^ h m
О^СОГМЮНЮСЛ
0(N^Hrr)0(N^
ro
T-H ro
LDLOr^r^-r^OOOOO^O^OOOT-HT-HfNfNfNrOrO^'^'l-nLnLnLDLDr^r^r^-OOOO
Fig.?. Energia produsa de PF in 22.09.2011
Dupa cum se vede din fig.7 energia sumara produsa in aceasta zi este mai mica §i constituie 489Wh. Aceasta se datoreaza faptului, ca ziua de 22 septembrie a fost mai putin senina decat ziua de 21 septembrie. Puterea de varf a fost de 104W la orele 1225.
Incepand cu 01 octombrie a fost modificata sarcina de la 9 Ohm la 7 Ohm. Rezultatele masurarii sunt prezentate pe fig.8.
Din aceasta figura se observa, ca tensiunea la bornele PF depa§e§te valoarea de 30V pentru o sarcina de 7Ohm, ca §i pentru sarcina de 9 Ohm. Aceasta vorbe§te despre faptul, ca puterea de generare a PF este mai mare in acest caz, §i deci energia sumara produsa pe parcursul zilei va fi mai mare. In fig.9 este prezentata evolutia curbei energiei electrice produse de PF in aceasta zi. Totodata, trebuie de mentionat, ca multiplele fluctuatii ale tensiunii se datoreaza faptului, ca aceasta zi a fost noroasa.
10/05/2011
Гч*.Г,-0,3'СЧ<Х>ГОГОГОіЛОООСО«Х>НООПО<3'Н<3'Гд<—irsJ^^^^LDTHOOa^O rOOO^rMOLOt-H^tHO^fNLnrsJ^'fNLnrO^-HTH^tOrOLnTHrOLnrslO'^'^H
ююіїліліліліл^^^гогог'і^ннббббслслаіг^і^юілоогоїл^
1ЛНГ01ЛНГ01ЛНГ01ЛНГ01ЛНГ01ЛНГП1ЛНГ0^О^^О1\^Н^ОМ
(^ОООНННГ^Г^І^ГОГОГО^^^іЛіЛіЛЮЮШГ^Г^Г^ООООСЙСЛСГІОО
Fig.S. Tensiunea la bornele PF pentru sarcina de 7 Ohm Vedem, ca in funcjie de grosimea norilor tensiunea cade cu pana la 70%.
Fig.9. Energia produsa de PF in ziua de 10/5/2011
Din fig.9 se observa, ca energia produsa in 5 octombrie, care a fost o zi noroasa, este aproape de 450Wh, ce este mai mica cu aproximativ 8% decat in zilele senine.
Deci, in general, dupa cum §i era de a§teptat, cantitatea de energie electrica produsa de aceste PF este direct propor^ionala cu gradul de seninatate, precum §i intensitatea radia^iei solare. Pe de alta parte, panourile fotovoltaice au o caracteristica de sarcina neliniara §i depinde de sarcina. In fig.10 este prezentata caracteristica varia^iei tensiunii la bornele PF in func^ie de sarcina.
so
Fig.10. Curba varia^iei tensiunii la bornele PF in func^ie de sarcina
Din fig. 10 se vede ca de la o anumita sarcina tensiunea incepe sa cada. Pe fig. 11 este prezentata varia^ia curbei de putere a PF.
Fig.11. Varia^ia curbei de putere a PF la varierea sarcinii
Este evident, ca pentru a ob^ine o sarcina maxima este necesar de racordat sarcina cu puterea PF.
Analiza datelor colectate de la stafia meteo (energia solara)
Pentru a putea efectua o analiza corecta a randamentului panourilor fotovoltaice montate, precum §i energia maxim posibil de ob^inut de pe 1m2 in func^ie de randamentul PF s-a montat o sta^ie meteo digitala, care asigura inregistrare on-line direct pe calculator a parametrilor climaterici, inclusiv a energiei solare degajate pe 1 m2, indicelui radia^iei ultraviolete. Pentru perioada lunii octombrie 2011, 01-22 energia solara degajata pe 1m2 este prezentata in fig.12.
si
d octombrie2 £
>rc А IN
о ‘ V) £? 0.00 2 с ш '*■ с А
и.и -L 2:12 4:23 6:34 8:45 10:56 13:07 15:18 17:29 19:40 21:51
octombrie 17
800.00
CL 700.00
600.00
500.00
i— Г0 400.00
о «/> 300.00
(Z 45b 200.00
i— QJ 100.00
С LU
•
A
/ (
1 Г I
і t
1 ■ 1
НСЛГ^іЛПОіНСЛГ^іЛСОг! ОО^НГМГО^^І-ПОтНГМ OfN^lDWOfN^l^aiH T-H T-H T-H T-H r—I PsJ
Fig. 12. Energia degajata de soare pe parcursul zilelor 0i.i0.20ii-22.10.20ii, Wh/m /zi
Din fig. 12 se vede, ca energia solara degajata variaza intre 0 §i 725W/m2 §i are forma asemanatoare unei parabole. Totodata, trebuie de men^ionat ca in aceasta perioada degajarea energiei solare are loc intre orele 8 diminea^a §i 17-18 seara.
In fig.13 este prezentat caracterul evolu^iei maximului de energie degajat pe m2 in aceasta perioada.
E ' ''
E
i— ПЗ
од 200.00 О)
I
4 0 у Д /v «/у /Л гЛ- i^V /Л гЛ- А- гЛ-? ^ гг> & # & г° ч? -і? л- л- л- л- л- л- л- л л- л- V С vv & ^ ^ ^
Fig.13. Caracterul evolu^iei maximului energiei degajate de soare pe m in perioada
01.10.2011-22.10.2011
Din aceasta figura se observa ca energia solara/m2 in aceste zile s-a situat intre 72-786W/m2. Diferen^a mare dintre aceste doua valori este datorata norilor.
Un alt indice care caracterizeaza nivelul maxim de energie solara degajata {ine de indicele radia{iei ultraviolete. Caracterul de varia{ie a acestuia este prezentat in fig.14.
Fig.14. Caracterul varia{iei indicelui radia{iei ultraviolete in perioada 01-22 octombrie 2011.
Din aceasta figura se observa ca valoarea maxima care o atinge acest indice este de 4.7. Aceasta este o valoare caracteristica pentru aceasta perioada a anului. Acest coeficient este direct proportional cu energia solara degajata pe 1 m2.
In fig.15 este prezentata curba varia{iei cantita{ii de energie produse pe zi in aceasta perioada.
Energia sumara degajata de soare pe parcursul unei zile in perioada 01 - 22 octombrie cum se vede din Fig.15 a variat intre 235Wh §i 4725Wh. In baza acestor date se poate de estimat cantitatea de energie electrica posibil de produs de catre panourile fotovoltaice in func{ie de randamentul real al acestora.
Determinarea randamentului real al PF
Pentru a putea determina coeficientul real de conversie a PF este necesar de masurat energia solara degajata anume pe suprafa{a acestor panouri §i nu orizontal suprafe{ei solului. Aceasta inseamna ca traductorul de energie solara trebuie sa fie montat paralel cu suprafa{a PF. In acest caz rezultatele vor fi corecte. In a§a mod, pentru realizarea sarcinii date s-a montat traductoarele solar §i radia{ie ultravioleta . Pentru determinarea coeficientului de conversie s-a luat momentul de degajare a energiei maxime in ziua de 27 noiembrie §i respectiv energia generata de PF. Suprafa{a panourilor este de 1.17m2. Energia degajata de panouri la orele 12 era de 59W. Energia solara la acela§i moment degajata de soare era de 330W/m2. Daca recalculam energia produsa de PF pentru 1m2, ob{inem ca aceasta este de 50,5W/m2. In rezultat s-a stabilit ca randamentul PF constituie circa 15%.
21.10.2011
19.10.2011
1 1 1 1 1 1
17.10.2011 3.00
15.10.2011
13.10.2011
11.10.2011
09.10.2011
07.10.2011
05.10.2011
1 1 1
03.10.2011 1 1 1
1 1 1 1
01.10.2011 1 1 1 1
1 1 1
0. DO 50C О О О q D.00 150( Э.00 200( Eneria Э.00 250( >olara sur 1 1 1 3.00 3000.00 3500.00 4000.00 450( nara, Wh/m2 /zi D.00 500(
Fig.15. Energia solara sumara in perioada 01.10.2011-22.10.2011 (Wh/m2/zi)
Totodata, pentru a determina energia omisa de la ne rotirea dupa soare a PF, s-a utilizat raportul dintre energia solara degajata, coeficientul de conversie a PF §i energia reala ob^inuta de PF in conformitate cu formula de mai jos:
Wsp * npf - W,
unde Wsp - energia solara posibila; Wr - energia reala ob^inuta de PF; rjPF - randamentul de conversie a PF.
Dupa cum observam, in cazul men^ionat energia solara omisa de la ne rotirea PF constituie 30%.
Sistemul de stocare
Dupa cum observam din fig.1 energia solara nu este o valoare constanta. Aceasta variaza dupa caracterul unei parabole, iar in prezen^a norilor are un caracter aleatoriu. Din aceste considerente este imposibil utilizarea acesteia direct pentru sistemul de iluminare. Aceasta impune utilizarea unui stoc de acumulare, parametrii caruia depind de necesita^ile consumatorului. Pentru alimentarea sistemului nostru de iluminare de 80W in regimul doi, este necesar de avut o cantitate de energie egala cu aproximativ 600Wh/zi, dintre care in jur de 300 Wh se consuma in timpul lipsei energiei solare. Aceasta inseamna ca stocul nostru
trebuie sa aiba cel pu^in aceasta valoare. Pentru a avea o rezerva de 2-3 zile in lipsa totala a soarelui este necesar de o capacitate de 1200-1800Wh. Noi am selectat doua baterii a cate 75Ah, ceea ce inseamna maximum 1600Wh. In caz ca energia solara lipse§te o perioada mai indelungata (de exemplu pe timp de iarna) este necesar de prevazut alimentarea sistemului de la re^eaua tradi^ionala, precum §i incarcarea bateriilor.
Concluzii
1. In lucrare se prezinta un sistem inovativ de iluminare, realizat pe diode luminiscente, care sunt amplasate distribuit pe suprafa^a coridorului, §i are un consum de 25 ori mai mic ca sistemul pe tuburi fluorescente.
2. S-a determinat energia solara degajata pe 1 m2 in luna octombrie §i s-a stabilit coeficientul real de conversie a panourilor fotovoltaice.
3. S-a prezentat metoda de calcul a stocului de energie pentru asigurarea func^ionarii fiabile a sistemului de iluminat in lipsa a 2-3 zile a energiei solare.
Mulfumiri
Cercetarile au fost elaborate cu suportul Academiei de §tiin^e a Moldovei in cadrul proiectului bilateral Moldova-Ucraina Nr.15/UA „Conversia energiei solare in energie electrica in baza traductoarelor fotovoltaice (baterii)”.
