Conversia Energiei Solare. Efectul Fotovoltaic

Capitolul 1

Conversia energiei solare. Efectul fotovoltaic

1.1.Introducere

Omenirea se confruntă în acest secol cu câteva probleme majore cum sunt cele ale energiei, apei și alimentației, rezolvarea corectă a lor fiind esența preocupărilor pentru o dezvoltare durabilă.

O dezbatere despre energiile regenerabile trebuie să pornească de la problemele schimbărilor climatice și disponibilității resurselor, în condițiile unei importante creșteri demografice și a necesității de a permite accesul la energie a miliarde de persoane care în prezent sunt privați de acesta.

Studiile oamenilor de știință au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creștere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încălzire globală a atmosferei terestre de 2-6ºC, până la sfârșitul acestui secol, cu efecte dezastroase.

Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă și oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creștere permanentă a concentrației de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 360 ppm în prezent. În cel de al treilea raport al Grupului Interguvernamental de Evoluție a Climatului GIEC, prezentat în 2001, emisiile din anul 1990 au fost evaluate la 6,29 miliarde de tone echivalent carbon (tab. 1.1)

Tabelul 1.1

Estimând că la sfârșitul acestui secol populația globului va atinge circa 10 miliarde de locuitori, în condițiile unor drepturi de emisie uniforme pentru întreaga populație, pentru a nu depăși concentrația de CO2 de 450 ppm în atmosferă, ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor să se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru țările dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră (tab. 1.2).

Tabelul 1.2

Chiar și în ipoteza practică a dublării concentrației actuale de CO2 în atmosferă, până la 650 ppm, emisiile de CO2 în țările dezvoltate ar trebui reduse de aproape 4 ori. Rezervele convenționale de petrol și gaze naturale (Tabelul 3), potrivit aceluiași raport, la nivelul actual de consum, vor fi disponibile aproximativ 40 de ani. Ținând seama și de resursele care vor mai fi descoperite în anii următori, experții apreciază că până în anul 2020, producțiile de petrol și gaze vor mai crește, prețul petrolului păstrându-se în jur de 25 de USD/baril, după această dată producția urmând să scadă și prețul să crească spre 2040-2050 spre 50 USD/baril. Resursele neconvenționale de petrol (șisturile bituminoase și nisipurile asfaltice) estimate la 600 miliarde tep, vor reprezenta resurse suplimentare cu costuri superioare și emisii de CO2.

Fig 1.1. Stocul de carbon în combustibili fosili și scene de emisie

Emisii cumulate 2000-2100

Rezerve neconvenționale

Rezerve convenționale

Rezerve convenționale

GIEC a încercat sã stabilească legătura între utilizarea disponibilului de carbon din resursele existente și restricțiile impuse de limitarea concentrației de gaze cu efect de seră din atmosferă.( Figura 1.1). Rezultă că în perioada 1880-1998 a fost utilizată o cantitate de carbon relativ mică față de resursele încă existente. Cumulul emisiilor pe parcursul secolului XXI pentru șase scenarii de concentrații a gazelor cu efect de seră la sfârșitul secolului: 350,450,550,650,750,1000 ppm, evidențiază că în afara primului scenariu (350 ppm), puțin realist ținând seama de concentrația actuală, în toate celelalte scenarii se pot arde toate resursele convenționale de petrol și gaz. Utilizarea în întregime a resursele de cărbune, precum și a celor neconvenționale de gaz și petrol, nu se va putea realiza decât în cazul rezolvării problemei capturii și stocării CO2.

Prognoza consumului de energie primară realizată de Consiliul Mondial al Energiei pentru anul 2050, în ipoteza unei creșteri economice de 3% pe an, fără o modificare a tendințelor actuale de descreștere a intensității energetice și de asimilare a resurselor energetice regenerabile evidențiază un consum de circa 25 Gtep, din care 15 Gtep din combustibili fosili (Figura 1.2).

Figura 1.2 Scenarii energetice alternative 2050

Regenerabile

Nuclear

Gaz

Petrol

Cărbune

Pentru a se păstra o concentrație de CO2 de 450 ppm, ceea ce reprezintă circa 6 Gt carbon, cantitatea maximă de combustibili fosili utilizabilă nu trebuie să depășească 7 Gtep, rezultând un deficit de 18 Gtep care ar trebui acoperit din nuclear și surse regenerabile. Rezultă că pentru o dezvoltare energetică durabilă nu ar trebui să se depășească la nivelul lui 2050 un consum de 13-18 Gtep, acoperit din combustibili fosili 7 Gtep, din nuclear 2-3 Gtep si restul de 4-9 Gtep din resurse regenerabile.

Pentru atingerea obiectivului ambițios propus de țările Uniunii Europene de a reduce de patru ori emisiile la orizontul lui 2050 presupune o puternică «decarbonizare» a sistemului energetic, prin apelare atât la energia nucleară prin noi filiere, dar mai ales la sursele regenerative de energie. Ținând seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii și de înlocuire a instalațiilor existente este necesar să se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii curate și cu consumuri energetice reduse. În același timp este necesară o profundă evoluție a stilului de viată și o coerență a factorilor politici către o dezvoltare durabilă.

Utilizarea surselor de energie regenerabile SER au avantajul perenității lor și a impactului neglijabil asupra mediului ambiant, ele ne emițând gaze cu efect de seră. Chiar dacă prin ardere, biomasa elimină o cantitate de CO2, această cantitate este absorbită de aceasta pe durata creșterii sale, bilanțul fiind nul. În același timp aceste tehnologii nu produc deșeuri periculoase, iar demontarea lor la sfârșitul vieții , spre deosebire de instalațiile nucleare, este relativ simplă.

Orice tehnologie energetică și utilizarea SER prezintă unele inconveniente. Impactul instalațiilor eoliene asupra peisajului, riscul de contaminare a solului și al scăpărilor de metan la gazeificare, perturbarea echilibrului ecologic de către micro-hidrocentrale sunt câteva dintre acestea. Cele mai discutate inconveniente sunt însã cele legate de suprafața de teren necesară și de intermitența si disponibilitatea lor.

Este cunoscut faptul că pentru producerea unei puteri de 8 MW în instalații eoliene este necesară o suprafață de km2, însa din aceasta numai 1% este efectiv ocupată de instalații, restul putând fi utilizată în continuare pentru agricultură. Pentru producerea de energie fotovoltaică sunt necesare suprafețe importante. Astfel pentru o putere de 1 kW și o energie anuală de 1000 kWh sunt necesari 10 m2, dar suprafața acoperișurilor locuințelor ar permite instalarea câtorva mii de MW.

Intermitența energiei solare și eoliene poate fi compensată prin instalații de acumulare a energiei electrice sau termice sau prin producerea unor „vectori energetici „ intermediari, cum este hidrogenul obținut prin electroliză. Pentru energia hidraulică stocarea este mai facilă prin crearea unor lacuri de acumulare, iar pentru biomasă, aceasta poate fi stocată atât înaintea recoltării cât și după aceasta în depozite sau sub formă de biocarburanți.

Utilizarea SER a cunoscut un prim avânt după crizele petroliere din 1973 si 1980, dar a cunoscut o stagnare de circa 12 ani după contrașocul petrolier din 1986. Abia după încheierea protocolului de la Kyoto din 1998, țările dezvoltate au început sa-și propună programe extrem de ambițioase. Astfel la Summitul de la Johannesburg țările Uniunii Europene și-au propus o creștere anuală de 1% pentru ponderea SER în balanța energetică până în anul 2010 și o creștere a ponderii biocarburanților până la 5,75 % în același an. Aceste obiective nu pot fi atinse fără dezvoltarea cercetării și colaborării internaționale în două direcții principale.

Reducerea costurilor (eolian în largul mărilor, fotovoltaic) și a fezabilității industriale (geotermia de mare adâncime), biocarburanți de sinteză. Stocajul energiei electrice (centrale de pompare, acumulare, producere de hidrogen) și termice (acumulatoare la temperatură înalta) precum și ameliorarea prognozei pentru aceste energii și multiplicarea numărului de unități distribuite în teritoriu pentru echilibrarea sistemului electroenergetic. În paralel cu acestea sunt posibile sisteme de gestiune a cererii, de exemplu la nivelul „imobilelor inteligente”, care produc, stochează și utilizează energia.

În România potențialul anual al SER, potrivit datelor comunicate de Ministerul Industriei și Resurselor era estimat în anul 2002 la circa 9 milioane tep energie termică și 65 TWh energie electrică, tabelul 1.3, distribuită pe suprafața țării așa cum reiese din Anexa 1.

1.2.Tipuri de energie și eficiența lor

Aproximativ 80% din consumul energiei pe glob se bazează pe sursele de combustibil fosil: cărbune, petrol și gaze naturale. Aceasta este cauza multiplelor probleme de mediu, a poluării solului, aerului și apei, a ploilor acide și riscul schimbării climei pe glob. Ca să se evite schimbările ireversibile ale climei sau întreprins o serie de măsuri pentru a reduce nivelul poluării. Cercetările au arătat că emisiile de CO2 vor fi reduse cu 50-60% în următorii 100 de ani. Asta ar însemna că țările dezvoltate vor trebui să-și reducă drastic elementele poluante. Aceste reduceri dramatice vor duce în final la revizuirea sistemelor energetice mondiale.

Un studiu a arătat că în ultimii 100 de ani consumul global de energie bazat pe combustibili fosili a crescut datorită mai multor factori. În ultimii 40 de ani au avut loc însă cele mai mari creșteri. Există trei factori cheie care joacă un rol important în a stabili cum să se utilizeze cel mai bine calitățile diferiților combustibili fosili:

proprietățile fizice;

satisfacerea necesarului de energie;

consecințele asupra mediului.

Proprietățile fizice ale diferitelor surse au fost întotdeauna un factor important în capacitatea omenirii de a folosi energia. Cunoașterea resurselor de energie este foarte importantă pentru viitor din punct de vedere energetic pentru omenire. Impactul asupra mediului acestor surse de energie depind de proprietățile individuale ale diferitelor surse de energie. Conform Agenției Internaționale a Energiei (IEA) emisiile generate de consumul energiei pe glob vor crește cu aproximativ 70% până în anul 2020. Totuși cantitatea de energie solară care ajunge pe pământ de-a lungul unui an este echivalentă cu 15000 de ori consumul anual de energie al întregii lumi.

Producția și folosirea energiei are un anumit impact asupra mediului înconjurător. Consumul de energie din zilele noastre nu trebuie să-l depășească pe cel care va fi necesar pentru viitoarele generații. Peste jumătate din problemele de mediu vor înceta să se mai manifeste dacă energia se va folosi mai eficient.

Eficiența surselor de energie depinde de mai mulți factori cum ar fi:

puterea calorică;

emisiile emanate;

resursele naturale ale sursei;

procedeele tehnologice prin care se obține în final energia.

Factorul cheie pentru competitivitatea sistemelor de producere a electricității bazate pe energii regenerabile este prețul kilowattului-oră produs. Acest cost se calculează plecând de la prețul de investiție al sistemului de generare, de durata sa, de mărimea dobânzii la eventualul împrumut contractat și de costurile de funcționare legate de întreținere, de energia primară (care este gratuită dacă este vorba de soare, vânt …) și plătită în cazul combustibililor fosili, nucleari, etc.

În sistemele care funcționează într-o manieră aleatoare (eoliene, solare, hidro), productivitatea sistemului depinde fundamental de condițiile naturale (de exemplu, cât din perioada unei zile este însorită); în concluzie deci, costul de investiție depinde în mod direct de puterea critică. O instalație eoliană de 1MW poate furniza cel mult o putere de 1MW, dar ea nu poate produce această putere în permanență, din pricina fluctuațiilor vitezei vântului, spre deosebire de centralele care utilizează combustibili fosili sau nucleari. Pentru instalațiile eoliene, solare, micro-hidraulice, ceea ce contează este puterea generată (nu cea instalată).

Tabelul 1.3 prezintă randamentul instalațiilor de producere a electricității pe bază de energii regenerabile, instalații care nu se bazează pe ciclul clasic apă-vapori. Randamentul este raportul dintre energia furnizată de sistemul de producție în toată durata lui de viață și energia consumată pentru a construi sistemul de producție.

Factorul de randament este mai bun pentru instalațiile hidraulice de mare putere (durată de viață de peste 30 ani, ajungând chiar la 50 ani) în raport cu instalațiile hidraulice de mică putere (durată de viață între 20 și 50 ani).

Tabelul.1.3. Factorul de randament al sistemelor de producere a energiei electrice pe baza energiilor regenerabile.

Puterea instalațiilor eoliene a evoluat de la câteva sute de kW înainte de 2000 ajungând la ordinul de MW după 2000 și putându-se stabiliza la o putere de 5 MW în 2010. Durata de viață a unei instalații eoliene este de 20 până la 25 ani.

Sistemele fotovoltaice au un factor de randament foarte scăzut, din cauză că realizarea celulelor cu siliciu necesită multă energie. O celulă generează după tocmai 4 sau 5 ani energia consumată la fabricarea ei. Cum durata sistemelor fotovoltaice este de 20 – 30 ani, factorul de randament poate ajunge, în cele mai bune cazuri, la valoarea de 6.

1.3.Energii convenționale

Cel mai răspândit procedeu de producere a energiei electrice necesită o sursă de căldură care să asigure încălzirea apei în scopul obținerii de vapori sub presiune. Acești vapori, destinzându-se într-o turbină, antrenează generatorul (de curent alternativ), care produce energie electrică. După ce au efectuat lucrul mecanic necesar, vaporii sunt condensați cu ajutorul unei surse de frig, care este, în general, o sursă de apă rece (apă curgătoare, mare), în care se construiesc circuite de răcire. În figura 1.3 este reprezentat ciclul de producere clasică a energiei electrice.

În cazul în care căldura rezultată la condensarea vaporilor, este recuperată și utilizată pentru încălzire, apare noțiunea de cogenerare.

Sursa de căldură, este în mod clasic, rezultatul arderii combustibililor fosili (petrol, gaz, cărbune), sau rezultatul fisiunii nucleare, în reactoare proiectate să controleze amploarea acestei reacții.

Figura 1.3. Ciclul clasic de producere a energiei electrice.

Combustibilii fosili sau uraniul utilizate în aceste cicluri, pot fi înlocuite de surse regenerabile. Sursa de căldură poate fi astfel:

arderea biomasei (lemn, biogaz, deșeuri organice);

căldura din interiorul planetei (geotermică), ce poate fi obținută fie prin pomparea către suprafață direct a apei calde, fie exploatând temperatura ridicată a rocilor de adâncime, prin injectarea apei de la suprafață și recuperarea ei, după încălzire;

soarele, prin concentrarea razelor cu ajutorul unor oglinzi parabolice, sau prin exploatarea apei calde de la suprafața mărilor din zonele tropicale.

În cazul unor surse regenerabile de energie, nu este necesară sursa de căldură pentru producerea energiei electrice. Este cazul energiei eoliene, hidraulice și solare fotovoltaice.

În cazul energiilor eoliană și hidraulică, turbina ce antrenează generatorul electric, este antrenată la rândul ei de presiunea vântului sau a apei. În figura 1.4 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Figura 1.4. Modalitatea eoliană sau hidraulică de producere a energiei electrice.

Presiunea vântului este rezultatul energiei sale cinetice. Presiunea apei este rezultatul energiei sale potențiale și cinetice.

Energia electrică furnizată de generator, poate fi injectată direct în rețeaua electrică, fără utilizarea unui convertor static de putere, este indicat în figura 1.4, dar în acest caz, pentru a menține constantă frecvența tensiunii (și a curentului) la 50 sau 60 Hz, viteza generatorului trebuie menținută constantă, acționându-se pentru aceasta asupra orientării palelor turbinelor eoliene, sau, în cazul turbinelor hidraulice, prin reglarea debitului de apă.

Avantajul convertoarelor statice de putere constă, pe de o parte, în posibilitatea funcționării alternatorului la viteză variabilă și pe de altă parte, în creșterea randamentului conversiei energetice, prin reducerea complexității controlului mecanic al palelor turbinelor eoliene sau al debitului de apă în cazul turbinelor hidraulice. Acest tip de funcționare cu viteză variabilă se dezvoltă în domeniul generării hidraulice (mai ales pentru mică putere) și tinde să se generalizeze în cazul generării eoliene, unde acest tip de funcționare apare în mod natural, datorită variațiilor semnificative ale vitezei vântului.

În cazul generării solare fotovoltaice, energia electrică este produsă direct, prin intermediul celulelor semiconductoare de siliciu, pe baza energiei conținute de radiația solară. Convertoarele statice de putere sunt în general utilizate pentru a asigura optimizarea conversiei energetice. În figura 1.5 este reprezentată această modalitate de conversie energetică.

Figura 1.5. Modalitatea solară fotovoltaică de producere a energiei electrice.

Energia electrică mai poate fi produsă pornind de la un motor diesel sau o turbină cu gaz (derivată dintr-un motor cu reacție similar celor de avion), ce antrenează un generator electric. Sursa primară de energie este, în general, reprezentată de combustibili fosili, dar se are în vedere înlocuirea acestora cu biocarburant sau biogaz.

Acest tip de energii destul de cunoscute fapt pentru care nu se va insista mult asupra lor. Principalele surse de energie din zilele noastre și care au fost folosite până în prezent le-am denumit energii convenționale. Acestea sunt cele arătate la punctul 1 adică sunt derivate ale surselor de energie fosile, cărbune, petrol, gaze naturale. Din păcate singura sursă de energie care este convențională, regenerabilă și nepoluantă în comparație cu sursele de energie convenționale are o limitare fizică. Această energie este energia produsă de hidrocentrale. Noile tipuri de energie care se vor folosi trebuie neapărat să fie nepoluante.

Consumul anual de energie este acoperit de sursele fosile dar acestea au efecte secundare cum ar fi poluarea și sunt resurse care dispar.

1.4.Energiile neconvenționale

Energiile regenerabile sunt, la scara noastră a timpului, irosite continuu de natură. Ele au ca origine razele Soarelui, nucleul Pământului și interacțiunile gravitaționale ale Lunii și ale Soarelui cu oceanele. Există energii regenerabile de origine eoliană, solară, hidro, geotermică și provenind de la biomasă.

Originea surselor de energie, este legată de procesul de formare a universului, respectiv de activitatea Soarelui.

Energia radiației solare: este forma de energie care, la scara timpului, concepută în raport cu viața pe Pământ, este inepuizabilă.

Cantitatea de energie primită de la soare corespunde anual cifrei de 1,5 miliarde de milioane de MWh, ceea ce reprezintă circa 23 000 de ori consumul actual de energie, sau de 5 – 10 ori ansamblul tuturor rezervelor de combustibili fosili cunoscuți, inclusiv minereul de uraniu.

Energia geotermică: reprezintă energia termică (căldura) existentă în sau sub scoarța terestră.

Energia de legătură chimică: (sub forma în care o putem măsura) este energia care se eliberează într-o reacție chimică de oxido-reducere.

Energia nucleară, este energia ce se obține din legături nucleare.

Hidroenergia, energia eoliană, și energia mareelor sunt forme de energie accesibile direct, și din această cauză, au fost folosite din cele mai vechi timpuri. Din punct de vedere cantitativ, ele ne sunt accesibile prin intermediul energiei mecanice.

Energia combustibililor fosili este o energie eliberată de aceste materiale, într-un proces de ardere, accesibilă cantitativ prin intermediul căldurii degajate în reacția de ardere.

Bioenergia este energia obținută din plante, altfel decât sub forma focului de lemne. Dintre toate formele sub care se consumă energia, un loc deosebit îl ocupă energia electrică. În anul 1965 pe plan mondial, aproximativ 20% din energia primară consumată a fost transformată în energie electrică, iar în anul 2000, acest procent era de peste 40%.

În continuare voi prezenta modul de conversie a diferitelor forme primare de energiei în energie electrică.

1.5.Surse de energie regenerabile

Dezvoltarea tehnologiei pentru obținerea energiei regenerabile a luat un mare avânt în ultima perioadă astfel încât se preconizează că în viitor să se renunțe treptat la combustibili clasici, derivați ai combustibililor fosili, care au efecte secundare și asupra mediului înconjurător, dar și datorită resurselor limitate ale Pământului.

Printre sursele de energie regenerabile se numără valurile oceanelor, vântul, biomasa, apa geotermală, căldura solară și hidrogenul.

Utilizarea acestor energii se face cu precădere în țările care au o economie bine dezvoltată datorită costurilor ridicate de producere a energiei. Țările Uniunii Europene împreună cu Statele Unite ale Americii au pus un mare accent pe dezvoltarea acestor energii datorită faptului că sursele lor nu dispar niciodată și datorită faptului că sunt energii nepoluante.

Sursa eoliană disponibilă este evaluată pe scară mondială la 57.000 TWh pe an. Contribuția energiei eoliene off shore (în larg) este estimată la 25.000 – 30.000 TWh pe an, fiind limitată la locații care să nu depășească adâncimea de 50 m. Producerea mondială de electricitate în 2000, a fost de 15.000 TWh (ceea ce corespunde unei energii primare consumate de 40.000 TWh), rezultând un randament al ciclurilor termo-mecanice de 30-40%. Teoretic, energia de origine eoliană poate acoperi necesarul de electricitate pe plan mondial. În același timp, principalul inconvenient al acestei surse de energie, o reprezintă instabilitatea vântului. În perioadele de îngheț, ca și în cazul caniculei, cazuri în care cererea de energie este acerbă, efectul produs de vânt este practic inexistent, fapt care a condus, în dezvoltarea instalațiilor eoliene, la atașarea unor alte instalații de energii regenerabile caracterizate de un mai bun echilibru în funcționare, sau de sisteme de stocare a energiei electrice. Trebuie luat însă în calcul, în cazul sistemelor de stocare a energiei electrice de mare capacitate, prețul de cost ridicat al acestor sisteme, care sunt astăzi, în curs de dezvoltare.

Europa nu are decât 9% din potențialul eolian disponibil în lume, dar are 72% din puterea instalată în 2002. Ea a produs 50 TWh electricitate de origine eoliană în 2002, producția mondială fiind de 70 TWh. Potențialul eolian tehnic disponibil în Europa este de 5.000 TWh pe an.

Durata de viață a astrului solar este de 5 miliarde de ani, ceea ce conduce la concluzia că, pe scara noastră a timpului, el reprezintă o energie inepuizabilă și deci regenerabilă. Energia totală captată de scoarța terestră este de 720*106 TWh pe an. Dar disponibilitatea acestei energii depinde de ciclul zi-noapte, de latitudinea locului unde este captată, de anotimpuri și de pătura noroasă.

Energia eoliană este direct proporțională cu viteza vântului ridicată la puterea a treia.

Pentru a avea o idee despre energia eoliană în anii ’80 cel mai mare generator de energie eoliană avea o putere de 50kw iar în zilele noastre se finalizează proiectul unui generator care va produce 1500 kw. Una din țările cele mai dezvoltate din punct de vedere al energiei eoliene este Danemarca, care are o producție de energie de 1,2 TWh/an.

Energia solară termică se bazează pe producerea de apă caldă utilizată în clădiri, sau în scopul de a permite acționarea turbinelor ca și în cazul centralelor termice clasice, pentru producția de electricitate.

Fig. 1.6 VORTEC 7. În viitor noile modele de generatoare eoliene vor deveni competitive și demne de luat în calcul.

Această tehnică de a produce electricitate se aplică în cazul centralelor experimentale cu randamentul net într-adevăr mic, de 15%. Apele de suprafață ale mărilor sunt în mod natural încălzite de soare, ceea ce reprezintă un imens rezervor de energie în zonele tropicale. Proiectele de extracție a acestei "energii termice a mărilor" au la bază acționarea diferitelor mașini termodinamice. Acestea funcționează pe baza diferenței de temperatură dintre apa de suprafață (25 până la 30°C) și apa de adâncime (5°C la 1000 m adâncime). Pentru ca această soluție să fie practică ar trebui ca diferența de temperatură să fie mai mare 20°C, dar randamentul de 2% este foarte slab.

Energia solară fotovoltaică se bazează pe producerea directă de electricitate prin intermediul celulelor cu siliciu. Atunci când strălucește și atunci când condițiile climatice sunt favorabile, soarele furnizează o putere de 1 kW/mp. Panourile fotovoltaice permit convertirea directă în electricitate a 10 – 15% din această putere. Producția de energie a unui astfel de panou variază odată cu creșterea sau scăderea intensității solare: 100 kWh/mp/an în Europa de Nord, iar în zona mediteraneană este de două ori mai mare. Un acoperiș fotovoltaic de 5×4 metri are o putere de 3kW și produce 2 – 6 MWh/an. Dacă cei 10.000 km2 de acoperiș existenți în Franța ar fi utilizați ca generator solar, producția ar fi de 1.000 TWh pe an, aproape dublul consumului final de electricitate în Franța la începutul anilor 2000 (450 TWh).

Principalele obstacole în utilizarea pe scară largă a energiei solare fotovoltaice (și termice) le reprezintă, pe de o parte disponibilul de putere furnizată, care constrânge la stocarea electricității pentru o funcționare autonomă sau la utilizarea de soluții energetice complementare, iar pe de altă parte competitivitatea economică.

Energia solară este o altă variantă de a limita poluarea și de asemenea este o energie care se poate folosi dar ea este cu adevărat viabilă doar în țările ecuatoriale unde temperatura este cam aceeași în timpul anului.

Energia geotermală este tot o energie nepoluantă dar problema principală a acestei energii este datorată faptului că se găsește numai în anumite locuri, iar acestea sunt destul de rare. Energia geotermală este împărțită în energie hidrotermală și în energie termală normală.

Energia hidrotermală este ușor de utilizat și este cea mai folosită pe mapamond. Energia geotermală se obține prin forarea în subteran și prin folosirea apei calde.

China este lider mondial când vine vorba de încălzire cu apă geotermală pe când Statele Unite ale Americii este cel mai mare producător de energie electrică obținută din energie geotermală conform ABB (1998), iar 40% din Paris este încălzită de pompe de căldură.

Sursa hidro poate fi considerată prima sursă regenerabilă de electricitate. Potențialul mondial reprezintă un avantaj care trebuie exploatat. Producția de energie hidro la începutul anilor 2000 a fost de 2.700 TWh pe an, cu o putere instalată de 740 GW. Ea poate ajunge la 8.100 TWh în anul 2050 prin dublarea competitivă economic a puterii instalate. Tehnic exploatabili sunt 14.000 TWh din potențialul teoretic de 36.000 TWh.

Sursa hidro de mare putere (cu o putere mai mare de 10 MW) este exploatată în proporție de 100% din potențialul său maxim în țările industrializate. Barajele permit stocarea de energie, furnizând-o în momentele de maximă necesitate a cererii. În diferite cazuri, bazinele de stocare a energiei în amonte sau în aval, permit o adevărată stocare de energie utilizând instalații de tip turbo-alternatoare reversibile care realizează pompajul în perioada necritică. Această formă de stocare a energiei este foarte utilizată în lume. În Franța, 4.200 MW sunt instalați în acest scop.

Sursa hidro de mică putere (cu o putere inferioară de 10 MW) este constituită în parte de centralele pe firul apei, funcționarea lor depinzând în mare măsură de debitul apei. Aceste mici centrale sunt utilizate pentru o producție descentralizată. Producția mondială este estimată la 85 TWh. În Franța, centralele hidro de mare putere au atins practic pragul de saturație, rămânând de exploatat potențialul microhidro, care se estimează a fi de 4 TWh/an. O treime din acesta ar putea fi obținut prin ameliorarea instalațiilor existente, celelalte două treimi, prin instalarea unor echipamente noi.

De asemenea și hidrocentralele pot fi considerate ca făcând parte din sistemul energiilor regenerabile, totuși numărul lor este oarecum limitat.

Energia mareelor poate fi utilizată pentru a produce electricitate. În Franța, uzina de profil de la Rance (240 MW) a pus în practică această tehnică de producere a electricității. Alte proiecte importante sunt studiate în Canada sau Anglia. Dar, realizarea acestor proiecte nu este sigură, deoarece se modifică considerabil ecosistemul local.

Valurile reprezintă imense zăcăminte de energie. Puterea medie anuală pe coasta Oceanului Atlantic este cuprinsă între 15 și 80 kW/m de coastă. Energia valurilor nu se poate folosi însă pe scară largă. Prototipuri de centrale de acest gen sunt astăzi în fază de analiză și testare.

Temperatura planetei crește considerabil odată cu aproprierea de centrul său. În anumite zone de pe planetă, la adâncime, se găsește apă la temperaturi foarte ridicate.

Există totuși câteva tipuri de energie regenerabilă care sunt la îndemâna oricui, totuși ele sunt rar utilizate în zilele noastre, cel puțin în țara noastră, una din aceste surse este biomasa iar a doua este hidrogenul.

Geotermia de temperatură ridicată (150 până la 300°C) presupune pomparea acestei ape la suprafață, unde, prin intermediul unor schimbătoare de căldură, se formează vapori, care sunt utilizați ulterior în turbine, ca și în cazul centralelor termice clasice și astfel se produce electricitate.

Resursele geotermice cu o temperatură scăzută (mai mică de 100°C) sunt extrase cu ajutorul unor pompe termice, în scopul eliberării unei cantități de căldură pentru diferite necesități.

Potențialul geotermic natural este, în continuare, considerat limitat, deoarece există numeroase locații unde se întâlnește o temperatură foarte ridicată (mai mare de 200°C), dar nu există apă. Această resursă termică poate fi exploatată prin intermediul tehnologiei "rocilor calde și uscate", în curs de dezvoltare. Principiul constă în pomparea de apă prin intermediul primului puț către zonele de mare adâncime (mai mari de 3000 m) corespunzătoare fisurilor din rocă. Această apă reîncălzită urcă prin intermediul unui al doilea puț și permite producerea de electricitate ca și în cazul centralelor termice clasice. Totuși, potențialul acestui tip de energie nu este precizat.

Biomasa este, sub rezerva unei exploatări durabile a acesteia, o energie regenerabilă, care furnizează biocombustibili, în general sub formă solidă și biocarburanți, în general sub formă lichidă.

Lemnul acoperă mai mult de 10% din cererea de energie primară în multe țări din Asia, Africa și America Latină, în câteva țări din Europa (Suedia, Finlanda, Austria). Utilizarea lemnului ca sursă de energie a crescut foarte mult în ultimele decenii în țările în curs de dezvoltare, dar această resursă nu a fost exploatată durabil, determinând despăduriri masive. Emisiile datorate arderii lemnului într-o instalație industrială de încălzire sunt mai reduse decât în cazul arderii combustibililor fosili. Dacă pădurile din care provine lemnul sunt gestionate într-o manieră durabilă, emisiile de CO2 cauzate de această filieră de producție, nu ar fi decât cele cauzate de benzina consumată în cadrul operațiilor de plantare, recoltare și comercializare. Aceasta ar reprezenta aproximativ 5% din combustibilul vândut. Trebuie subliniat faptul că o energie regenerabilă nu este neapărat și o energie total nepoluantă.

Consumul de biomasă, ca energie primară, este în Franța de 10-11 Mtep (la începutul anilor 2000), în principal sub formă lemnoasă. Fără să se constituie culturi energetice specifice, potențialul de biomasă ar putea fi dublat, doar prin recuperarea sistematică a tuturor deșeurilor organice: deșeuri menajere și industriale ne-reciclabile, tratarea prin metanizare a filtrelor de epurare și a deșeurilor agricole, care ar genera biogaz. Potențialul energetic este de 60 TWh/an, adică 15% din consumul final de electricitate din Franța.

Biomasa este frecvent utilizată în sistemele de cogenerare care produc electricitate ca și în centralele clasice, prin valorificarea căldurii, altfel pierdută, din diverse aplicații: încălzirea încăperilor, nevoi industriale, agricultură, etc. Această tehnologie permite creșterea randamentului conversiei energetice.

Biocarburanții lichizi, mai scumpi din punct de vedere al obținerii și produși pe baza unor culturi energetice (stuf, trestie de zahăr, floarea soarelui, grâu, porumb, ș.a.), sunt cel mai bine puși în valoare în aplicații din domeniul transportului. Ei sunt utilizați în prezent, mai ales pentru alimentarea motoarelor termice, fiind amestecați cu mici cantități de carburanți tradiționali, pentru a le ameliora caracteristicile.

Majoritatea resturilor menajere din zilelor noastre sunt lăsate să se descompună deși din descompunerea lor rezultă metanul, un combustibil care poluează foarte puțin. Emisiile de gaz metan ale Norvegiei sunt estimate la 325.000 tone pe an. S-a descoperit că arderea gazului rezultat din resturile menajere este o sursă de energie foarte ieftină fapt care ar putea duce la o reducere semnificativă a consumului de petrol. Această formă de reciclare a energiei din resturi menajere este de departe cea mai ieftină sursă de energie pe care și-o poate permite omenirea în momentul de față.

1.6.Resurse și depozitare

Așa cum s-a arătat și mai sus una dintre cele mai eficiente surse de energie din viitor va fi gazul metan rezultat din descompunerea resturilor menajere. Acest gaz s-ar putea înmagazina în rezervoare ceea ce ar duce și la eliminarea problemelor cauzate de emisiile de metan în atmosferă. Această metodă s-a implementat deja în Statele Unite ale Americii.

Biodiesel este un combustibil pentru care nu se plătesc taxele de poluare așa cum prevede legislația din câteva țări Europene, printre care se numără Germania, Franța și Suedia. Prețul lui este competitiv și este vândut în cantități destul de mari. El este competitiv cu dieselul obișnuit și din punct de vedere calitativ. Utilizarea biodiesel-ului reduce cu până la 40% emanațiile de CO2.

Sistemele de încălzire solară sunt și ele una din sursele de energie regenerabile, și ele pot reduce consumul de energie dintr-o locuință cu până la 25-35%. Sistemele de încălzire solare se împart în două tipuri: active și pasive. Un sistem de energie activă este alcătuit din trei componente: panouri solare, convertor termic și partea de depozitare.

Pompele de căldură se bazează pe sursele de căldurã din sol și aer. Ele sunt utilizate de obicei în țările din Peninsula Scandinavă datorită iernilor lungi.

În 2003 populația din Danemarca a folosit din surse regenerabile de 1/5 din energia consumată. Efectul acestui fapt a fost reducerea cu 35% a emisiilor de CO2. În viitorul apropiat se preconizează că cele mai folosite energii regenerabile vor fi vântul și bioenergia.

Politica Uniunii Europene din punct de vedere energetic se concentrează foarte mult asupra surselor de energie regenerabile. În tabelul 1.4 de mai jos se poate vedea o statistică făcută în anul 1999 unde se arată consumul total de energie din Danemarca și previziunile pentru anul 2010.

Tabelul 1.4. Consumul total de energie din Danemarca

1.6.1.Energia regenerabilă pe glob

În figura 1.7 este reprezentată repartiția, între diferitele surse de energie regenerabilă (geotermică, biomasă, eoliană, hidraulică), a energiei electrice produse în fiecare din țările CEE în anul 1999.

La începutul anilor 2000, Comisia Europeană a decis să încurajeze creșterea ponderii energiei electrice produse în Uniunea Europeană, pe baza surselor regenerabile. Europa celor 15 va trebui să crească această pondere de la 14,2% în 1999 la 22,1% în 2010. Figura 1.8 ilustrează comparativ, pentru fiecare țară, ponderea energiei electrice produse pe baza energiilor regenerabile în 1999 și obiectivele fixate pentru 2010.

Integrarea în 2004 în Uniunea Europeană a 10 noi membri, a modificat sensibil ponderea energiei electrice de origine regenerabilă, vizată pentru 2010, de la 25%, la 21%.

Creșterea puterii eoliene, în 2003 față de 2002, este de 23,5% în Europa, de 27,1% în America de Nord și de 25,1% pe plan mondial. Avântul acestei modalități de producere, este deci, remarcabil. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene în 2003 este de 5443 MW. În fruntea listei țărilor Uniunii Europene se află Germania (14609 MW), Spania (6411 MW) și Danemarca (3110 MW). Pentru comparație, iată aici puterile eoliene instalate în câteva alte țări, în 2003: Portugalia (301 MW), Franța (253 MW), Belgia (67 MW), România (1 MW). Generatoarele eoliene situate în largul mărilor (off-shore) se vor dezvolta foarte mult în anii următori. La sfârșitul anului 2003, Uniunea Europeană avea aproape 300 de generatoare eoliene instalate în largul mărilor, însumând o putere totală de 540,2 MW.

Figura 1.7. Repartiția [în %] a producției de energie electrică, pe baza surselor regenerabile de energie, în 1999, în țările Uniunii Europene.

Figura 1.8. Ponderea energiei electrice [în %] de origine regenerabilă produsă în 1999 și obiectivele europene pentru 2010.

Energia solară fotovoltaică nu apare în figura 1, deoarece era foarte puțin semnificativă în 1999. Creșterea însă a acestei filiere se dovedește a avea importanță: între 2002 și 2003, ea a atins 43,4%. Puterea instalată în cadrul Uniunii Europene, a fost în 2003, de 562,3 MW. În fruntea listei țărilor Uniunii Europene se află Germania (397,6 MW), Olanda (48,63 MW), Spania (27,26 MW) și Italia (26,02 MW). Pentru comparație, iată aici puterile instalate în câteva alte țări, în 2003: Franța (21,71 MW), Portugalia (2,07 MW) și Belgia (1,06 MW). Se remarcă faptul că nu țările aflate în sudul Europei dezvoltă cel mai mult filiera fotovoltaică.

1.7. Celule solare

Structura de bază a unei celule solare este arătată în figura 1,14. Radiația incidentă creează perechi electron-gol în materialul semiconductor. Electronii și golurile sunt separate de o joncțiune (o homojoncțiune, o heterojoncțiune, o joncțiune indusă,

o barieră Schottky). Acești purtători de schimb formează curentul electric prin celula solară și trebuie

să fie colectați prin contactele ohmice.

Condițiile pentru o eficiență de conversie mare sunt:

– condiții fotonice: fotonii absorbiți trebuie să creeze perechi electron-gol cu minim de pierderi de energie. Dacă energia lor hv este mai mică decât lățimea benzii Es, fotonii sunt pierduți pentru producția de electricitate. Pentru energii hv mai mari decât Eg, excesul (hv-Eg) este dat unei rețele și este de asemenea pierdut. Aceste pierderi fundamentale depind de potrivirea dintre spectrul solar și capul benzii mate-rialului.

Reflexia de către suprafața frontului trebuie să fie minimă. Acest lucru poate fi obținut prin minimizarea ariei frontului prin pulverizarea unui strat antireflexiv, de folosirea suprafeței piramidale.

Absorbția materialului trebuie să fie maximă. Aceasta poate fi cauzată de coeficientul de înaltă absorbție, a și de captarea luminii.

– condiții electrice: electronii trebuie să fie separați de goluri printr-un câmp electric al joncțiunii. Purtătorii minoritari care se mișcă în unghiul de difuzie sunt colectați. Unghiul de difuzie este o proprietate a materialului și depinde de asemenea de calitatea materialului. Unghiul de difuzie este determinat de constanta de difuzie și de timpul de viață al purtătorilor minoritari, determinat de procesele de recombinare volumice. Nu numai recombinarea volumică trebuie să fie minimă, dar și recombinarea ia frontierele granulare și la suprafețele din față și din spate. Aceasta este influențată de pasivizarea frontierei granulare de către câmpul suprafeței din spate, de pasivizarea oxidului la suprafață, de o joncțiune indusă. Voltajul circuitului deschis V0c trebuie să fie maximizat. Acesta depinde iarăși de gradul benzii materialului și de dopare. Rezistivitatea electrică trebuie să fie minimă. Aceasta depinde de rezistivitatea materialului semiconductor, de rezistența contactului metal-semiconductor și de rezistența metalului.

Progresele făcute în mai mult de 30 de ani sunt în optimizare pentru maximă eficiență la toți parametrii enumerați mai sus. Procesul este bazat pe cercetare funda-mentală, pe simulare pe computer, pe introducerea de procese tehnologice. Multe s-au învățat din dezvoltările microelectronice, folosind aceleași materiale. O distincție trebuie făcută între eficiențele obținute în laborator și cele din producția industrială. Pentru a obține eficiență în laborator nu există conținut de cost care se ia în considerare la alegerea materialelor și procedeelor. Pentru eficiența celulelor în producția industrială, alți factori sunt importanți: scala largă de materiale disponibile, toxicitatea materialelor și a procesului de producție, costurile materialului și ale procesului.

Celulele solare pot fi folosite cu sau fără concentrație. Depinde de costurile concentratorului, concentrația poate conduce potențial la costuri mai scăzute. Astăzi avem mai puțină experiență cu concentrația, datorită complexității sistemului. Cele mai bune eficiențe obținute în laborator sunt arătate în tabelul 1.5.

Tabelul 1.5

Singurele celule din producția industrială de astăzi sunt: cu siliciu hidrogenat amorf, cu siliciu monocristal și cu siliciu policristalin. Siliciul amorf este acum mai mult folosit în aplicații ale produselor de consum (calculatoare, ceasuri etc.) și în aplicații de mică putere (iluminarea străzilor și grădinilor). Eficiența lor scade cu 10% la început și apoi se stabilizează. Celulele de siliciu cristalin sunt mai mult folosite pentru aplicații de puteri mai mari. Celulele solare cu film subțire de CdTe și CIGS sunt foarte promițătoare. Eficiența lor este relativ ridicată ca și potențialul lor pentru costuri scăzute. Numai producția industrială poate dovedi importanța acestor celule.

1.8.Energia termo-solară

Soarele scaldă Pământul cu o imensă cantitate de energie și este, de departe, cea mai importantă sursă de energie pentru noi. El încălzește atmosfera pământului, vaporizează apa din oceane, direcționează norii rezultați prin curenți de aer, spre continente, acolo unde își dovedesc utilitatea determinând ploile și menținând debitele râurilor. Aceasta este o modalitate directă de a folosi această energie și face parte din procesele fiziologice ce au loc pe pământ de milioane de ani.

Însă Soarele poate face “un pic” mai mult: ar putea să asigure întreaga cantitate de energie de care are nevoie o societate industrială modernă la scară mondială pentru un viitor nedefinit, ceea ce nu poate face o sursă de energie convențională. Energia solară trimisă în fiecare zi spre Pământ, un flux de energie care corespunde unei puteri de 170 miliarde MW totalizează energia pe care planeta, populată cu 6,1 miliarde de locuitori, o poate consuma în 27 de ani. Prin utilizarea a doar 1% din energia solară captată de Terra pentru o populație de circa 6 miliarde de oameni (anul 2000), ar reveni fiecărui locuitor o putere de 30 kW, cu o durată de 4-5 ore zilnic, s-ar putea produce circa 50.000 kWh pentru fiecare locuitor față de circa 3.000 kWh produși în prezent ceea ce ar putea asigura necesitățile energetice ale omenirii. Din păcate energia solară prezintă o serie de dezavantaje: concentrația de energie solară este mică, iar captarea ei se face greu, cu cheltuieli mari și este distribuită neregulat în timp și pe suprafața planetei.

Până nu demult resursele naturale regenerabile ale Terrei erau suficiente pentru nevoile omenirii. În prezent, ca urmare a exploziei demografice și a dezvoltării fără precedent a tuturor ramurilor de activitate, necesarul de materie primă și energie pentru producția de bunuri a crescut mult, iar exploatarea intensă a resurselor pământului relevă, tot mai evident, un dezechilibru ecologic. Perfecționarea și modernizarea proceselor tehnologice, utilizând cele mai noi cuceriri științifice, au redus mult consumurile specifice de materii prime, dar nu și pe cele energetice. Ca urmare a industrializării și creșterii producției de bunuri au sporit mult materialele ce afecteaza mediul ambiant. Creșterea economică, enorm accelerată, se bazează în majoritate nu pe surse regenerabile de energie, ci pe energia cheltuită prin folosirea combustibililor fosili, neregenerabili: cărbuni, țiței, gaze naturale.

Poluarea și diminuarea drastică a depozitelor de materii regenerabile în cantități și ritmuri ce depășesc posibilitățile de refacere a acestora pe cale naturală au produs dezechilibre serioase ecosistemului planetar.

Alvin Toffler observa cu sarcasm: "Pentru prima dată o civilizație consumă din capitalul naturii, în loc să trăiască din dobânzile pe care le dădea acest capital!". Asigurarea unei calități corespunzatoare a mediului, protejarea lui – ca necesitate a supraviețuirii și progresului – reprezintă o problemă de interes major și certă actualitate pentru evoluția socială. În acest sens, se impune păstrarea calității mediului, diminuarea efectelor negative ale activității umane cu implicații asupra acestuia.

Energia solară poate fi însă captată și folosită sub formă de căldură în aplicații termo-solare, sau poate fi transformată direct în electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice .

Pentru a înțelege cum sistemele termo-solare captează energia solară, este important să înțelegem cum aceasta își urmează cursul de la soare spre Pământ și cum acest flux se schimbă periodic.

1.9. Reacția de fuziune

Reacțiile de fuziune din Soare au loc între atomii de hidrogen, care se combină câte doi și formează un atom cu nucleu de heliu. În urma acestui proces se degajă energie sub forma unor radiații cu energie mare, mai cu seamă raze gamma. În timp ce această radiații migrează din centru spre exteriorul sferei solare, ele reacționează cu diferite elemente din interiorul soarelui și se transformă în radiații cu energie mică.

Fig. 1.20. Reacția de fisiune între doi atomi de hidrogen

Lumina Soarelui provine de la un înveliș de grosime mai mică de 300 km, fotosfera. Aceasta este cea care dă impresia că Soarele are o margine bine delimitată. Temperatura sa este de aproximativ 6000 de grade Celsius. Văzută prin telescop ea se prezintă ca o rețea de celule mici strălucitoare, sau granule aflate într-o permanentă agitație. Fiecare granulă este o bulă de gaz de mărimea unei țări de dimensiunea Franței. Ea apare, se transformă și dispare în aproximativ 10 minute. În urma acestei reacții se degajă caldură și lumină. Acest lucru permite Soarelui să strălucească. În fiecare minut 400 de milioane de tone de hidrogen se transformă în heliu în centrul Soarelui. Ținând cont de constanta solară (1,94 cal/cm2/min) această energie este echivalentă cu cea eliberată de explozia a 100 miliarde de bombe cu hidrogen pe secundă. Zona unde se produc aceste reacții nu reprezintă decât un sfert din raza Soarelui, dar ea cuprinde jumătate din masa acestuia. Lumina emisă din această zonă nu ajunge la suprafață decât dupa 2 milioane de ani, pentru că ea se ciocnește fără încetare de atomii de gaz din interiorul Soarelui. Când Soarele devine mai activ suprafața sa se acoperă de pete și se observă mai multe erupții. Acestea eliberează în spațiu raze X, ultraviolete și unde radio. Ele sunt însoțite de producerea unui flux imens de particule atomice încărcate electric: vântul solar. Cele care au mai multă energie ajung până la Pamânt în câteva ore și se strâng în jurul planetei noastre formând centuri de radiații. Celelalte au nevoie de o zi sau două pentru a ajunge la noi; ele sunt deviate de scutul magnetic al Pământului, magnetosfera și sunt atrase de polii magnetici. Căzând în atmosferă ele produc un efect: aurorele polare. În emisfera nordică acestea sunt numite aurore boreale iar în cea sudică aurore australe.

Soarele a produs în acest fel energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani, însă sistemul solar este menit să dispară. În mai puțin de 5 miliarde de ani tot hidrogenul aflat în centrul său va dispărea. Noi fenomene se vor declanșa și Soarele va crește în dimensiuni: se va transforma într-o stea gigantică roșie. Pamântul va deveni atunci un adevărat cuptor: temperatura de la suprafață va atinge în jur de 2000 grade Celsius și din această cauză totul se va transforma în rocă fierbinte. Cu mult înainte de aceasta oceanele vor fi secat și întreaga viață va fi dispărut. După ultimele tresăriri, Soarele va înceta să mai crească. Materia se va contracta pentru a da naștere unei stele mici, de dimensiunea Pamântului, dar cu o densitate deosebit de mare, o pitică albă care se va stinge treptat lasând sistemul solar în frig și întuneric.

Pământul se rotește în jurul soarelui la o distanță de aproximativ 150 milioane de km. Radiațiile se transmit cu viteza de 300.000 de km pe secundă, viteza luminii. Timpul necesar pentru a ajunge pe Pământ este de aproximativ 8 min.

Fig 1.21. Rotirea în jurul soarelui la o distanță de aproximativ 150 milioane de km

1.9.1.Cantitatea de radiații ce ajung pe Pământ

Cantitatea de energie solară ce atinge la un moment dat un anumit loc de pe suprafața Pământului se numește constantă solară, valoarea ei depinzând de mai mulți factori. Dacă soarele este la amiază și cerul este senin, radiația pe o suprafață orizontală este de aproximativ 1000 W pe metru pătrat. Se observă scăderea constantei solare când suprafața nu este orientată perpendicular pe razele soarelui.

1.9.1.1Variația sezonieră

Pământul se învârte în jurul axei sale o dată pe zi și se rotește într-o orbită eliptică, în jurul soarelui, o dată pe an. Axa în jurul căreia se învârte Pământul este înclinată cu aproximativ 23 de grade față de verticală. Această înclinare a dat naștere anotimpurilor: privit de pe o emisferă când axa Pământului este înclinată spre Soare, acea emisferă primește mai multe radiații solare (vara). Șase luni mai târziu, când emisfera respectivă este depărtată de Soare (iarna), în cealaltă emisferă este vară, deci cantitatea de radiații solare ce va atinge Pământul în această zonă este mai mare.

Fig 1.22. Unghiul de incidență în ceea ce privește rotirea Pământului

Înălțimea la care se găsește soarele pe cer afectează și ea valoarea constantei solare.

Tehnologiile "termo-solare" folosesc căldura razelor solare pentru a produce apă caldă, energie electrică și pentru a încălzi unele locuințe. Aplicațiile termo-solare se extind de la un simplu sistem rezidențial de încălzire a apei până la stații foarte mari de generare a energie electrice.

Dacă ne gândim la Soare, ne gândim la căldura blândă pe care ne-o dă tuturor deopotrivă: pământ, ființe și obiecte. Razele infraroșii emise de Soare ating suprafețele încălzindu-le. Transferul de energie termică prin radiație are loc datorită proprietății corpurilor de a radia, în spațiul care le înconjoară, energia sub formă de unde electromagnetice și de a absorbi (parțial) asemenea radiații. Energia radiațiilor provine din energia internă a corpurilor emitore si diferă de la o radiație la alta, cea mai mare fiind aceea transportată de radiațiile infraroșii. În fapt, radiația infraroșie dirijată în cea mai mare parte de sus în jos, va încălzi solul, coeficientul de absorbție fiind crescut. Toate suprafețele încălzite vor deveni la rândul lor emitori de temperatură scăzută. Aceasta contribuie la încălzirea aerului prin convecție, iar pierderile de căldură globale rămân mult inferioare celor obținute cu un alt mod de încălzire.

Pe parcursul istoriei, oamenii au folosit căldura soarelui pentru diferite întrebuințări casnice. Astăzi, energia termo-solară este folosită aproape în orice climat pentru a furniza o sursă sigură și ieftină de energie. În ultimii ani energia termo-solară este folosită pentru crearea aburilor ce alimentează turbine generatoare de energie electrică. Lumina solară are un rol foarte important în hrănirea noastră. Toate alimentele și toți combustibilii fosili folosiți de noi sunt produși ai fotosintezei, proces ce transformă energia luminii solare, în forme chimice de energie ce pot fi folosite în sisteme biologice.

Oamenii au folosit razele solare pentru diferite întrebuințări de secole dar conceptul propriu-zis de energie termo-solară a apărut în anul 1767 când omul de știința elvețian Horace de Saussure a inventat primul colector solar, sau "cutia fierbinte". Renumitul astrolog Sir John Hershel a folosit în anul 1830 aceste "cutii fierbinți" pentru a găti în timpul expediției sale în sudul Africii. Energia termo-solară a devenit foarte importantă în unele părți ale Africii pentru gătit și pentru distilarea apei. Încălzirea solară a început să ia amploare când Clarence Kemp a patentat primul sistem comercial de încălzire a apei în anul 1891. Ideea a prins repede în regiunile unde trebuia importat combustibil pentru încălzirea apei.

Sistemele de încălzire prin radiație implică costuri de investiție relativ mari, însă costurile de exploatare sunt mult mai reduse decât la sistemele clasice de încălzire, economiile de energie realizate fiind de cca. 35÷62%. Procentul depinde de mai mulți factori: gradul de izolare al clădirii, tipul de instalație de încălzire cu care se face comparația, aer cald sau corpuri statice, înălțimea spațiului care urmează a se încălzi etc.

Aceste sisteme de încălzire sunt utilizate cu rezultate deosebite în cazul magazinelor foarte mari, sălilor de sport, piețelor acoperite, atelierelor, în încălzirea posturilor de lucru situate la distanțe mari, în cazul depozitelor, platformelor de încărcare a mărfurilor, garajelor, spălătoriilor auto, terenurilor de tenis acoperite, serelor, grădinilor, halelor și parcurilor de expoziții acoperite, crescătorii de păsări sau animale etc.

În anul 1987, aproape 30% din casele din Pasadena, California (S.U.A.) aveau un sistem termo-solar de încălzire. Încălzirea solară a apei a înflorit (în S.U.A.) în timpul anilor ’70 când prețul energiei a început să crească accentuat. Datorită faptului că încălzirea apei într-o reședință poate însemna până la 40% din consumația totală de energie, încălzirea solară joacă un rol important în multe țării. De exemplu, aproximativ 1.5 mil de clădiri din Tokyo, și peste 30% dintre cele din Israel au sisteme de încălzire solară a apei. Energia termo-solară mai poate fi folosită și indirect pentru alimentarea cu aburi a unei turbine generatoare de electricitate. Aceasta metoda este foarte eficientă și competitivă. Prima aplicație comercială a acestui sistem a apărut la începutul anilor ‘80. În Statele Unite aceastã industrie este coordonată de către Departamentul American de Energie și a crescut foarte mult datorită proiectelor inițiate de acesta.

CAPITOLUL 2

Rolul climatului radiațiilor solare în proiectarea sistemelor fotovoltaice

2.1. Caracteristicile climatului cu radiații solare în diferite parți ale Lumii

Climaul solar cât și radiațiile solare au un impact deosebit atât asupra proiectării unui sistem solar cât și asupra montajului propriu zis. Proiectanții au nevoie atât de datele solare cât și de datele legate de temperatură. Temperatura afectează performanțele unei instalații solare. Când vine vorba de utilizarea unei surse de energie alternative se pune problema corelãrii corecte a debitului de energie a unei centrale și necesarul consumatorului. Furnizorul de energie trebuie să ia in considerare o metodă de depozitare a energiei produse pentru a realiza o furnizare destul de stabilă având în vedere că energia solară nu se distribuie în mod egal în toate zonele de pe Glob și intensitatea radiației solare variază în funcție de momentul din zi. În mod ideal un proiectant ar trebui să aibe datele legate de intensitatea radiației solare pentru diferite zone ale Globului și datele legate de temperatură, măsurate la nivel de ore din zi și în funcție de anotimp. Astfel de date sunt rare și de aceea în ultimii ani s-a realizat o abordare statistică astfel incat să se umple acest gol din domeniul proiectării. Toate aceste date sunt esențiale pentru o proiectare eficientă a unui sistem solar autonom.

2.1.1. Definiții de termeni și unități de măsură asociate

Radiația solară de undă-scurtă care cade pe o suprafață orizontală provenită de la soare și ozon combinate se numește radiația globală de undă-scurtă. Fluxul radiației globale de undă-scurtă, care reprezintă energia radiată pe unitate de timp, este cunoscuta sub denumirea de iradiere, simbol G.Unitatea de mãsurã este [Wm-2] .

În mod tipic perioada de iradiere se mãsoară în ore, de unde rezultă iradiația globală în ore Gh cu unitatea de măsură [] sau [] sau în zile Gd [], sau în luni Gm [] pe lună sau pe lună. Iradiația medie zilnică dintr-o lună este notata cu (Gd)m .

Radiația globaă poate fi impărțită în două componente: unda de radiație directă și radiația difuză. Metoda de indicare a perioadei de integrare pentru aceste date de iradiere corespund celor folosite pentru iradierea globalã și anume Bh, Bd,Bm și (Bd)m sunt simboluri folosite pentru unda de radiație directã și Dh, Dd, Dm și (Dd)m sunt pentru unda de radiație difuză în funcție de perioada de măsurare h – ore, d – zile, m – luni și media lunară.

Radiația solară este prezentată de multe ori intr-o formă adimensională notată cu KT numit și index de claritate al radiației.Această valoare reprezintă raportul dintre iradiația globală la suprafața panoului și iradiația globală de la nivelul atmosferei în aceeași unitate de timp. Trei perioade de integrare sunt des folosite în aceasta lucrare: indexul de claritate in ore KTh care reprezintã Gh/Goh, indexul în zile KTd care reprezintã raportul Gd/God și indexul de claritate al mediei lunare KTm care este (Gd)m/(God)m.Goh, God si (God)m sunt cantitățile globale de iradiație la nivelul atmosferei pentru perioadele de integrare definite de indicii fiecărei cantități.

Constanta solară I0 reprezintă iradierea la nivelul atmosferei a razei solare la distanța solară medie.Valoarea acceptată este 1367 Wm-2. Distanța Pămantului față de soare se modifică pe parcursul anului datorită mișcării de revoluție. Simbolul folosit pentru corectarea acestei distanțe medii este . Iradierea extraterestră normală este deci [Wm-2].

2.1.2. Variabilitatea radiațiilor solare și implicațiile ei în proiectare

Proiectanții din domeniul fotovoltaic se confruntă în esență cu problema de a realiza o performanță optimă în conversia energiei naturale în energie electrică prin realizarea de materiale cât mai sensibile la radiațiile solare astfel ca perechile de purtători de sarcină, în speța electron-gol, să se genereze cât mai ușor. Trei situații de bază în ceea ce privește claritatea cerului, pot fi identificate: cer senin, cer parțial senin sau cer inorat. Acoperirea cerului cu nori este prima cauză în ceea ce privește variabilitatea intensității radiației solare de la un minut la altul și de la o zi la alta. Modelul tipic de acoperire cu nori variază în funcție de locația geografică. În climatul de deșert nu avem nici un nor pe cer zile la rând. În climate maritime la latitudini mari, pot fi nori pe cer o perioadă mai lunga în continuu, mai ales iarna când pot să fie foarte puține zile însorate. Statistici legate de perioade de înorare și de însorire, care în ultima vreme sunt destul de dispoinibile pe site-uri de profil, vin cu informații de mare importanță în proiectarea unui sistem în funcție de zona de amplasare a lui și ne informează cu privire la viabilitatea realizării unei astfel de instalații intr-o anumită zonă având în vedere cantitatea de radiiații anuală. Astfel de statistici sunt disponibile sub forma unor hărți sistematice care scot în evidența climatul diferitelor zone din Europa și din alte părți ale lumii. Având în vedere că un proiect eficient are nevoie de date solide în ceea ce privește cantitatea de flux energetic solar, punctul de pornire în realizarea unui astfel de proiect este să înțelegem chestiunile de bază legate de climatul radiațiilor solare pentru cele trei condiții de bază: cer senin, parțial senin și cer înorat.

2.1.3. Radiația solară globală a cerului senin la diferite latitudini

Iradiația globalã este compusă din două componente, radiația solară orizontală directă și radiația solară orizontală difuză provenind din zona emisferică a atmosferei. Radiația solară globală a cerului senin poate fi calculată folosind modelul ESRA(European Solar Radiation Atlas) a cerului senin. Modelul necesită introducerea latitudinii zonei care se deorește a se analiza, data din an, care determină geometria solară și claritatea atmosferei. Claritatea cerului este descrisă de un index cunoscut ca și factorul de nebulozitate Linke. Praful, poluarea realizată de om și vaporii de apă reduc cantitatea de iradiație solară clară și măresc cantitatea de iradiație difuză. Figura 2.1 afișază calculul iradierii cerului senin normala la raza solară ca și funcție de altitudinile solare la nivelul mării pentru diferite valori ale factorului de nebulozitate Linke. Figura 2.2 afișază valorile corespunzătoare iradierii difuze pe suprafețe orizontale. Reprezentarea spectrală a radiației globale și dufuze este reprezentată in Figura 2.3.

Figura 2.1. Modelul ESRA al iradierii de undă directă in condiții de cer senin .Estimări ale iradierii normale la unda în Whm-2 la nivelul mării și la distanța medie solarã pentru un interval al factorului Linke de 1.5 – 8.5. În practică factorul de turbulență Linke la nivelul mării este rar sub 3.5. Valori de peste 6 sunt comune în zone de deșert datoritã prafului din atmosferă.[4]

Figura 2.2. Modelul ESRA al iraderii în condiții de cer senin;estimări ale iradierii difuze pe o suprafață plană în Whm-2 la nivelul mării și distanță medie solară petru un interval al factorului Linke intre 2 și 8 .Se observă că iradierea difuză crește o dată cu creșterea factorului Linke în timp ce iradierea de unda directa scade.[4]

Figura 2.4 arată calculul raportat la ore din zi a iradiației globale, iradiației directe și difuze în condiții de cer senin la latitudinea de N în 30 aprilie. Factorul de nebulozitate Linke a fost fixat la 3 pentru acest exemplu. Acest exemplu reprezintă un cer senin aproape ideal. În codiții de cer senin iradiația difuză reprezintă în mod tipic 10-20% din radiația globalã. Dacă se realizează același calcul, zi de zi pe tot parcursul anului și după aceea se realizează integrarea valorilor in funcție de oră, se poate estima modelul anual al iradiației zilnice in condiții de cer senin, la această latitudine, la orice nivel de claritate al atmosferei. Figura 2.5 arată rezultatul.Variațiile intersezoniale datorită modificării lungimii perioadei de zi și schimbările asociate altitudinilor solare în funcție de perioada din an sunt evidente. Figura 2.6 arată impactul substanțial al factorului Linke asupra radiației globale zilnice în condiții de cer senin la latitudine de . Este foarte rar să întalnim o turbulență sub 2.5 la nivelul mării. Orașele mari au în general un factor de nebulozitate de aproximativ 4.5 în perioada verii. În condiții esxtreme de praf în atmosferă, ar putea ridica factorul Linke la 6.0 sau chiar peste.Proporțiile difuze a iradiației zilnice cresc odată cu micșorarea clarității cerului. Proporțiile iradiației difuze cresc și odată cu micșorarea unghiului latitudinii solare. Radiația globală disponibilă devine extrem de scăzută în decembrie la latitudini nordice mari deoarece o astfel de latitudine este aproape de Cercul Arctic și soarele la amiază se află la un unghi destul de mic. Într-o altă figură, figura 2.7, avem afișată influența latitudinii asupra iradiației dintr-o zi cu cer senin ca și funcție de numărul zilei. Având în vedere faptul că factorul Linke este foarte important în realizarea estimărilor legate de cantitatea de energie solară, eforturi considerabile au fost făcute, prin intermediul programului SoDa(SolarData), pentru a realiza o bază de date globală care să cuprindă valori ale factorului Linke pentru toate zonele de pe glob.

Se observă în Figura 2.7 împreunarea curbelor în iunie în perioada solstițiului de vară, în emisfera nordică. Valorile de la Ecuator arată că mărimile maxime sunt în perioada de echinocțiu, 21 martie și 23 septembrie. Figura 2.7 ne arată efectiv valorile radiației globale maxime care ar putea fi observate pe o suprafață orizontală plană la orice dată.

Figure 2.3. Calculul iradierii spectrale globale și difuze în condiții de cer senin, pe o suprafață orizontală pentru o latitudine solară de . Iradierea globală integrată este de 476 Wm-2 și iradierea difuzã integrată este de 114 Wm-2. [6]

Figura 2.4. Estimarea iradierii orizontale dintr-o oră în condiții de cer senin, la nivelul mării, la o latitudine de , și arătarea componentelor directe și difuze la nivel de oră pentru un factor Linke de 3.[12]

Figura 2.5. Estimarea iradiației orizontale zilnice în condiții de cer senin la nivelul mării în diferite sezoane, la o latitudine de .[12]

Figura 2.6. Estimarea iradiației globale orizontale zilnice în conditii de cer senin la nivelul mării, latitudine . Se observă impactul pe care îl are factorul Linke combinat cu perioada din an.[12]

Figura 2.7. Iradiația globală zilnică în condiții de cer senin care cade pe o suprafață orizontală, calculată la 4 altitudini diferite și pentru un factor Linke de 3.5.[12]

2.1.4. Condiții de înorare parțială

Norii împiedică trecerea undei solare directe, astfel iradiația undei solare directe este foarte variabilă în climate parțial înorate. Schimbări majore în intensitatea iradierii pot să apară în numai câteva secunde. Un cer cu mulți nori împrăstiați are tendința de a fi relativ strălucitor. În consecintă radiația difuză asociată poate fi semnificativă într-o astfel de perioadă. Dar variația pe termen scurt a iradierii difuze nu este la fel de mare ca și cea a razei clare. Iradierea undei clare poate să cadă de la 750 Wm-2 la 0 în câteva secunde și în mai puțin de un minut să crească din nou la peste 750 Wm-2 .

2.2. Analiza cantitativă a radiației solare pentru proiectarea fotovoltaică

Proiectanții sistemelor fotovoltaice încearcă să extragă eficiență economică maximă dintr-o astfel de investiție pe intreaga durată de funcționare a instalației respective. O metodă de a realiza acest lucru este incercarea de a mări densitatea energiei iradiate prin orientarea panourilor solare către soare, dar trebuie ținut cont și de faptul că orientarea optimă depinde și de perioada din an. Valoarea energiei utile care este folosită de cãtre utilizator variază de asemenea, cu perioada din an mai ales pentru sistemele fotovoltaice autonome. De exmplu, dacă energia elecrică este folositã pentru iluminat, perioada de noapte când este nevoie de ilumintat va varia în funcție de perioada din an. Deci alegerea orientării optime pentru colectori necesită o analiză detailată. Un proiect trebuie să mai aibe în vedere și posibilele inerferențe ale mediului înconjurător asupra panourilor colectoare. Umbrirea parțială a panourilor fotovoltaice este de asemenea nedorită. Deci este nevoie de o înțelegere mai detailată a geometriei mișcării solare. Iradiația globală pe o suprafață înclinată poate fi calculată numai dacă poate fi impărtiță în componenta ei clară și difuză la nivel de ore. Proiectantul are de-a face cu un sistem de intrare tridimensional. Capacitatea lui de a inter-corela gometria mișcării solare cu fluxurile de energie este importantă.

Serviciile de meteorologie naționale au ca scop să furnizeze date generalizate pentru zonele pe care le acoperă. Munca lor are două componente principale:

prezicerea pe termen lung și termen scurt a vremii

furnizarea de sfaturi și date climatologice

Datele climatologice legate de fluxul radiațiilor solare în anumite zone ale globului erau colectate în trecut cu ajutorul observațiilor terestre prin intermediul unor dispozitive specializate. În ultima perioadă se folosește extensiv observațiile prin satelit pentru a determina datele solare la nivelul solului. Datele din satelit, spre exemplu, formează o componentă crucială a bazei de date cu materiale despre radiiațiile solare disponibilă pentru utilizatorii programului SoDa-IS 2003. Hărțile radiiațiilor solare din ESRA 2000 sunt realizate din date colectate prin satelit și prin observații de la sol.

Proiectarea fotovoltaică depinde de corelarea informațiilor climatologice cu cerințele detailate ale proiectului. Golul dintre informațiile furnizate de un serviciu național de meteorologie și informațiile de care are nevoie un proiectant din domeniu este destul de mare. Partea care urmează scoate în evidență câteva dintre metodologiile disponibile pentru a furniza proiectanților informații cantitative necesare pentru a adresa diferite cerințe din proiectare.

2.2.1. Evaluarea radiației solare pe planuri înclinate: terminologii

În cazul panourilor înclinate, radiația incidentă este formată din trei componente: unda de radiație directã, radiația difuză de la cer și radiația reflectată de la sol.Componenta reflectată de la sol depinde de coeficientul de reflexie a suprafeței respective.Aici vorbim de o medie a reflexiei suprafețelor asupra intregului spectru solar.Valoarea tipica a acestui coeficient de reflexie este de 0.2 .Acoperirile cu zăpadă poate să mărească coeficientul de reflexie la 0.6 – 0.8 in funcție de vechimea zăpezii.Terminologia folosită aici pentru a descrie iradierea pe un plan inclinat este pentru unda de iradiere directă care cade pe o suprafată cu inclinația și unghiul de azimut . D() este folosit pentru a descrie radiația difuză venită de la stratul de ozon și R(reprezintă radiația difuză reflectată de sol.Notațiile pentru cantitățile de iradiații integrate pe diferite perioade de timp sunt indicate prin adăugarea următorilor indici: h pentru ore, d pentru zile și m pentru luni. Aceste notații sunt conformte cu cele din secțiunile precedente.

2.2.2. Exemplu de analiză a radiației solare pe un plan inclinat

Un studiu specific cu ajutorul unor grafice va fi prezentat în continuare pentru a scoate în evidență necesitatea luării unor decizii cu privire la orientarea colectorului și inclinația lui față de soare. Acest exemplu este bazat pe utilizarea datelor numerice privind iradiația medie lunară și a datelor privind iradiațiile din zilele senine din Londra(Bracknell).

Figura 2.8.(a) arată media lunară a iradiației zilnice estimate pe panouri incidente orientate către sud și înclinate la diferite unghiuri. Aceste date au fost procesate prin observarea oră de oră a iradiației globale și difuze pe suprafețe orizontale pe o perioadă cuprinsă intre anii 1981-92. Figura 2.8.(b) prezintă raportul dintre radiația difuză dintr-o zi și radiația globală de pe acel plan înclinat. Figura 2.8.(c) compară valoarea iradiației totale estimate pe diferite planuri înclinate către sud cu valorile corespunzătoare radiației globale observate pe planurile orizontale. Raportul dintre iradiația medie lunară pe planurile inclinate/iradiația medie lunară pe planurile orizontale a fost denumit factor de amplificare a mediei zilnice pe o lună pentru o mai bună determinare a înclinării și orientării panourilor. Reprezintă un obiectiv esențial într-un proiect să optimizăm factorul de amplificare în contextul în care avem nevoie de un randament cât mai mare în ceea ce privește exploatarea panourilor solare. Factorul de aplificare mediu lunar este diferit pentru unda de radiație directă, radiație difuză și radiație totală. O intrebare importantă ar fi “Când este energia cea mai importantă?”. Alegerea înclinației și orientării panourilor colectoare devine importantă mai ales în perioadele din an în care energia radiată de la soare este mică și cererea de energie electrică este mai mare.

Figura 2.8.(c) arată factorul global de amplificare maxim din luna ianuarie care este 1.90 pe un panou cu orientarea spre sud și cu o inclinație de . Această înclinație poate fi comparată cu latitudinea zonei Bracknell de N. Valoarea din decembrie este puțin mai mare și anume 1.98. Factorul de amplificare totală maxim, în iunie, este de 1.01 la un panou orientat spre sud cu o înclinație de . O suprafață verticală orientată spre sud, în iunie are un factor de amplificare mediu lunar de numai 0.56 comparabil cu 1.79 în ianuarie.

Figura 2.9 sumarizează prezicerile pe iulie și decembrie pentru pante orientate spre sud la diferite înclinații. Curba medie anuală este de asemenea inclusă.

Figura 2.8. (a)Iradiația medie zilnică dintr-o lună pe panourile înclinate spre sud. (b)Raportul dintre iradiația difuză și cea globală dintr-o zi, de pe planurile înclinate. (c)Factorul de amplificare al radiației totale de pe suprafețele orizontale.[16]

Figura 2.9. Iradiația medie zilnică pe o suprafață inclinată cu orientarea spre sud, in Londra in iulie și decembrie și valoarea medie anuală ca și funcție de unghiul de inclinație.[16]

2.3.Calculul geometriei solare

2.3.1.Mișcările unghiulare ale soarelui pe parcursul anotimpurilor

Calculul geometriei solare este adesea util. Acest calcul este esențial pentru a alege atât înclinația cât și orientarea panourilor solare cât mai eficient, cât și pentru a putea lua în considerare posibilele umbriri sau obstrucții asupra luminii soarelui care ar putea să apară pe parcursul zilei și care ar împiedica radiațiile solare să ajungă pe întreaga suprafață a panoului solar. Această secțiune descrie calculul mișcării soarelui așa cum este văzut el de oriunde de pe Pămant.

Traiectoria zilnică pe care o urmează soarele depinde de latitudinea zonei respective și de data din an. Variabila de intrare de bază în estimarea trigonometrică a geometriei solare este înclinația solară. Înclinația solară este unghiul dintre direcția centrului discului solar masurat de la centrul pămantului și planul ecuatorial. Înclinația este o funcție continuă variabilă în timp. Solstițiul de vară, adică cea mai lungã zi, apare când înclinația solară ajunge la valoarea maximă pentru acea emisferă. Solstițiul de iarnă, adică cea mai scurtă zi din an, apare când înclinația solară ajunge la valoarea ei minimă pentru acea emisferă. Înclinația dintr-o zi anume în emisfera sudică are semnul opus celei din emisfera nordică din aceeași zi. În timp ce oricare zi din an poate fi studiată, marea majoritate a manualelor de proiectare selectează una sau două zile din fiecare lună pentru a realiza calculele detailate de referință, ca de exemplu în Atlasul Radiațiilor Solare European (European Solar Radiation Atlas) și Ghidul CIBSE. Valorile lunare adoptate în această lucrare sunt date în Tabelul 2.1.

Tabelul 2.1. Ecuația de Timp(EDT exprimată atât în ore cât și în minute) și valorile inclinațiilor solare la date lunare de proiectare bazate pe inclinația medie. Valorile pentru 21 iunie și 22 decembrie sunt de asemenea date. Unghiurile de înclinație sunt date pentru emisfera nordică, pentru emisfera sudică trebuie doar schimbat semnul.

Trecerea de la o zi la alta se realizează în mod continuu numărând zilele dintr-un an după modelul Julian, J. Astfel pentru 1 Ianuarie, J=1;1 Februarie, J=32; 1 Martie, J=57 și tot așa. Fiecare zi din an poate după aceea fi exprimată într-o formă unghiulară ca și unghi de zi,J’, în grade prin înmulțirea lui J cu 360/365.25. Unghiul de zi este folosit în multe dintre expresiile trigonometrice care urmează.

2.3.2. Sisteme de timp folosite în conjuncție cu geometria solară

Diferite sisteme de timp sunt introduse în practică. Timpul folosit în mod cotidian diferă de timpul solar. Timpul solar este determinat în funcție de mișcarea soarelui. Momentul în care soarele are cea mai mare înălțime pe cer este definit ca amiaza solară. Amiaza solară în orice loc de pe glob apare în momentul în care soarele traversează meridianul nord-sud. Este foarte recomandat ca toate calculele geometriei solare să fie realizate în timp solar. Acest sistem de timp este numit în mod uzual timp local de aparent (Local Apparent Time). Timpul solar este convertit în forma lui unghiulară, unghiul orei solare, pentru calculul trigonometric al traiectoriei solare. Unghiul orei solare se referă la amiaza solară. Pământul se rotește câte pe oră. Convenția standard utilizată este aceea că unghiul orei solare este negativ înaintea amiezii solare. Deci ora 14:00 LAT reprezintă unghiul orei solare de . Ora 10:00 LAT reprezintã unghiul orei solare de -.

2.3.3. Conversia timpului mediu local în timp local aparent

Timpul mediu local (LMT), deseori numit timpul orar sau timpul civil, diferã de timpul local aparent(timpul solar,LAT).Diferența depinde de longitudinea locului, longitudinea de referință a zonei orare folosite și data precisă din an. Majoritatea observațiilor climatice sunt realizate în timp sinoptic. Oră de oră se realizează observații cu privire la radiațiile solare și intensitatea luminoasă a razelor solare.

Datorită faptului cã datele climatice pot fi colectate în două sisteme diferite de timp, câteodată este important să se poată realiza legătura între cele două sisteme de timp, în special în cazul realizării unor simulări. Iradiația solară este o funcție discontinuă la răsărit și la apus. Celelalte variabile de vreme sinoptice sunt continue. Deci, este mult mai exact să interpolezi valori sinoptice în timp solar decât să interpolezi valori de iradiație în timp sinoptic când se compilează seturi de date consistente pentru o simulare.

Conversia sistemelor de timp necesită cunoașterea atât a longitudinii locului respectiv cât și a longitudinii de referintă a sistemului de timp folosit. Conversia necesită de asemenea aplicarea Ecuației de Timp, care ține cont de anumite perturbații în rotația Pământului în jurul axei sale. În Marea Britanie LMT este Greenwich Mean Time(GMT) iarna și British Summer Time (BST) în perioada verii. Multe țări din vestul Uniunii Europene folosesc West European Time (WET) și varianta alternativă proprie pentru vară. Bazându-ne pe longitudine E, aceste țări au sisteme de timp cu o oră inainte față de GMT și BST (este politica UE ca toate statele membre să treacă către și de la timpul de vară în aceeași dată). Țările câteodată își schimbă timpul de referință: de exemplu Portugalia a trecut la WET pentru a se alinia la standardul european, ca după aceea să fie forțată de proteste publice de stradă ca să treacă înapoi la GMT.

Ecuația timpului este diferența exprimată în timp dintre prânzul solar la longitudinea de și 12:00 GMT în acea zi. Calculul ecuației timpului necesită ca și variabilă de intrare numărul zilei din an. Aceasta este după aceea convertită în unghiul zilei repsective din an. Ecuația timpului(EOT) este calculată în felul următor:

[ore] (2.1)

și după aceea timpul local aparent LAT

[ore] (2.2)

unde: – J’ este unghiul de zi din an în grade,

este longitudinea zonei respective, tot în grade,

este longitudinea de referință a zonei în care este situat locul, tot în grade și c este un factor de corecție a timpului de vară măsurat in ore.

Valori ale ecuației timpului pentru anumite date selectate pot fi găsite în Tabelul 1.1.

2.3.4. Determinarea trigonometrică a geometriei solare

a) Unghiuri cheie care descriu geometria solară

Două unghiuri sunt folosite pentru a defini poziția unghiulară a soarelui văzută dintr-un anumit punct de pe suprafața Pământului (Figura 2.10):

Figura 2.10. Definirea unghiurilor folosite pentru a descrie poziția solară (și ), orientarea și înclinația plăcii iradiate ( si ), unghiul de incidență () și unghiul de umbră orizontal ().[12]

Altitudinea solară. Aceasta este inălțimea unghiulară a centrului discului solar deasupra planului orizontal.

Azimutul solar. Acesta este unghiul orizontal dintre planul vertical care conține centru discului solar și planul vertical care trece prin planul inițial cu o direcție de la nord la sud. Este măsurat ca venind dinspre sud în emisfera nordică, în sensul acelor de ceasornic referindu-ne la polul nord.Este măsurat dinspre nord în emisfera de sud, invers acelor de ceasornic referindu-ne la polul sud.Valorile sunt negative înainte de amiaza solară și pozitive după.

Alte patru unghiuri importante sunt:

Unghiul solar de incidență pe un plan de înclinație și pantă . Acesta este unghiul dintre normala la planul pe care razele solare ajung și linia de la suprafața care trece prin centrul discului solar. Cosinusul lui este folosit pentru a estima unda iradiantă incidentă pe suprafața plană față de iradiația normală la plan.

Unghiul de umbră vertical, câteodatã numit și unghiul de profil vertical. Aceasta este direcția unghiulară a centrului discului solar, așa cum apare pe graficul unei secțiuni verticale cu o anumită orientare (Figura 2.11).

Unghiul de azimut solar marginit , adeseori numit unghiul de umbră orizontal. Acesta este unghiul dintre planul vertical care conține normala la suprafață și planul vertical care trece prin centrul discului solar. Cu alte cuvinte, este unghiul calculat de pe planul orizontal dintre direcția soarelui și direcția normalei la suprafața planului (vezi Figura 2.11).

Figura 2.11. Definirea unghiului de umbră vertical și unghiului de umbră orizontal .[20]

b)Algoritmi climatologici pentru estimarea inclinației

Anul solar este de aproximativ 365.24 zile. Calendarul este destul de sincronizat cu sezoanele solare prin introducerea anilor bisecți. Acest ciclu al unui an bisect ne arată că înclinația precisă a oricarei zi selectate variază în funcție de poziția ei în ciclul de 4 ani dintre doi ani bisecți. Pentru calculele care împlică medii de date climatologice care se intind pe mai mulți ani, este indicat să se foloseascã formule care calculează valori medii pe termen lung pentru a estima înclinația. Dar dacă se dispune de date solare pentru anumite zile dintr-un an anume, este normal să optăm pentru niște formule care să ne dea date mai exacte în ceea ce privește înclinația pentru o anumită zi și longitudine. De exemplu în analizarea geometriei solare se pot folosi casete cu simulări bazate pe serii de perioade de observare. De obicei sunt folosite valorile înclinațiilor de la amiază. Aceste date dau suficientă acuratețe pentru realizarea calculelor practice. Urmatoarea ecuație este folositã în Atlasul Radiatiilor Solare European (ESRA) pentru calcularea valorilor medii reprezentative a înclinației în funcție de anul format din 365 de zile:

(2.3)

unde: J’ este unghiul de zi în radian (sistemul Iulian de numerotare a zilelor ).

Valorile înclinațiilor medii lunare pot fi obținute pentru fiecare lună integrând valorile inclinațiilor zilnice pe parcursul fiecărei luni și luan valoarea medie.Fiecare medie poate fi asociată cu o medie lunară a unei date reprezentative de proiectare. Tabelul 2.1 arată valorile climatologice recomandate a înclinațiilor medii pentru a fi folosite la nivelul mediu lunar. Tabelul 2.1 include ziua din lună când înclinația reprezentativă este cea mai apropiată de valoarea medie lunară.

Formule mai detailate folosite pentru calcularea înclinației solare pentru o anumită perioadă dintr-un loc anume intr-un anumit an sunt disponibile, cum ar fi de exemplu algoritmul Bourges, care este recomandat de a fi folosit de ingineri pentru a obține date exacte în ceea ce privește înclinația pentru anumite zile din anumiți ani. Proiectanții celulelor solare nu au nevoie în general de o acuratețe atât de mare, doar în condițiile în care folosesc sisteme de concentrare a undei solare foarte rafinate.

c).Calculul altitudinii solare și a unghiurilor de azimut și a lungimii unei zile astronomice

Aceste două unghiuri care au fost definite mai înainte, depind de momentul din zi t, măsurat în ore LAT după ceasul normal de 24 ore. Pentru calculul trigonometric solar care urmează, timpul este exprimat printr-un unghi de ore unde:

grade (2.4)

unde: – t este timpul solar în ore(LAT).

Unghiul altitudinii solare se obține din:

(2.5)

unde: este latitudinea locației. Unghiul de azimut solar este obținut din :

(2.6)

Dacă atunci ;dacă atunc .

Ambele formule din ecuația (2.6) sunt necesare pentru a determina unghiul de azimut în cadranul corect în programele de calculator. Unghiul orei de apus,, este calculat prin setarea altitudinii solare la zero în ecuația (2.5). poate fi determinat în felul următor:

(2.7)

Lungimea unei zile astronomice este deci ore. Lungimea zilei este o variabilă importantă de proiectare. La latitudini înalte se schimbă considerabil cu perioada din an. Diagrama traiectoriei soarelui pentru latitudinea de N este aratată în figura 2.12. Variația anuală a lungimii unei zile, arătată în figura 2.13, este mult mai mică la latitudini mai mici decât la latitudini mai mari. Lungimea unei zile astronomice este de 12 ore în fiecare zi la Ecuator. Aceste informații au o importanță deosebită în determinarea perioadei de timp în care se utilizează iluminatul electric nocturn în diferite părțti ale lumii, având o influență importantă asupra analizării cererii de energie corelate cu analiza performanței sistemului fotovoltaic.

Figura 2.12. Diagrama traiectoriei solare pentru latitudinea solară de . Orele din zi sunt exprimate în LAT.[12][4]

Figura 2.13. Variația anuală a lungimii unei zile astronomice pentru patru latitudini.[12]

2.4. Calculul unghiului de incidență și a unghiului de umbră orizontală și verticală

Unghiul de incidență al undei solare, , pe o suprafață de înclinație și unghi de azimut la suprafață se determină cu ajutorul altitudinii solare și a unghiurilor de azimut. Unghiul de azimut solar mãrginit trebuie calculat prima oară, folosind ecuația 2.8. Convenția de semn adoptată pentru unghiul de azimut solar mãrginit este aceeași ca și în cazul unhiului de azimut solar. Unghiul este considerat ca orientare dinspre sud în emisfera nordică și ca orientare dinspre nord în emisfera sudică. Valorile din est sunt negative și valorile din vest sunt pozitive.

(2.8)

unde: este unghiul de azimut solar și este unghiul de azimut la suprafață. Dacă atunci ; daca atunci .

Odată ce unghiul de azimut solar mãrginit a fost calculat,unghiul de incidență poate fi calculat folosind ecuația (2.9). O valoare negativă semnifică faptul că soarele este în spatele suprafetei și atunci valoarea este de obicei setată la 0:

(2.9)

Un parametru geometric util folosit în proiectare este unghiul de umbră vertical pentru că se aliniază la practici inginerești standard de proiectare. Poate fi determinat cu formula următoare:

(2.10)

Dacă , ,pentru o suprafață verticală; daca atunci soarele luminează suprafața verticală paralelă opusă. Unghiul de umbră orizontal este identic cu .

2.4.1. Determinarea exactă a înclinației la amiază și determinarea exactă a geometriei solare

Anumite ori când lucrăm cu date pentru anumite zile sau când realizăm observații la fața locului, este util să folosim o formulă mai exactă pentru a estima înclinația. Formula lui Bourges este simplu de aplicat. Este adecvat să acceptăm înclinația de la amiază ca reprezentativă pentru toată ziua:

grade (2.11)

unde:

radiani, radiani

zile, (2.12)

unde: – este longitudinea(pozitiva la est),

Y este anul întreg,

INT este partea întreagă a expresiei

J reprezintă zilele după modelul Iulian de la 1 pana la 365 și de la 1 la 366 în ani bisecți.

2.5. Estimarea iradiației, pentru diferite condiții ale cerului, pe planuri înclinate din iradiația orizontală la nivel de oră

2.5.1. Estimarea componentelor iradiației inclinate din principiul de bază

În această sectiune vom vedea cum se realizează conversia iradiatiei globale și difuze observate pe suprafețe orizontale în iradiație globală și difuză pe suprafețe înclinate, la nivel de oră. Metoda presupune dispunerea de date privind iradiația globală și difuză orizontală la nivel de oră provenită de la o sursa meteorologică de încredere. Dacă nu se dispune de date privind iradiația difuză, ele trebuiesc determinate cu ajutorul algoritmului prezentat anterior.

Înclinarea suprafeței iradiate față de planul orizontal este definită cu ajutorul simbolului . Acest unghi va trebui notat în radiani pentru unii algoritmi folosiți. Unghiul azimut este măsurat de la sud în emisfera nordică și de la nord în emisfera sudică. Direcția către vest este pozitivă și cãtre est este negativă.

Iradiația totală de undă scurtă care se regãsește pe o suprafață înclinată într-o oră se determină prin insumarea a trei componente de iradiație înclinată: componenta înclinată directă dintr-o oră , componenta difuză dintr-o oră și componeta reflectată de Pământ dintr-o oră notată cu . Fiecare componentă trebuie estimată separat:

(2.12)

Înaintea realizării acestui calcul trebuie dezvoltat calculul geometriei solare utilizând algoritmii din paragrafele precedente.

2.5.2. Iradiația de undă directă pe planuri înclinate

Estimarea iradiației directe înclinate din iradiația normală la suprafață se realizează în mod direct, odată ce cosinusul unghiului de incidență a undei solare de pe suprafața înclinată a fost stabilit:

pentru (2.13)

în rest

Totuși, aces proces are de-a face cu date de iradiație observate oră de oră. În afara orelor de rãsãrit și de apus, iradiația normală de undă directă dintr-o oră Bnh poate fi estimată în felul următor:

(2.14)

unde: este altitudinea solară.

Pentru orele de răsărit și apus, trebuie să se țină cont de proporția orei, când soarele se află deasupra orizontului:

(2.15)

unde: este acum altitudinea solară de la momentul dintre răsărit și sfarșitul orei respective sau momentul de apus și sfarșitul orei respective, și este perioada din timpul răsăritului sau apusului, în care soarele este deasupra orizontului.

O estimare exactă a iradiației directe pe o suprafață înclinată folosind perioada standard de observare de o oră, complică situația datorită faptului că soarele se deplasează pe parcursul unei ore . De aceea, se poate utiliza o estimare simplă a iradiației dintr-o oră când soarele luminează suprafața pe parcursul intregii ore, folosind unghiul de incidență a mijlocului orei și setând iradiația dintr-o oră să fie egală cu iradiația de la mijlocul orei respective. Deci:

(2.16)

Metodologia din ESRA reduce riscul de erori printr-un calcul realizat la intervale de 6 minute pe parcursul unei ore.

Metoda necesită, ca și intrări, valorile la nivel de oră a iradiației orizontale globale și difuze,Gh și Dh. Metoda a fost testată și recomandată de CEC ESRA în cadrul proeictului lor de analiză a radiațiilor solare. Algoritmul face deosebire între suprafețele care au un potential solar bun și suprafețele care nu au un potențial solar bun. Pentru suprafețele orientate cãtre soare, sunt folosiți diferiți algoritmi pentru soare slab(sub ) și soare puternic (peste ). Pentru suprafețele însorite se mai face o distincție intre orele cu cer acoperit și orele cu cer neacoperit de nori. O oră cu cer înorat este definită ca o oră în care diferența Whm-2. O funcție de modulație Kb este calculată astfel:

(2.17)

unde: – I0 este constanta solară (1367 Wm-2)

– este corecția distanței solare medii din ziua J

– este unghiul de altitudine solară.

Aceste unghiuri au fost definite în paragrafele anterioare. Kb exprima iradierea de undă orizontală ca și raportată la iradierea orizontală extraterestră corectată cu distanta solară medie. După aceea o funcție pentru înclinația este calculatã. trebuie exprimat în radiani. Această funcție este definită ca:

(2.18)

unde : b ia urmatoarele valori: – suprafața umbrită, 5.73;

suprafața însorită sub cer înorat, 1.68;

suprafața însorită sub cer senin, -0.62.

Ca și o îmbunătățire, pentru anumite zone specifice pentru care avem date rezultate din observații, Muneer a sugerat o metodă alternativă de a evalua pentru a fi aplicată doar pentru cazul suprafetelor însorite.

Nordul Europei fiind reprezentat de Bracknell:

cu (2.19)

Sudul Europei fiind reprezentat de Geneva:

cu (2.20)

Ecuația (2.19), pentru o suprafața verticalã se reduce la:

(2.21.)

Pentru o suprafață verticală însorită, sub un cer senin, folosind b = -0.62:

Dacã suprafața verticală nu este însorită, adică este 0 sau negativ, atunci ecuația (2.21) trebuie evaluată folosind , rezultând :

Pentru o suprafață însorită în condiții de cer înorat, folosind , pentru o suprafața verticală obținem:

Pentru suprafețe însorite, cu , este determinat folosind următoarea formulă:

(2.22)

unde: – Dh este iradiația difuză dintr-o oră, pe o suprafață orizontală

– este unghiul de incidență la suprafață.

Pentru o suprafață însorită cu condiții de cer înorat Kb = 0 și pentru toate altitudinile:

pentru o suprafață verticală (2..23)

Pentru suprafețe umbrite, adică și pentru toate altitudinile solare:

pentru o suprafață verticală (2.24)

Capitolul 3

Principiul de funcționare al celulelor solare

3.1. Randamentul termodinamic

Formulele ideale ale randamentului termodinamic sunt simpliste atunci când sunt bazate pe principile termodinamici. Ne vom referii însã doar la trei dintre ele acestea implicând doar temperaturile.

Ta-temperatura mediului înconjurator

Ts-temperatura pompei

Tc-temperatura celulei solare care transformă radiația primită în electricitate

Având aceste temperaturi le vom calcula randamentul:

Randamentul Carnot (3.1)

Randamentul Curzon-Ahlborn (3.2)

Randamentul Landsberg (3.3)

Randamentul foto-termal a lui Műser (3.4)

Nu toate numele asociate acestor formule sunt din punct de vedere al apartenenței corecte: de exemplu formulele (3.2) și (3.3) au avut alți autori care au avut un punct de vedere crucial în elaborarea acestor formule.

În Figura 3.1 este prezentată curba celor patru randamente care au toate ca punct de start și se terminã în punctul Ta=Ts. Din punct de vedere termodinamic nici un randament nu a reușit sã depășească randamentul Carnot. Valorile apropiate de Ta=5760-5770 par a da cea mai bunã imagine în studierea spectrului solar și a totalului de energie primitã de Pãmânt, însa și valoare 6000K permite acest lucru dar cu rezultate de o acuratețe mai mică. Utilizand valorile Ts și Ta=300K drept temperatura Terrei va rezulta:

Dacă Ts=Ta=TC rezultă că una dintre temperaturi se află la egalitate cu alta ceea ce teoretic ar trebui să ducã la anularea randamentelor.

În calculul randamentelor termodinamice de mai sus se utilizează doar temperaturile acest lucru putându-se vedea în rezultatele experimentelor. Pentru realizarea unuia dintre calculele randamentelor este necesară o bandă interzisă pentru a ne duce din starea termodinamică în starea solidă. Fotonii incidenți pot excita electronii dealungul acestei benzi interzise acestia permițând celulei solare să producă curent electric în timp ce electronii circulă în continuare. Rezultatele termodinamice prezentate mai sus au fost obținute luând în considerare curentul și fluxurile entropice.

3.2. Randamentul in termini energetici

Pentru a putea efectua calcululul randamentului în termini energetici este necesară o expresie care să reprezinte numãrul de fotoni din radiația caracteristică pe care un corp o emite când este încãlzit pe scurt “Black Body Radiation”și un surplus de energie provenind de la banda interzisă Eg astfel încât sã aibă loc excitația electronilor dealungul acestei benzi.

Figura 3.1. Eficiențele (1) – (4) ca și funcție de Ta/Ts

(3.6)

Să presupunem că fiecare dintre acești fotoni contribuie cu un curent egal la banda interzisã de la ieșirea dispozitivului astfel încât cantitatea de energie sã fie proporțional cu relația:

; (3.7)

Pentru a obține randamentul al conversiei energrtice trebuie sa impărțim această cantitate la intreaga energie care provine de la radiație.

(3.8)

Relația (8) reprezintă prima ecuație Shockley-Queisser care limitează randamentul celulei solare denumit și randamentul final. Există o valoare maxiamală a randamentului pentru anumite cãderi de tensiune care nu par a fi decât , pentru xg corespunzând-ui valoarea 0 sau o valoare foarte mare. Drept urmare acestui fapt va apãrea un randament maximal între aceste valori.

Fie f(x) funcția de distribuție a fotonilor, atunci rezultă ecuația randamentului generalizat definit de relația:

(3.9)

Ținând cont de xg ,randamentul maxim este dat de relația:

(3.10)

Această formulă este mai degraba una generală ce servește distribuției fotonilor proveniți de la “corpul ideal” (black body) .

3.3. Celulele solare realizate din Siliciu Amorf

Un progres important ce a avut loc de-a lungul ultimelor douã decenii în îmbunãtãțirea performanțelor celulelor solare bazate pe siliciu amorf și producerea acestuia la scara industrialã. Celulele solare realizate din siliciu amorf au ajuns sa producã anual un vârf promițãtor de 40MW. Progresul celulelor solare realizate din siliciu amorf se datoreazã materialelor îmbunãtãțite, tehnologiei moderne de realizare și nu în ultimul rând a spațiului de depozitare a acestora. În prezent sunt peste 40 de proiecte de cercetare în acest domeniu atât din partea unor universitãți cât și a laboratoarelor independente.

Primii pași în studierea proprietãților siliciului amorf au fost fãcuți de cãtre Chittik în anul 1969. Tehnologia de dopare a materialelor de tip “n” și “p” a fost decoperitã de cãtre Carlson și dezvoltatã ulterior de Wronsky Spear și LeCombe.Carlson și Wronski au aratat cã siliciul amorf are proprietãți optoelectronice .

Curând dupã aceastã descoperire s-a realizat ca hidrogenul a jucat un rol important în determinare proprietãților optoelectronice a acestor materiale și cã sarcina electricã depozitatã a siliciului amorf este de fapt un amestec între hidrogen și siliciu sau mai bine zis Siliciu Amorf Hidrogenizat (a-Si:H).

Dezvoltarea celulelor solare din siliciu amorf s-a facut pe mai multe fronturi. Îmbunãtãțiri continue au fost facute în materialele din (a-Si:H) prin studiul condițiilor de depunere pentru plasma indusã descompusã în Silan , acesta fiind un proces care se refera la vaporii depuși din plasmã.

Un alt lucru care a dus la dezvoltarea aliajului de Siliciului Amorf Hidrogenizat pentru celulele solare a fost descoperirea faptului cã benzile interzise pot fi modificate prin variația hidrogenului încorporat. Mai mult ca și în cazul materialelor cristaline banda interzisã a amestecului de Siliciului poate fi modificatã prin aliajul cu carbon sau germaniu.

3.3.1. Aliajul de Siliciu Amorf

Proprietãțile optoelectronice ale aliajului din Siliciu Amorf variazã în funcție de mai mulți parametrii și e puternic influiențat de condițiile de depunerile ale plasmei utilizate în reactoarele PECVD. În acest capitol se va discuta despre influiența condițiilor de depunere asupra microstructurii și proprietãțile optoelectronice și de asemenea un foarte important aspect se va discuta despre dopaj și degradarea luminii induse.

Cu toate cã de-a lungul timpului o mare varietate de metode de depunere s-au utilizat pentru depozitarea Siliciului Amorf Hidrogenizat cea mai întalnitã este pe departe metoda depunerii materialului incandescent. Descompunerile gazelor de evacuare provenite din procesul de fabricație sunt transmise la o frecvențã foarte mare .O sursã de gaz cum este Silanul este descompusã la impactul cu electronii intr-un amestec de radicali și în ioni descompuși care se depun pe subtraturi pentru a produce filme solide. Metoda de descompunere a materialului depus incandescent conține mai multe variabile care determinã calitatea materialelor produse: tempera-tura de substrat, presiunea, rata de scurgere a gazului, puterea plasmei distanța dintre electrozi și sursa de gaz. Ca adãugare la proprietãțile electronice ale Siliciului Amorf ,acestea pot fi afectate negativ de impuritãți cum ar fi oxigenul carbonul nitrogenul care introdus pe calea aerului duce la scurgeri reziduale de vapori de apa și contaminarea pompei de ulei.

Temperatura substraturilor controleazã reacțiile de pe suprafața de creștere astfel cã se determinã parametrul critic ce determinã calitatea materialelor. Presiunea gazelor determinã partea liberã importantã pentru contactul moleculelor de gaz și influiențeazã dacã reacțiile au loc pe suprafața de creștere sau în gaz. Rata de scurgere a gazului sursaã este un factor foarte important deoarece aceasta determinã timpul de depunere a gazului în plasma și deci afecteazã creșterea cineticã. Parghia de cuplare, rata de disociere a gazului și deci și rata de creștere a filmului. Frecvența afecteaza de asemenea natura plasmei si mai ales bombardamentul cu ioni care devine mai putin semnificativã la frecvențe foarte înalte și în microunde.

În fine natura plasmei și procesul de creștere se schimbã odatã cu introducerea unui aliaj formând gaze GeH4 și CH4 și a gazelor dopante de tip n și p. Oricum în toate cazurile în care are loc depuneri , hidrogenul joacã un rol cheie în reducerea defectelor și a îmbunatãțirii calitãții materialelor. Numãrul mare de variabile sunt interdependente și fac din metoda de depunere a materialului incandescent un proces foarte complex. Totuși acest numãr mare de variabile face ca procesul sã fie foarte flexibil și prin acesta proprietãțile materialelor foarte flexibile.

Procesul de depunere a aliajului de Siliciu Amorf constã din mai mulți pași . Primul pas are loc când moleculele de Silan și Hidrogen sunt disociate de impactul cu electroni în pãrți reactive de netroni și radicali ceea ce constituie o varietate mare de radicali și ioni de Silan și Hidrogen, Silan nereactant și un compus superior de Salin( cum ar fi bisalinul sau trisalinul). Acest amestec este transportat ulterior pe suprafața de creștere a filmului via gazul de difuzie, ulterior având loc un proces de reactanțã chimicã. Moleculele ce ajung pe suprafața de creștere pot reacta și absorbi filmul care crește. În fine în urma reacțiilor dintre cei doi produși în principal Hidrogenul și radicali nereactanți de Silan se eliminã gazele absorbite sau curațã suprafața prin reacțiile compușilor ce sosec și pe urmã sunt pompate mai departe. S-a stabilit cã un film de calitate superioarã cu o densitate de defecte scãzute sunt obținute în general cu Silan pur (sau Salin Hidrogenizat diluat) la o temperaturã de 200-300 grade C.

Temperatura scazutã de depunere a materialului incandescent oferã mai multe avantaje tehnologice. Nu doar cã poate fi scalat rapid pânã la producerea de module fotovoltaice cu suprafețe foarte mari, dar acest proces desemenea permite un grad ridicat de uniformizare pe suprafețe mari. Metoda de depunere a materialului incandescent este de asemenea un proces de depunere care permite schimburilor din compoziție sã fie transportate în timpul creșterii cu o precizie foarte ridicatã.

Proprietãțile optoelectronice ale Siliciului Amorf Hidrogenizat depind foarte mult de microstructura lor și de procesul de creștere. Deoarece legãturile de hidrogen sunt foarte sensibile la condițiile de depunere, prezența Hidrogenului în plasma este strâns legatã de calitatea materialelor fiind nu doar legãturile izolate pasive dar de asemenea se crede cã este responsabil de reconstrucția rețelei.

Efectele benefice ale Hidrogenului provenit de la gazele utilizate (cum ar fi SiH4 GeH4 CH4) au fost susținute cu succes prin diluarea gazelor primare cu Hidrogen rezultatul fiind utilizat la nivel extins în depozițiile celulelor solare de înalta performanțã. Diluarea cu Hidrogen a afectat foarte tare procesul de început al creșterii cu nucleația și sudarea filmelor subțiri, pe urmã în controlul încãrcãturii.

Pentru un Hidrogen diluat ușor cum ar fi R=[H2]/[SiH4]=10 creșterea filmelor din Siliciu Amorf Hidrogenizat nu doar cã devine dependentã de natura subtraturilor ,dar creșterea de asemenea se schimbã pentru a face procesul dependent de îngroșare microstructuralã. Ceea ce rezultã din afirmația de mai sus este faptul cã în timpul procesului de creștere materialele care inițial sunt amorfe vor deveni microcristaline pe mãsurã ce filmul se îngroașe.

Utilizând la locul de montaj elipsometrii spectroscopice diagramele de depoziție au fost realizate ca sã descrie cum evolueazã fazã și microstructura în timpul creșterii filmelor din Siliciu Amorf Hidrogenizat. Aceste diagrame identifica regimul de îngroșare prin care (A-Si:H) crește regim de îngroșare care implicã tranziția la o faza mixtã de Amorf și microcristalin , iar pe urmã grosimea la care filmul devine în faza simplã. Proporția de gaz de Hidrogen diluat este utilizatã mai mult ca un parametru cheie în diagramele fazelor deoarece furnizeazã un control direct asupra fazei. Totuși microstructura și faza pot fi desemni controlate de cãtre diferiți parametrii cum ar fi: temperatura substratului , curent și presiunea gazului. Un exemplu de diagrama fazorialã este pentru Siliciu Amorf Hidrogenizat adogat ca funcție a gazului diluat cu raportul R=[H2]/[SiH4] și este prezentat în figura 3.1.

Punctul cheie al diagramei fazoriale din Figura 3.2 este faptul cã ni se prezintã cum Hidrogenul diluat influiențeazã grosimea filmului moment în care are loc tranziția de la amorf la faza mixtã.

Figura 3.2. Grosimea filmului db la care are loc transmiterea fazelor filmului SI:H în funcție de diluarea hidrogenului

Descreșterea rapidã a grosimii filmelor la un un nivel destul de ridicat de diluare al hidrogenului trebuie sã fie luat în considerare deoarece se limiteazã grosimea straturilor din celule care poate fi fabricat cu Siliciu Amorf Hidrogenizat. O asemena diagrama a fazei de depunere a condus la conceptul de fotocristalin (reprezentat prin regiunea hașurata din Figura 3.2)

În ciuda naturii sale evoluționare, materialele din a:SI:H materialele preparate cu un conținut moderat de Hidrogen diluat prezintã un volum uniform în regiunile îngroșate. În completare la comportamentul creșterii prezentate în condițiile creșterii Si:H materialul fotocristalin însuși prezintã proprietãți optoelectronice unice. Una dintre proprietãți este cã Hidrogenul încorporat în protocristalinul Si:H cu o rezistențã mai mare își lãrgește banda interzisã. Luând în considerare natura evoluționara a Si:H este posibil sã lãrgim banda interzisã pentru diferite grosimi de straturi iar în același timp sã menținem proprietãțile excelente ale Protocristalului a-Si:H. De asmenea permite protocristalinilor a-Si-H depozitați cu o rezistențã foarte mare R sã fie aplicați cu succes în formarea contactelor p în celulele solare. Deoarece aceste straturi sunt foarte subțiri curenții cei mai mari din circuitul deschis (VOC) sunt obținuți cu ajutorul straturilor protocristaline p de aici rezultând un circuit deschis cu curenți joși.

3.3.2.Structura dispozitivelor

Celulele solare din Siliciu Amorf au fost realizate în laborator într-o largã varietate de structuri, însã cele mai comercializate au fost cele care au avut joncțiuni de tip p-i-n sau n-i-p în configurații structurale de simplu, dublu sau triplu. Majoritatea manufacturierilor oferã structuri multijoncțiuni deoarece acestea prezintã o mai buna eficacitate a stabilitãții conversiei.

Structura dispozitivelor utilizate în celulele din Siliciu Amorf pot fi categorisite în funcție de materialul subtraturilor .

În general configurãrile joncțiunilor de tip p-i-n sunt utilizate cu un substrat de sticlã pentru ca lumina sã fie incidentã pe sticla și sã treacã mai intâi prin partea “p” a stratului celulei (aceasta se referã la structura de sticlã a superstratului). Un exemplu de structurã de sticlã a superstratului dintr-o celulã solarã este prezentat in Figura 3.3.

Prima joncțiune este realizatã prin depunerea pe un strat subțire “ p” a unui oxid , urmat de aprox. 160 nm de strat intrinsic “i” de Siliciu Amorf Hidrogenizat și de un strat de 10nm de Si:H multicristalin cu fosforic-dopat. O altã recombinare are loc în urma depozitãrii unui alt strat subțire de 10 nm de a-SiC:H pe stratul “p”. Al doilea strat intrinsic conține 100 nm de aliaj din a:SiGe:H în care conținutul de Germaniu variazã pentru ca joncțiunea benzii interzise sã fie gradatã. A doua joncțiune este completatã prin depozitarea a unui strat de ~20nm de a:SiH cu fosfor dopat. Ultimul contact este realizat mai intâi prin depunerea de 100nm de oxid de zinc prin procesul de depunere a vaporilor chimici la presiune joasã (CVD) și pe urmã pulverizarea a 300nm de aluminiu.

Un exemplu de celulã multijoncțiune realizatã din Siliciu Amorf fabricatã din folii este prezentat în Figura 3.4. Acesta este un dispozitiv structurat utilizat de compania Solar Corporation, companie care produce anual 30MWP din energia solarã.

Figura 3.4. Un dispozitiv Schematic Structurat realizat din a-Si/a-SiGe fabricat pe substraturi de sticlã.

Figura 3.17.Un dispozitiv schematic cu joncțiune triplã fabricat pe substraturi de oțel inoxidabill.

Acest tip de dispozitiv este construit utilizând configurarea de tip n-i-p în care primul strat de Siliciu Amorf depozitat pe folie este stratul „n” iar dispozitivul cu tripla-joncțiune are configurația urmãtoare: folie de oțel/Argint Texturat/oxid de zinc/n-i3-p/n-i2-p/n-i1-p/ITO/EVA/flourpoli-mer, configurație în care i2 și i3 sunt realizate din aliaje de a-SiGe:H, i1 din a-Si:H, ITO (indium tin oxide) iar flourpolimerii sunt de tipul Tafzel.

Structura dispozitivelor este realizatã prin formarea unor straturi textural de Ag sau Al pe o folie de otel inoxidabil și acoperitã cu un strat de ~100nm de oxid de zinc depozitând un strat semiconductor subțire într-un process continuu de rotire în suluri. Prima joncțiune semiconductoare formatã conține ~20nm de a:SI:H cu fosfor dopat urmat apoi de un strat intinsec dopant de a:SiGe:H cu grosimea de ~130nm (i3) și pe urmã de un strat microcristalin dopat cu Bor de Si:H. Urmãtoarea joncțiune este formatã prin depunerea de ~10nm a-S:H dopat cu fosfor (care dease-menea formeaza o jonctiune inferioara cu stratul “p”), 110nm este grosimea urmãtorului strat gradat intinsec (i2) din a-SiGe:H cu un conținut de Germaniu mai redus decât stratul (i3), completat pe urmã cu un strat de ~10nmde multicristalin Si:h cu Bor dopat. Ultima joncțiune este formatã prin depunerea a ~10nm de a-Si:H dopat cu Fosfor, urmat de un strat de ~100 nm de a-Si:H (i1) si 10nm protocristalin Si:H dopat cu Bor. Toate strateurile nedopante (straurile intinsece “i”) sunt depuse utilizând Hidrogen diluat pentru ca filmele sã poatã deveni microcristaline. Contactele superioare sunt formate prin evaporarea stratului conductive antireflective de Indium-Tin-Oxid(ITO), pe urma retelele din Argint sunt depozitate cu scopul de a ajuta la colectarea fotocurenților.

3.4.Performanță și stabilitate

Pentru o suprafața redusã a unei celulele solare cu joncțiune triplã (0.25cm2) compania United Solar a obținut o eficențã a conversiei la nivel de laborator de 13% aceasta fiind cea mai mare valoare a eficienței atinsã de o celulã din Siliciu Amorf .

Celulele cu Joncțiuni triple de obicei prezintã o degradare a luminii induse undeva la valoarea de 10-15% în timp ce celulele cu joncțiuni duble ajung la 12-20% iar cele cu o singura joncțiune ajung la 18-30% , aceasta degradare depinzând de mai mulți factori cum ar fi :grosimea stratului intrinsec “i” și de condițiile de depunere. Degradarea luminii induse într-o celulã solarã din Siliciu Amorf este influiențatã de grosimea stratului intrinsec „i” și astfel cã celula solarã cu joncțiunea triplã, care de obicei conține straturi intrinsece cu grosimi de ~100nm de obicei prezintã un proces de degradare a luminii mai redus decât structurile solare cu un strat intrinsec mai gros .

Efectele grosimii stratului intrinsec și a structurii dispozitivelor asupra degradãrii luminii induse este prezentatã în Figura 3.5. Dupã cum ne este prezentatã în figurã celula solarã cu joncțiune dublã se degradeazã cu 12% dupa câteva sute de ore de funcționare în razele solare și pe urmã se stabilizeazã. Degradarea luminii induse pentru o celulã solarã cu o singurã joncțiune de la 25% pentru un dispozitiv cu grosimea stratului intrinsec”i” de 0.25μm și 50% pentru unul cu grosimea de 0.60 μm. Se vede limpede de pe Figura 3.5 cã majoritatea degradãrilor au loc în prima sãptãmânã de expunere la lumina simulatã a soarelui.

Testând în aer liber celulele solare bipolare cu dublã joncțiune s-a aratat ca acestea se stabilizeazã în câteva luni de la expunerea lor la razele solare iar pe urmã prezintã variații sezoniere ale performanței asociate cu schimbãrile spectrului solar și cu schimbãrile de temperaturã ale mediului înconjurator. Mai multe sisteme fotovoltaice realizate din Siliciu Amorf prezintã o variație sinusoidalã în performațã în primul an de viața, fapt atribuit normalizarii degradarii induse a luminii. Însa totuși dupã cum ne este prezentat în Figura 3.6 unele zone cum ar fi zona Montgomery College din statul Maryland USA prezintã o variație a performanțelor într-un timp ciclic de 6 luni. De asemenea în Figura 3.6 ne este prezentat faptul cã este același timp ciclic, prezentat de suprafața iradiatã planã. În timp ce colectarea de date de la Colegiul Montgomery nu a început decât dupã ce celula solarã a fost expusã razelor solare timp de mai multe luni , este evident din figura faptul cã curentul de ieșire din celulã a fost menținut constant de-a lungul perioadei de 4 ani.

În timp ce temperatura celulei solare de Siliciu Amorf poate varia în funcție de gama și structura materialelor de calitate utilizate, coeficientul de temeperaturã a curentului de ieșire pentru modulele comerciale fotovoltaice, de obicei în jurul valorii de -0.2 până la -0.3%/C, ceea ce reprezintă jumãtate din valoarea alocatã modulelor din Siliciu cristalin.

Figura 3.5. Eficiența conversiei a diferitor tipuri de celule solare din Siliciu Amorf sub influența expuneri la fenomenul „one sun ilumination”

Figura 3.6. Performanțele celulelor solare cu dublã joncțiune de la Montegremy College

de-a lungul unei perioade de patru ani

Totuși însã unele celule solare din Siliciu Amorf au prezentat un coeficient de temperatura pozitiv lucru care ar putea fi legat de efectul curentului condiționat sau de efectul spectral. Celulele solare din Siliciu Amorf care au fost lasate sub influiența luminii solare au avut temperaturi cuprinse între 40 și 80°C în laborator au avut un coeficient al temperaturii redus. Din acest motiv în timp ce un modul fotovoltaiec din Siliciu Amorf poate prezenta un coeficient al temperaturii pentru curent de ~-0.25%/°C pentru regimul staționar al temperaturii pe o perioadã scurtã de timp, dependența de temperaturã a sistemelor fotovoltaice din Siliciu Amorf pentru starea de repaos se prezintã destul de mic datoritã procesului de regenerare. Totuși însã performanțele modulelor fotovoltaice din Siliciu Amorf sunt influiențate de diferiți factori cum ar fi spectrumul solar și de condiționarea curentului.

3.5.Celule Solare Organice și din Materiale Plastice

În ultimii ani s-a observat o creștere neașteptatã a interesului pentru celulele solare realizate din materiale electronice organice. Acest lucru s-a datorat creșteri foarte rapide a pieței de profil, fapt ce a determinat cercetãrile pe termen lung, mai multe tehnologii fotovoltaice inovative ducând la dezvoltarea parțialã a materialelor organice electronice necesare realizarii aplicațiilor. Progresul rapid în materiele optoelectronice moleculare a introdus o noua gamã de potențiale materiale fotovoltaice, precum și îmbunatãțirea capacitatii de întelegere a proprietetăților acestor materiale și siguranța în aplicații a acestora.

Materialele organice sunt atractive pentru industria fotovoltaică în primul rând datoritã materialelor cu o ratã mare de transfer utilizând procese cum ar fi înfãșurarea depunerilor. Alți factori ce fac aceste materiale atractive pentru industria de profil sunt posibilitatea realizãrii de dispozitive ultrasubtiri flexibile ce pot fi integrate în aplicații sau materiale de construcții și reglarea pigmenților prin structura chimicã. În acest domeniu de activitate s-au facut progrese deosebite de la mijlocul anilor ’90. În present s-au facut raportãri pozitive cu privire la randamentul curentului provenit de la celulele solare de peste 3%.

Spre deosebire de alte tehnologii fotovoltaice cunoscute celulele solare realizate din plastic sau din material organice sunt departe de punctul de a fi comercializare. Nu se cunoaște dacã oricare dintre aceste materiale sau designul celulelor va convinge, și incã din pacate nu existã suficientã experiențã in realizarea acestor module. În acest capitol voi discuta despre principiile materialelor organice electronice și modul în care ele diferã de materialele anorganice, aria de concepte ale dispozitivelor, cel mai eficient dispozitiv realizat și principalele provocãri în creșterea eficienței acestora. Posibila producție și tehnologiile de procesare sunt deasemenea discutate dar detaliile practice sunt la nivel speculativ.

Câmpul electric este rareori suficient pentru a despãrți excitonul fotogenerat. În schimb excitonul se difuseazã în straturile organice pânã ce ajunge la un contact unde va fi rupt pentru a alimenta sarcinile separate. În timp ce lungimea difuziei excitonilor este scurtã de obicei între 1-10nm, limita difuziei excitonilor încarcã producerea purtãtorilor de sarcinã într-un astfel de dispozitiv. Formarea purtãtorilor fotogenerați este deci o funcție nu doar a volumului de absorbție opticã dar de asemeni este un mecanism disponibil pentru disocierea excitonilor. Alți factori de pierdere sunt datorați recombinației neradiative de la interfața și recombinația “negerminatã” la impuritãți sau incãrcãri blocate.

Celulele solare cu un singur strat din acest tip de celule de obicei dau un randament de sub 1%, iar randamentul conversiei curentului este sub 0.1% (Quantumul randamentului este raportul dintre electroni distribuiți unui circuit extern și fotonii incidenți proveniți de la o lungime de undã și e imaginea valorii dintr-o celulã organic fotovoltaicã).

3.5.1. Materiale utilizate în proiectare

În tabelul 3.1 se prezintă faptul cã în timp ce celulele solare organice produc un curent destul de generos pe circuitul de ieșire, fotocurentul din circuitul scurt și factorul de umplere este mult mai jos decât cele cel provenite de la circuitul anorganic. Intensitatea curentului este mai redusã, acest fapt datorându-se absorbției mai reduse a luminii deasemenea și producerii de fotocurenți și transport.

Tabelul 3.1. Caracteristica randamentului cheie pentru celulele solare organice precum și Quan-tumul Eficienței acestora. Pentru a putea face o comparație sunt prezentate și datele celulelor solare realizate din Siliciu Amorf și cel multicristal.

a estimate

b Calculat la 50°C

Cercetãrile curente asupra materialelor organice fotovoltaice și deci și dispozitive se axeazã pe urmãtorii factori cheie:

– Îmbunatãțirea absorbției de lumina;

– Îmbunãtãțirea formãrii fotocurenților;

– Îmbunãtãțirea transportului de sarcinã;

– Înțelegerea funcțiilor dispozitivelor precum și performanțele limitã a acestora.

3.5.2.Absorbția luminii

Strategia preferatã de înlocuire a polimerilor conductori în dispozitivele fotovoltaice cu alți polimeri ce pot absorbii în plus debitul de electroni. Într-o celulã polimer-fuleren înlocuirea spațiului optic gol cu derivați PPV include de-a lungul acestui proces derivați de politiofena, copolimeri polipirrole / thiazadol și copolimeri thiophene/naphthene . Polimerii speciali absorbanți cu debit pot sã dezvolte pentru aplicațiile fotovoltaice și pentru copolimerii cu proprietãți mixte un fel de coloanã de transport de goluri cu bucãți din grupurile cu debit absorbant.

O altã abordare constã în înlocuirea electronilor ce transportã polimeri într-un “blender” cu pigmenți conjugați cristalini cum ar fi antracenul sau perilenul cu banda mai largã de absorbție .

Absorbția extinsã de debit poate fi atinsã utilizând un semiconductor din nanoparticule cu debit absorbant.

În percepția pigmentilor existã o strategie diferitã în care un monostrat a unui material de obicei un pigment organic este introdus de obicei între donor și acceptor pentru a funcționa ca un absorbant de lumina. În timp ce absorbția de luminã și transportul de sarcinã sunt transportate de diferite materiale, lumina absorbitã nu are nevoie sã fie un bun transportator de volum de sarcinã.

O abordare diferitã constã în maximarea absorbției fotonilor incidenți în straturile organice. Din perspective absorbției luminii filmele organice fotovoltaice sunt diferite de structurile anorganice în urmatoarele aspecte:

– Filmele sunt suficient de subțiri astfel încât interferența sã aibã loc în straturile dispozitivelor , permițând astfel realizarea structurii de capturã a luminii

– Filmele sunt din punct de vedere optic anisotropice.

Structura de capturã a luminii îmbunãtãțește capturarea fotonilor în straturile active prin interferențe constructive. Aceștia permit filmelor fotovoltaice subțiri sã fie utilizați, acest lucru ducând la îmbunatãțirea eficienței a purtatorilor de sarcinã.

CAPITOLUL 4

Proiectarea unui sistem fotovoltaic utilizând tehnologia Siliciu Amorf

4.1. Echilibrul Energetic în Sistemele fotovoltaice unice

O parte importantã din eforturilor depuse în realizarea sistemelor fotovoltaice unice sunt concentrate pe echilibrul dintre energia produsã de sistemul fotovoltaic și consumul realizat. Orice neaințelegeri pe termen scurt dintre acești doi factori sunt compensate de depozitarea de energie de obicei sub forma de baterii reancãrcabile. Considerațiile legate de echilibrul energetic acoperã un numar mare de caracteristici , și poate fi discutat în termeni de depozitare a energiei în baterii, acest lucru este prezentat în Figura 4.1.

Echilibrul energetic prezintã variații ciclice ce au loc la un nivel diferit de regularitate. În timpul ciclului de zi bateriile sunt încãrcate și se descarcã în timpul serii, sau în alte situații în care cererea este mai mare ca și capacitãțile de producere directã a panoului. Rata de descãrcare a bateriei în ciclul zilnic de 24h variazã de la o aplicație la alta dar pentru sistemele fãrã un generator de rezerva este o situație foarte criticã și periculoasã.

Suprapusã peste problema acestui ciclu diurn mai este și problema schimbãrilor climaterice și depind de schimbãrile climaterice ce pot avea loc la un moment dat. Ciclul climatic are loc atunci când curentul produs zilnic depãșește valorile de depozitare a generatoarelor fotovoltaice. În unele cazuri bateriile pot acționa ca și generatoare sezoniere de energie.

Figura 4.1. Descrierea schematicã a caracteristicii timpului a echilibrului energetic in sistemele fotovoltaice unice –(a) curentul stocat de baterie, (b)-ciclul zilnic și cel climatic, (c)-ciclul sezonier.

Figura 4.2 ilustreazã fenomenul de distribuție a curentului din baterie și a cãderii de tensiune din și înspre baterie. Datele corespunzatoare celei de-a 11 zi din ciclul climatic obesrvatã in timpul unui experiment cu un sistem fotovoltaic în sudul Anglei în 2002[1]. Parametrii sistemului sunt distribuiți de-a lungul suprafeței irdaiante a panoului solar .Curenții din sistemul fotovoltaic și curentul din baterii precum și încãrcarea acestora în timpul acestui ciclu este prezentat în figura 4.3.

Sistemele unice pot fi dimensionate doar pentru sarcini previzibile, iar diferite sarcini aleatorii sunt posibil sã rezulte în urma unor situații neprevãzute de sistemul fotovoltaic. De notat este faptul cã acoperirea de sarcinã poate fi îmbunatațitã dacã existã o posibilitate de ajustare a sarcinii sau deconectarea sarcinilor neesențiale.

Descrierea sarcinii este recunoscutã în standardele internationale ce descriu procedurile exacte de determinare a sarcinii.

Un standard trebuie sã ținã cont urmatoarelele recomandari:

Descrierea sarcinilor de cãtre o tensiune și un curent cu o perioada de început și sfârșit de 24 ore.

Descrierea sarcinilor separate de curent alternativ și combinarea lor cu un invertor.

Se iau în considerare urmãtoarele tipuri de sarcinã.

Curentul momentan: un curent ce ține sub un minut asociat unei sarcini definite.

Figura 4.2.(a)alimentarea scoasa de la baterie. (b)curentul bateriei intr-un sistem fotovoltaic pe parcursul unui ciclu climatic. Iradiația in-plana este prezentata in (c).Fiecare punct corespunde unui interval de masuratori realizat la 5 minute.

Curentul de regim: un curent de sarcinã stabilã care ințial era tranzitorie și acum devine stabilã.

– Curenții paraziți

– Perioada sarcinii

– Coincidența sarcinii

– Sarcina tensiunii

Se pare cã existã sarcini care sã aibã curentul momentan cu durata de sub un minut și un curent de regim de o durata necunoscutã. Pot sã existe mai multe momente din zi dupã cum am arãtat în Figura 4.4(a) sau saracini convenționale care sã aibã doar un regim de curent și un timp de funcționare precum cel din Figura 4.4(b). Sarcinile pot fi coincidente sau non-coincidente în timp Figura 4.4(c) și (d) . De asemenea pot exista sarcini de profil ce au nevoie de o perioadã mai mare de 24 de ore pentru a fi realizate, în acest caz o sarcinã medie și una maximã zilnicã ar trebui sã fie date.

Aceastã informație permite împãrțirea sarcinii profilului, sau cel puțin sarcina tipicã a profilului pentru o perioadã a sarcinii de 24h. Aceasta se obține prin înmulțirea fiecarei sarcini a curentului cu perioada și pe urma adaugirea tuturor componentelor pentru a afla sarcina zilnicã amper-ora.

Figura 4.3.(a)Alimentarea scoasã de la baterie (b) curentul bateriei (c) bateria și curentul de suprafața în timpul ultimelor zile ale unui ciclu climatic prezentat în Figura 2.Intervalele in care sistemul este deconectat de o serie de regulatoare de tensiune pe masura ce acumulatorii se apropie de incãrcarea lor maximã.

Figura 4.4. (a) Sarcina Individualã care are curenți momentani și de regim și un numãr n de curenți incidenți. (b)Sarcina utilizatã timp de câteva ore pe zi. (c)Sarcini Coincidente (d) Sarcini Non-coincidente

4.2.Dinamica consumului zilnic de energie

Sarcina trebuie aprovizionatã cu energie în funcție de consumul schemei electrice a aplicației. Curentul electric poate fi necesar în alt interval decât cel în care area loc producerea acestuia și de aceaia avem nevoie de acumulatori care sã poatã stoca aceastã energie.

Echilibrul energetic zilnic dintre alimentarea de cãtre sistemul fotovoltaic cu energie și sarcinile domestice tipice sunt ilustrate Figura 4.5. Figura 4.5(a) și (b) prezintã temeperatura ambientalã și datele radiației solare pentru o zi normala din an pentru un sistem fotovoltaic având latitudinea și înclinația optimã. Aceste date au fost generate de cãtre Software-ul METEONORM.

Figura 4.5 (a) Profilul orar de temperatura(b) radiația solarã pentru o zi tipicã a anului în Sacramento USA (c)Un profil tipic al sarcinii pe ore (d) echilibrul energetic pe ore(e) echilibrul energetic cumulativ.

Figura 4.5(c) ne prezintã profilul consumului de energie dintr-o locuințã obișnuitã. Dacã rețeaua este aleasã în așa fel încât energia produsã de rețea este egalã cu energia consumatã de sarcinã, echilibrul curentului pe ora rezultat va fi prezentat in Figura 4.5(d). Echilibrul energetic cumulativ este prezentat în Figura 4.5(e).

Aceste rezultate ne aratã faptul cãci, cu toate cã existã un echilibru energetic complet la sfârșitul zilei , existã un dezechilibru considerabil dintre aprovizionarea cu energie și consumul în anumite pãrți ale zilei când cererea de energie este mai mare decât capacitãțile de producere ale sistemelor fotovoltaice. În aceastã situație va fi necesarã înglobarea în instalația unei locuințe a unui generator care sã stocheze energia produsã în timpul zilei când radiația solarã este mai puternicã.

4.2.1.Dimensionarea sistemelor fotovoltaice unice

Dimensionarea este unul dintre cele mai importante elemente în timpul realizãrii sistemelor fotovoltaice. Procedura de dimensionare va determina ratingul puterii rețelei sistemelor fotovoltaice capacitãțile de stocare a energiei de cãtre acumulatori, de asemenea se mai poate considera și configurația rețelei de distribuție la capitolul dimensionare.

Pașii necesari dimensionãrii sistemelor fotovoltaice pentru a fi înțeleși în termeni de echilibru a energiei zilnice ca raportul dintre sarcina zilnicã și curentul distribuit de cãtre rețea. Partea de intrare a acestui echilibru, curentul preconizat ce va fi produs de cãtre rețeaua fotovoltaicã, acești parametrii sunt în general calculați în funcție de radiația solarã și pot fi discutați utilizând conceptul de „ Ore Solare de Vârf” (Peak Solar Hours).

Valoarea PSH-ului ar trebui sã corespundã perioadei critice funcționãrii sistemului, fie luna în care este cea mai scãzutã radiație din an sau luna cu cea mai ridicatã sarcinã. O considerație similarã guverneazã și înclinația panoului. Valoarea medie anuala a PSH-ului este utilizatã uneori când radiația solarã zilnicã nu variazã foarte mult pe parcursul anului, iar acumulatorii pot fi utilizați ca și „acumulatori sezonieri”.

Al doilea parametru fundamental este cantitatea de sarcinã necesarã zilnicã. Pentru a determina acest parametru avem nevoie de cantitatea de energie consumatã într-o singurã zi pe care o vom nota cu L.

Valoarea PSH-ului și a lui L determinã echilibrul mediu zilnic dintre alimentarea cu energie și puterea nominalã necesarã suprafeței fotovoltaice:

(4.1)

Din formula de mai sus rezultã numãrul total de module fotovoltaice N:

(4.2)

unde: Pmod este curentul produs de un modul în condiții ideale.

Odatã ce curentul continuu a fost specificat aceastã procedurã de dimensionare ne va da configurația suprafeței, în sensul de numãrul de module conectate în paralel și serie. Acest argument se aplica pentru sistemele fãrã un sistem de urmãrire a curentului maxim, unde curentul nominal al acumulatorului este de obicei 12 V (Vbat). Factorul de securitate FS este introdus pentru a permite pierderilor adiționale cum ar fi murdãria acumulatã pe module, sã creascã perfor-manțele sistemului fotovoltaic .

Un argument independent este utilizat în dimensionare acumulatorilor. Parametrul critic este numãrul „zilelor autonome de funcționare” Cs pe care sistemul este obligat sã le genereze fãrã o sursa de energie. Cs, este strâns legat de capacitatea acumulatorului Cn:

(4.3)

unde: DODmax reprezintã nivelul maxim permis de descãrcare al acumulatorilor. Dacã un acumulator sezonier adițional se adaogã la capacitatea acumulatorului Cn, acesta nu va aparea în ecuația (4.3). În metoda bilanțului energetic numãrul de zile de autonomie este determinat din experiența cu câmpuri decât de un argument teoretic serios. O metodã mai riguroasã de dimensionare a acumalorului este bazatã pe siguranța sursei. Determinarea capacitãții acumulatorului completeazã procesul de dimensionare al sistemului.

Figura 4.6. Dimensionarea bazatã pe echilibrul energetic

4.2.2.Dimensionarea bazata pe siguranța sursei de alimentare

Siguranța sursei de curent este un factor esențial în realizarea sistemelor fotovoltaice și este reflecatat în unele proceduri de dimensionare. Un mod de a cuantifica siguranța sursei este prin intermediul unui parametru numit „probabilitatea pierderi de sarcina”(PPS) definit ca raportul dintre defictul de energie estimat și cererea de energie pe parcursul întregi perioade de instalare.

Metodele de dimensionare sunt utilizate destul de frecvent în aplicații ce au nevoie de foarte precisã exactitate. Pentru a putea fi foarte exacți avem nevoie de datele pe termen lung a nivelului de radiații solare acestea putând fi obținute sub forma de date ale radiațiilor solare sintetice. O abordare mai pragmaticã în asemenea cazuri ar fi sã se determine configurația sistemului care ar trebui sã preconizeze distribuția energiei la sursã fãrã intreruperi în anumite perioade : asemenea configurații pot fi determinate cu ajutorul simulației de sistem. În ciuda diferențelor aparente dintre aceastã metodologie și metoda PPS rezultatul este formal.

Tabel 4.1

Tabel 4.2

Rezultatul dimensionãrii bazat pe siguranța sistemului este adesea prezentat sub forma unui grafic. Pânã în prezent curentul ce se preconizeazã cã ar trebuii produs printr-un generator fotovoltaic este exprimat sub formã dimensionalã cu formula:

(4.4)

unde: P0 reprezintã puterea nominalã a rețelei.

Capitolul 5

INSTALAREA PANOURILOR SOLARE: PARTEA MECANICA

5.1. Tipuri de acoperisuri

Un acoperiș integral are avantajul de a putea salva materialele acoperișului pe care l-a înlocuit. Totuși sunt cerințe destul de greu de atins pentru impermeabilitatea acoperișurilor ce trebuiesc îndeplinite. Acest lucru poate fi atins prin îmbinarea stiulului tradițional de acoperișuri cu cel modern și ingineresc.

Soluțiile ce s-au dovedit viabile se încadreazã în urmatoarele categorii:

Întrepãtrunderea panourilor ce fie utilizeazã panouri ce imitã forma țiglelor de pe acoperiș cu elemente fotovoltaice încastrate pe suprafața acestora sau sunt legate în cadre ceea ce face ca panoul sã fie etanș.

Adaptãrile se adreseazã sistemelor de geamuri standard etanșe înclinate în fața în care un sistem fotovoltaic ar putea fi construit și vândut ca un sistem de geamuri duble. Acest model este de obicei potrivit cladirilor în care se poate vedea sistemul fotovoltaic din interior și trebuie de asemenea sã producã un grad de transparențã pentru nevoile interioare de iluminat.

Figura 5.1. Un concept de locuințã in Nottingham GB

5.2. Sisteme deasupra acoperișului

Montarea panourilor fotovoltaice deasupra acoperișurilor s-a devenit o practicã normalã pentru primele instalații de acest tip. Este un concept simplu și s-a demonstrat faptul cã atașarea panourilor la acoperișurile traditionale face ca sistemele fotovoltaice sã funcționeze la parametrii optimi. O gamã de cadre pentru sistemele fotovoltaice conectate deasupra acoperisurilor au fost realizate din oțel inoxidabil aluminiu și sticlã pentru a putea oferi o siguranța cât mai sporitã sistemelor. Suporții montați au un succes mai ridicat dacã sunt chiar acoperișuri standard decât itemi speciali produși pentru panourile fotovoltaice țigle .

Acoperișurile “fotovoltaice” au fost fabricate în mai multe țãri. Avantajul utilizãri acoperișurilor tradiționale este acela cã practicile economice normale ale clãdirilor pot fi utilizate și acestea prezintã o rezistențã redusã la conceptul de pãstrare naturalã. Totuși țiglele sunt componente mici și este nevoie de un numãr mare pentru instalarea și funcționarea lor în condiții de eficiențã enegeticã. Aceste țigle impun un numãr mare conexiuni și pentru instalția propriu-zisã este nevoie de oameni foarte bine calificați care sã poatã face munca la înalțime. Pentru zonele mai speciale cum ar fi marginile și coturile acoperișurilor sunt necesare țigle speciale ce trebuie sã fie tãiate în forme speciale. Acest lucru înseamnã cã țiglele „solare” trebuiesc practic sã indeplineascã exact aceleași funcții ca si țiglele standard.

Infrastructura

Majoritatea modelelor de acoperișuri au fost utilizate la un momentadat pentru panourile fotovoltaice. în general clãdirile trebuie sã suporte o încãrcãturã suplimentarã datoritã încãrcãtuturii sistemelor fotovoltaice.

5.3. Rezistențã mecanicã

Elementele fotovoltaice ale acoperișului trebuie sã îndeplineascã anumite condiții la intemperii cum ar fi vântul, zapada, foc și rezistențã la întreținere. Acest lucru înseamnã cã un panou fotovoltaic realizat pentru a fi montat pe teren ar putea sã nu fie potrivit pentru producerea energiei electrice dacã acesta este amplasat pe acoperiș. Zona de prindere a sistemelor fotovoltaice laminate este micã, iar grosimea sticlei ar putea fi deasemenea neadecvatã. O propunere de realizare a sistemelor de montaj laminate sau alternative au scopul de a transforma standardul laminat în componente ale clãdirii ce trebuie sã respecte codurile locale de construcții.

Figura 5.2. Sisteme integrate în acoperiș

Multe sisteme fotovoltaice standard laminate pe acoperișuri sunt destul de ușorare.Panourile ajung la doar 5 kg/m2 și incã 5 kg/m2 pentru cadrul de susținere din aluminiu. Totuși panourile solare cu geam dublu pot adăuga până la 40 kg/m2 greutate acoperișului.

Sisteme de fixare

Acoperișurile tradiționale sunt fixate împreunã panorile fotovoltaice cu cuie și șuruburi. Sistemele noi de prindere sunt destul de rar întâlnite în montarea sistemelor fotovoltaice deoarece costurile cumulate cu personalul calificat ar face aceste instalații sã fie mai scumpe decât costurile de achiziție a acestor panouri.

5.4. Impermeabilitatea și standarde de calitate

Cerința primordialã pentru un acoperiș este aceea de a fi rezistent la apã și deasemenea sã fie rezistent la pierderile de cãldurã din clãdire și totodatã sã aibã un grad de protecție la incedii. Suprafața exterioarã ar trebui sã reziste degradației datorate razelor ultraviolete, vânt și ploaie pentru o perioadã de 30-60 de ani. Acest ideal poate fi atins cu ajutorul materialelor utilizate în construcțiile tradiționale, însã acest lucru este din pãcate destul de greu de demonstrat pentru noile materiale.

Pentru a face legãtura dintre sistemul fotovoltaic și acoperiș trebuie sã se ținã cont de anumite zone foarte sensibile, la surplusul de greutate dat de acest sistem. În figura de mai jos este prezentat un sistem modern de sistem fotovoltaic integrat pe o clãdire veche.

Este necesar pentru toate tipurile de construcții sã se supunã unor standarde de calitate. Pentru noile materiale este nevoie de o perioada de testare pentru a le putea implementa anumite standarde. Primele clasificãri de standarde au fost facute în Europa scopul acestora a fost de acodare a statutului de marca CE dar acest proces este încã în stadiu incipient. În SUA în schimb existã mai multe teste pe care sistemele trebuie sã le urmeze pentru a putea fi standardizate unul dintre ele este standardul UL.

5.5.Ventilația și Intreținerea

Procesul de realizare necesitã adesea utilizarea unei largi cantitați de sticlã. Acest lucru duce la mãrirea grosimii stratului de sticlã ceea ce duce automat la reducerea curenților produși. În multe zone fațadele trebuiesc sã suporte impactul cauzat de mers si desemenea trebuie sã asigure un grad mare de securitate. Panourile laminate standard au rar o grosime suficientã și deci este nevoie de mai multe panouri suplimentare pentru a compensa cererea de energie. În general fațadele panourilor fotovoltaice bipolare sunt cu 50-80% mai scumpe decât cele standard.

Curentul produs de panourile fotovoltaice scade odatã cu creșterea temperaturii și deci trebuie sã avem un flux continuu al aerului asupra suprafeței panourilor cat mai mult posibil. Pentru panourile de ploaie existã un punct de ventilare aflat în zona perifericã a fiecarui panou. Însã pentru panourile cortinã este necesar sã alocam o zonã de intrare a aerului din partea joasa a fațadei și sã permitem ieșirea aerului pe partea superioarã a cortinei. Realizarea acestui lucru necesitã o foarte mare atenție din partea montatorilor pentru ca panoul sã nu fie compromis.

O parte importantã în designului unei cladiri pe care va fi instalat un panou fotovoltaic este aceea a asigurãrii unor viitoare intervenții de întreținere. Curațarea unui panou fotovoltaic este în general la fel ca și curațarea geamurilor. Accesul pentru inspecþii periodice la aceste panouri ar trebuii sã se faca la fel de ușor precum in cazul geamurilor și inlocuirea panorilor defecte sã se realizeze relativ ușor.

5.6. Testarea

Existã standarde pentru testarea locului de montare a panourilor, a rezistenței la apa și a fațadei sistemului. Aceste standarde au fost dezvoltate de cãtre centrul tehnologic de protecție a ferestrelor. Un jet de apã de mare presiune este aplicat la îmbinãrile susceptibile iar modulul este inspectat pentru determinarea fisurilor cauzate de jet. Ca adãugire la acest test se mai face un test pentru curenții izolați imediat dupã procedura cu jetul cu scopul de a putea evalua dacã apa a afectat cablurile de curent continuu sau modulul fotovoltaic(Figura 5.3)

Figura 5.3.Metoda de testare a panoului fotovoltaic la condițiile mediului înconjurãtor

Atunci când panoul fotovoltaic este montat direct pe cadru sau pe un bloc de ciment acesta trebuie sã fie fixat rigid pentru a nu permite ca impactul violent al vântului sã afecteze structura panoului. Un cadru standard utilizeazã secțiuni standard care sunt asmblate la locul de montaj.

Deoarece asemnea sisteme nu fac parte din ansamblul vreunei cladiri existã punține constrangeri în realizarea designului acestora .

5.7. Concluzii

5.7.1.Avantajele energiei electrice termo-solare:

se obține electricitate și apă caldă în același timp

centralele pot fi adaptate la aplicațiile pentru care sunt folosite

poluarea este foarte mică sau inexistentă construirea centralelor termo-solare se face mult mai repede decât a centralelor convenționale.

Viitorul energiei termo-solare

Pentru a crește eficiența sistemelor trebuie folosite materiale mai ușoare în construcția colectorilor termosolari. Oamenii de știință ai Departamentului American de Energie au constatat că sarea topită absoarbe și stochează foarte eficient căldura solară. De asemenea s-au făcut experimente la Universitatea din Chicago pentru dezvoltarea unui sistem de concentrare ce crește intensitatea energiei solare de 60.000 de ori. Guvernul american a planificat în anii următori construirea unor centrale de 100 MW ce folosesc sisteme de colectare cu receptor central.

Găsirea unor surse alternative de energie constituie o miză importantă și aceasta din mai multe motive motive:

sursele clasice sunt finite;

producerea de energie prin metode clasice reprezintă un important factor de poluare, care ne poate pune în pericol însăși existența;

la arderea cărbunelui, produselor petroliere, gazelor naturale se elimină cantități enorme de CO2, SO2, NO2 – gaze cu efect de seră.

extragerea cărbunelui provoacă perturbarea solului, schimbarea utilizării terenului și distrugerea pe termen lung a ecosistemului.

extragerea petrolului provoacă poluarea marină, distrugerea și reducerea florei și faunei acvatice și de litoral.

centralele hidroelectrice provoacă schimbări esențiale în ecosistemele acvatice, calitatea apei, modifică sedimentarea.

energetica nucleară poluează apele de suprafață și subterane prin minerit.

sursele tradiționale (petrol, cărbune, gaze) vor fi irosite complet deja în 2100.

Creșterea populației la 8 miliarde în 2020 va ridica cererea de energie cu 65-95% comparativ cu cererea actuală.

În 2020 cererea anuală de gaze naturale va fi de cca. 4000 miliarde m3 – aprope cât întreaga rezervă actuală a SUA.

5.7.2. Avantajele utilizării energiei solare sunt multiple, între acestea enumerăm:

– un profit crescut considerabil;

– o stare de sănătate mai bună a oamenilor determinată de lipsa poluării, sau daca nu, măcar de diminuarea ei;

– nu provoacă ploile acide;

– nu provoacă eutrofierea apei;

– nu produce schimbarea climei;

– nu elimină CO2, SO2, NO2 ;

– este renovabilă, practic nelimitată;

– rezolvă parțial problema deșeurilor ;

– poate fi utilizată practic pretutindeni;

– este o posibilitate a țărilor lipsite de resurse tradiționale de a-și produce singure energie.

Folosirea acestei energii poate începe prin atingerea inițial a unor scopuri simple, apoi la trecerea la obiective mai avansate.

Unele aspecte ale energiei solare constituie o problemă pentru unii și chiar o oportunitate pentru alții. Pentru simplul fapt că soarele strălucește deasupra fiecărui acoperiș, acesta poate fi un exemplu de avantaj pentru oamenii de rând și pentru folosirea energiei solare la nivel individual nu numai în marile companii dotate cu echipamente speciale de captare și prelucrare a razelor solare, echipamente ce ar fi desfășurate pe suprafețe mari de teren.

CAPITOLUL 6

Proiectarea și realizarea instalației, utilizând energia solară cu ajutorul unui panoului solar ??????

6.1.Prezentarea instalației

6.2. Descrierea instalației

6.2.1.Caracteristici tehnice ale panoul solar SOL5N:

6.3. Funcționarea

6.4. Date experimentale

BIBLIOGRAFIE

Bonnet, D., 2002.CADBACK: The CdTe Thin Film Solar Cell – Improved Back contact.Final Report to the European Commission, Contract No. JOR3-CT98-0218.

Brozel, M.R. and Stillman, G.E., Eds. – Properties of Gallium Arsenide (3rd edition), IEE/INSPEC, Institution of Electrical Engineers, London, 1996.

Bube, R. – Photoconductivity of Solids.Wiley, New York, London, 1960.

Castaner L. and Silvester, S. – Modelling Photovoltaic Systems Using Pspice, John Wiley and Sons, Chichester, 2002.

CIBSE Guide, J. Wheader, Solar and iluminance data.Chartered Institution of Building Services Engineers, 222 Balham High Road, London, UK.

ESRA, 2000.European Solar Radiation Atlas 4th Edition.Scharmer,K. and Grief, J. co-ordinators.

Green, M.A. – Silicon Solar Cells: Advanced Principles and Practice.Center for Photovoltaic Devices and Systems, University of New South Wales, 1995.

Green, M.A. – Solar Cells, Prentice Hall, New York, 1982.

Hurley, P. – Build Your Own Solar Panel, Wheelock Mountain Publications, 2006.

Hurley, P. – Solar II, Wheelock Mountain Publications, 2007.

Maghiar, T., Bondor, K. – Surse noi de energie.Editura Universitatii din Oradea, 2001.

Markvart, T., Castaner, L. – Practical Handbok of Photovoltaics: Fundamentals and Applications,Elsevier Ltd., 2003

Meyer, D.L. – Production of thin (70 – 100 mm) crystalline silicon cells for conformable modules, Proc. 29th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, New Orleans, 2002.

Mitchell, K.C., Ermer, J. and Pier, D. – Single and tandem junction CuInSe2 cell and module technology.Proc. 20th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Las Vegas, 1988.

Palik, E.D. – Handbook of Optical Constants of Solids II, Academic Press, San Diego, 1991.

Palz, W. and Grief, J., Eds. – European Solar Radiation Atlas, 3rd Edition.Solar Radiation on Horizontal and Inclined Surfaces, 1996.

Pearsall, T.P. – Properties, Processing and Applications of Indium Phosphide, INSPEC/IEE, London, 2000.

Philips, J.E., Titus J. and Hofmann, D. – Determining the voltage dependence of the light generated current in CuInSe2-based solar cells using I-V measurements made at different light intensities, Proc. 26th IEEE Photovoltaic Specialist Conf., Anaheim, 1997.

Rajkanan, K.,Singh, R., and Shewchun, J. – Solid-State Electron, 1979.

Rigollier,C., Bauer, O., and Wald, L. – On the clear sky model of the ESRA with respect to the heliostat method, Solar Energy, Vol.68, 2000.

Selberherr, S. – Analysis and Simulation of Semiconductors Devices, Springer, Vienna, New York, 1984.

Shur, M. – Physics of Semiconductor Devices, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1990.

Smith, R.R. – Semiconductors (2nd edition), Cambridge University Press, Cambridge, 1978.

Wieting, R.D. – CIS Manufacturing at the Megawatt Scale.Proc.29th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., New Orleans, 2002.

25. Mircea Pantea, Noi surse de energie regenerabile Volumul 1 ISBN: 978-973-759-580-5, ISBN Vol 1. 978-973-759-581-2, 2008