Captarea Energiei Solare Si Conversia In Energie Electrica

Soarele este cea mai mare stea (corp ceresc) din spațiul cosmic, masiv și strălucitor, de formă aproximativ sferică, alcătuit din plasmă într-un oarecare echilibru hidrostatic, care a produs în trecut, produce și va mai produce energie pe baza reacțiilor de fuziune atomică din interiorul său.

Pământul, toate celelalte planete, asteroizii, meteoriții, cometele precum și cantitățile enorme de praf interplanetar orbitează în jurul Soarelui.

Energia provenită de la Soare (sub formă de lumină, căldură ș.a.) contribuie la menținerea temperaturii planetei peste valoare de 0 K întâlnită în spațiul extraterestru și la susținerea vieții pe Pământ printr-un climat propice dezvoltării.

Soarele poate fi considerat ca o sferă având diametrul de 1,392 × 106 km (de 109 ori diametrul Pământului) aflată la o distanță de 1,496 × 108 km (8,31 minute lumină) de Pământ cu o masă de 1,9891 × 1030 kg (332 950 ori mai mult decât Pământul).

Această distanță este atât de mare încât două drepte care pornesc dintr-un punct de pe suprafața Pământului spre două puncte diametral opuse ale discului solar, formează un unghi de aproximativ o jumătate de grad. În aceste condiții, cu toate că radiația solară este emisă în toate direcțiile, se poate considera că razele solare care ajung la suprafața Pământului sunt paralele.

În miezul Soarelui se desfășoară în continuu reacții de fuziune nucleară, prin care hidrogenul este transformat în heliu.

În prezent compoziția masică a Soarelui este de aproximativ 71% hidrogen, 27,1% heliu, 0,97% oxigen și alte elemente în concentrații mai reduse.

Viteza de conversie a hidrogenului în heliu este de aproximativ 4,26 milioane tone pe secundă. Acest debit de substanță se transformă în mod continuu în energie.

Se estimează că în acest ritm, în următorii 10 milioane de ani, se va consuma aproximativ 1% din cantitatea actuală de hidrogen, deci nu există un pericol iminent de epuizare a sursei de energie a Soarelui. Durata de viață a Soarelui este estimată la aproximativ 4 – 5 miliarde de ani.

Lumina pe care o vedem în fiecare zi reprezintă o parte din energia totală pe care Soarele o emite. Lumina solară este o formă de radiație electromagnetică.

Undele electromagnetice sau radiația electromagnetică sunt fenomene fizice în general naturale, care constau dintr-un câmp electric și unul magnetic în același spațiu care se generează unul pe altul pe măsură ce se propagă.

CLASIFICARE

În funcție de frecvența sau lungimea de undă cu care radiația se repetă în timp, respectiv în spațiu, undele electromagnetice se pot manifesta în diverse forme.

Spectrul radiațiilor electromagnetice este împărțit după criteriul lungimii de undă în câteva domenii, de la frecvențele joase spre cele înalte:

Radiația electromagnetică este caracterizată de:

unde:

Considerând debitul masic de substanță solară care se consumă continuu transformându-se în energie

puterea termică a radiației solare emise în urma acestui proces (P), se poate calcula pornind de la ecuația lui Eistein pentru calcul energiei (E):

unde:

Înlocuind în relația de calcul a puterii termice a radiației emise de Soare, se obține:

Puterea specifică a radiației emise de Soare ( Ps ), reprezentând puterea radiației emise de unitatea de suprafață, se poate calcula cu relația:

unde Ss reprezintă suprafața totală a Soarelui:

Înlocuind, se obține:

Având în vedere că Soare emite radiație pe toate lungimile de unde, poate fi considerat un corp negru absolut, iar puterea emisă în unitate de timp, pe unitatea de suprafață a unui corp absolut negreu (Ps) depinde numai de temperatura acestuia și poate fi calculata conform legii lui Boltzmann, cu relația:

unde:

Cu ajutorul acestei relații, poate fi determinată valoarea temperaturii suprafaței Soarelui:

Înlocuind se obține:

Această valoare corespunde cu cea indicată de majoritatea surselor bibliografice, ceea ce confirmă și faptul că toate calculele efectuate sunt corecte.

Pot fi considerate două temperaturi ale Soarelui, ca și corp negru absolut (care emite radiație pe toate lungimile de undă):

Temperatura suprafeței corpului negru absolut care emite aceeași cantitate de energie ca și Soarele, este de 5777 K, adică 5504 °C;

Temperatura suprafeței corpului negru absolut care emite un spectru de radiație având aceeași lungine de undă corespunzătoare intensității maxime a radiației, ca și radiația solară, este de 6300 K adică 6027 °C.

Temperatura miezului Soarelui, se estimează că variază între .

Se poate considera că radiația solară este emisă uniform în toate direcțiile și poate fi regăsită în tot sistemul Solar. Intensitatea radiației solare disponibile datorită acestui mecanism, depinde în mod evident de distanța față de Soare, iar puterea termică a radiației

solare este distribuită uniform pe suprafețe sferice, având Soarele în centru.

Puterea termică a radiației emise de Soare ( ) poate fi calculată, pe aceste considerente, cu relația:

unde:

Cu ajutorul relației de calcul prezentatea anterior, intensitatea radiației solare raportate la unitatea de suprafață a unei sfere având Soarele în centru (IS), poate fi calculată cu relația:

unde:

Înlocuind în relația anterioară, se obține:

Astfel, intensitatea radiației solare disponibile la limita superioară a atmosferei terestre, se poate calcula cu ajutorul relației anterioare, considerând că D este distanța dintre Pământ și Soare, respectiv .

Intensitatea radiației solare disponibile la limita superioară a atmosferei trestre, poartă denumirea de constantă solară.

Valoarea constantei solare calculată anterior, corespunde cu valoarea adoptată de Word Radiation Center, de . Această valoare este raportată și de numeroase surse bibliografice. Valoarea constantei solare, care este determinată prin măsurători realizate cu ajutorul sateliților, a suferit mai multe corecții dea lungul timpului, așa cum se observă în tabelul de mai jos.

Valoarea radiației solare disponibile la limita superioară a atmosferei terestre, suferă dea lungul anului, mici variații de aproximativ ± 3%, datorate în principal fluctuațiilor distanței dintre Pământ și Soare.

Dependența radiațiiei solare instantanee Ii disponibile la limita superioară a atmosferei terestre, pe durata unui an, poate fi determinată cu relația următoare:

unde:

Intensitatea radiației solare care ajunge la suprafața pământului este mai mică decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, chiar și în condiții de cer senin, intensitatea radiației solare este redusă treptat pe o

direcție perpendiculară la suprafața Pământului, cu aproximativ 15 … 30% in funcție de perioada din an. Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiației solare, la traversarea atmosferei, sunt în principal absorbția și difuzia.

http://www.ro.wikipedia.org/

http://www.ro.wikipedia.org/

Modificările produse de atmosferă și suprafața Pământului, asupra radiației solare, sunt sugerate în figura de mai jos.

Chiar și în condiții de cer senin, radiația care ajunge la suprafața Pământului, din toate direcțiile în urma fenomeului de difuzie, denumită și radiație difuză, reprezintă 5 … 15% din valoarea fluxului de radiație solară care ajunge la suprafața Pământului fără a fi afectată de

acest fenomen, denumită radiație directă. Împreună, radiația directă și cea difuză, reprezintă așa numita radiație totală.

Figura alăturată prezintă spectrul radiației solare la marginea atmosferei și la suprafața Pământului.

Pe figură se observă că în timp ce traverseză atmosfera, radiația solară este parțial absorbită de anumite gaze componente ale acesteia, în special pe anumite lungimi de undă.

Atmosfera terestră absoarbe aproape complet radiația X și o mare parte din radiația ultravioletă (UV). Unele componente ale atmosferei (vapori de apă, O2, CO2, și alte gaze) contribuie la absorbția parțială a radiației solare, conform figurii prezentate.

În general, radiația absorbită este transformată în căldură, care este retransmisă în atmosferă sub formă de radiație difuză, în toate direcțiile.

Prin acest proces, atmosfera se încălzește și produce la rândul ei o radiație cu lungime de undă mare, denumită radiație atmosferică sau radiația bolții cerești.

În conformitate cu datele furnizate de American Society for Testing and Materials (ASTM), spectrul radiației solare este prezentat în figura de mai jos.

Semnificația curbelor:

EXTRATERRESTRIAL RADIATION (ETR)

Radiația extraterestră (spectrul solar la limita superioară a atmosferei), la distanța medie Pământ – Soare .

GLOBAL TILT

Radiația spectrală globală (totală) la nivelul solului, pe o suprafață orientată spre sud și înclinată cu 37° față de orizontală, provenită direct de de la discul solar.

DIRECT + CIRCUMSOLAR

Radiația directă, pe o direcție perpendiculară pe suprafața solului, orientată spre centrul Soarelui, excluzând radiația difuză și radiația reflectată de sol, la care se adaugă radiația circumsolară – emisă de soare, în afara celei emise de discul solar.

Puterea emisivă spectrală ( sau ), intensitatea radiației emise pe fiecare lungime de undă de către un corp negru absolut, poate fi calculată cu relația:

unde:

iar:

Această relație a fost determinată pentru prima dată de Max Plank în anul 1959.

Transformarea sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatori solari, având funcționarea bazată pe diverse principii constructive.

Celulele fotovoltaice fac conversia directa de lumină în electricitate la nivel atomic . Unele materiale prezintă o proprietate cunoscută sub numele de "efect fotoelectric", prin care materialul absoarbe fotoni de lumină și eliberează electroni. Când acești electroni liberi sunt capturați , rezultă un curent electric.

Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare, sub acțiunea energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839.

Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină și din numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume. Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafața acestuia interacționează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acțiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcționează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permite furnizarea unei puteri electrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcționează individual ci legate în serie într-un număr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare

pentru producerea energiei termice, denumite și colectori solari sau panouri solare termice).

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), fiind al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră, reprezentând aproximativ 25% din aceasta.

O celulă fotovoltaică constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni "p" și "n".

Această structură e similară cu cea a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o "agitație" a electronilor din material și va fi generat un curent electric.

Celulele, numite și celule fotovoltaice, au de obicei o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic dar combinații serie, paralel ale acestor celule pot produce curenți suficient de mari pentru a putea fi utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistență mecanică și la intemperii.

Pentru a putea înțelege cum funcționează o celulă solară trebuie să cunoaștem joncțiunea p-n, elementul de bază al unei celule. Joncțiunea se formează atunci când un material semiconductor de tip n este pus în contact cu un material semiconductor de tip p.

Semiconductorul de tip n este dopat cu atomi donori (de exemplu fosforul P care are cinci electroni din care doar patru sunt folosiți pentru a participa la legatura covalentă cu vecinii cei mai apropiați, al cincilea devenind liber). Semiconductorul de tip p este dopat cu atomi acceptori (de exemplu atomi de bor B care au trei electroni nu completează legatura covalentă lipsind un electron, asta ducând la apariția unui gol).

Dacă cele două materiale semiconductoare extrinseci sunt unite se va crea un gradient de concentrație electron gol. Acest gradient duce la apariția unei difuzii.

Electronii vor migra în partea p, iar golurile în partea n, creându-se astfel o zonă de "sărăcire".

Când electronii din partea n trec în partea p ei întâlnesc în cale golurile și se recombină creând sarcină negativă în partea p. Golurile din partea p difuzează în partea n ducând la apariția sarcinii pozitive în partea n. Se crează astfel un câmp electric intern, care va determina apariția curentului de drift.

La echilibru curentul de difuzie și cel de drift se anulează unul pe altul. Curentul net este zero.

Densitatea curentului total pentru electroni este:

Densitatea curentului total pentru goluri este:

unde: n si p sunt concentrațiile electronilor și golurilor, μ este mobilitatea, E câmpul electric, iar Dn,p coeficienții de difuzie.

Celule solare se bazează pe principiul efectului fotovoltaic descoperit încă din 1839 de către fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel. Acest efect constă în apariția unei tensiuni electromotoare atunci când celula este iluminată.

Teoretic fiecare foton poate genera o pereche electron-gol. Fiecare foton are o energie dată de relația:

unde:

Pentru a se crea o pereche electron-gol trebuie ca un electron să devină liber.

Pentru aceasta el trebuie să primească o cantitate suficentă de energie, astfel incât să poată trece din banda de valență în banda de conducție, surplusul de energie transformându-se in căldură.

Celula solară este alcătuită dintr-un strat subțire de tip n puternic dopat si un strat de tip p.

Regiunea de sărăcire trebuie să fie în stratul p.

Lumina este absorbită în stratul n. Deoarece acest strat este subțire mulți fotoni ajung în zona de " sărăcire " și chiar în stratul p creând perechi electron-gol. Când perechea electron-gol este creată in zona de sărăcire câmpul electric intern mută electronul in stratul n, iar golul în stratul p.

Dacă perechea electron-gol se crează în stratul p la distanță mai mică de zona de sărăcire decât lungimea de difuzie, electronul prin difuzie va ajunge in zona de sărăcire și de aici datorită câmpului electric intern în stratul n.

Dacă distanța va fi mai mare atunci va avea loc procesul de recombinare.

Un proces similar are loc pentru perechea electron-gol când aceasta este creată în stratul n. În stratul n se concentrează sarcina negativă, iar în stratul p sarcina pozitivă.

Dacă cele două straturi sunt conectate printr-un conductor, un curent numit current de scurt circuit va curge de la stratul p la stratul n.

Circuit deschis

Structura celulelor solare se realizează în așa mod încât să absoarbă cât mai multă lumină și să apară cât mai multe sarcini în joncțiune. Pentru aceasta, electrodul de suprafață trebuie să fie transparent, contactele la acest strat să fie pe cât posibil de subțiri, pe suprafață se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micșora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albăstruie a celulelor.

La celulele solare moderne se obține din nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD (pe o suprafață încălzită se depun în urma unei reacții chimice componente extrase dintr-o fază gazoasă) un strat antireflectorizant de aproximativ 70 nm grosime (sfert de lungime de undă la un coeficient de refracție de 2,0). Se mai utilizează straturi reflectorizante din SiO2 și TiO2 ce se depun prin procedeul AP-CVD.

Grosimea stratului influențează culoarea celulei (culoarea de interferență). Grosimea stratului trebuie să fie cât se pote de uniformă, deoarece abateri de câțiva nanometri măresc gradul de reflexie. Celulele își datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce corespunde lungimii de undă a culorii roșii, culorea cea mai bine absorbită de siliciu. În principiu însă în acest mod se pot realiza celule roșii, galbene, sau verzi la cerințe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu și a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are și rolul de a reduce viteza de recombinare superficială.

În general întâlnim trei tipuri de celule fotovoltaice și anume:

CELULE FOTOVOLTAICE MONOCRISTALINE

Sunt primele forme de celule fotovoltaice și sunt create dintr-un singur cristal de siliciu. Randamentul acestor celule fotovoltaice este de până la 16%.

CELULE FOTOVOLTAICE POLICRISTALINE

Au la bază mai multe cristale de siliciu, orientate diferit. Randamentul acestor celule este de până la 13%, dar prețul este mult mai mic decât în cazul celulelor fotovoltaice monocristaline.

CELULE FOTOVOLTAICE AMORFE

Sunt realizate din materiale sintetice peste care se aplică un strat de siliciu. Randamentul acestora este de până la 10%, dar au avantajul că se comportă foarte bine la lumina difuză și temperaturi ridicate.

unde:

Dioda modelează comportamentul celulei în întuneric. Sursa de curent modelează curentul Iph generat prin iluminare.

Rezistenele modelează pierderile interne:

Rs modelează pierderile ohmice ale materialului;

Rp modelează curenții paraziți ce parcurg celula

Ideal, se poate neglija Rs și I față de U și să se lucreze cu un model simplificat:

Cum rezistența paralel este mult mai care decât rezistența serie, se poate neglija curentul prin Rp .

Rezultă:

Randamentrul energetic al unei celule este raportul dintre puterea maximă și puterea incidentă.

în care:

AM 1.5 desemnează condițiile masei de aer, determinate în funcție de numărul de mase de aer (grosimea straturilor traversate de razele soarelui, constituția lor).

Randamentul unei celule este, în general, destul de scăzut, de ordinul 10 – 20%. Au fost obținute randamente mai bune cu materiale noi (în laborator, arseniura de galiu AsGa oferă un randament mai mare de 25%) sau cu tehnologii experimentale (tehnologia multistraturi), deseori dificile și costisitoare pentru a fi puse în practică.

În aceste condiții, materialul fotoelectric cel mai utilizat este siliciul, care reprezintă o soluție economică. Pentru astfel de celule, randamentul energetic nu depășește 15%.

Pe baza caracteristicilor curent-tensiune și putere-tensiune, se pot obține și alți parametri:

Curentul de scurtcircuit Isc (U = 0), respectiv curentul debitat de celulă, atunci când tensiunea la bornele sale este nulă. Practic, acest curent este foarte apropiat de fotocurentul Iph.

Tensiunea în circuit deschis Uco (I = 0), respectiv, tensiunea la bornele celulei, atunci când curentul debitat este nul.

Între cele două extreme, exista un optim care oferă puterea maximă Pmax sau MPP (Maximum Power Point).

Factorul de umplere, care arată cât de ideală este caracteristica, respectiv raportul:

Randamentul unei celule depinde de iluminare și de temperatură.

Temperatura este un parametru important, deoarece celulele sunt expuse radiației solare, fiind posibilă încălzirea lor. În plus, o parte din energia absorbită nu este convertită în energie electrică: se disipă sub forma de caldură. Din aceste motive, temperatura celulelor este întotdeauna mai ridicată decât a mediului ambiant.

Pentru a estima temperatura unei celule Tc, cunoscând temperatura mediului ambiant Ta, se poate folosi expresia:

în care:

În condiții standard (1000W/m², 25°C, AM1.5), puterea maximă a unei celule de siliciu de 10 cm² va fi de aproximativ 1,25 W.

Celula fotoelectrică elementară reprezintă, deci, un generator electric de foarte mică putere, insuficient pentru majoritatea aplicațiilor casnice sau industriale. În consecință, generatoarele fotoelectrice sunt realizate prin conectarea (asocierea) în serie și/sau în paralel a unui număr mare de celule elementare. Aceste grupări se numesc module, care la rândul lor vor forma panourile.

Aceasta conectare trebuie să se realizeze cu respectarea anumitor criterii precise, ținând cont de dezechilibrele care se creează în timpul funcționării într-o rețea de fotocelule.

Practic, chiar dacă numeroasele celule care formează un generator, sunt teoretic identice, datorita inevitabilelor dispersii de fabricație, ele au caracteristici diferite. Pe de altă parte, iluminarea și temperatura celulelor nu este aceeași pentru toate celulele din rețea.

Conectarea în serie a celulelor face ca tensiunea la bornele ansamblului să fie mai mare, curentul fiind același în toate celulele.

Conectarea în paralel determină creșterea curentului debitat, tensiunea la bornele ansamblului fiind aceeași.

În cazul conectarii în serie, celulele sunt parcurse de același curent, iar caracteristica ansamblului rezultat este dată de suma tensiunilor celulelor componente, la un anumit curent.

În cazul conectării în paralel, tensiunea la bornele tuturor celulelor este aceeași, curentul rezultat al ansamblului fiind suma curenților celulelor componente. Caracteristica ansamblului este dată de suma curenților furnizați de celulele componente, la o anumită tensiune.

La rândul lor panourile solare pot fi montate în serie și paralel cu scopul de a obține o tensiune, respectiv curentul necesar aplicației pentru care a fost proiectat.

Indiferent de tipul captatorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă.

Poziția captatorilor solari este definită prin două unghiuri și anume, unghiul de înclinare față de planul orizontal și unghiul azimutului, reprezentând orientarea față de direcția sud.

Prin îmbătrânire înțelegem modificarea parametrilor de funcționare a elementelor semiconductoare a celulelor solare în timp.

Perioada luată în considerare este de aproximativ 20 ani. În condiții de utilizare terestră, randamentul scade cu aproximativ 10 %, pe când în spațiu acest procent se atinge într-un timp mult mai scurt datorită câmpurilor de radiații mult mai puternice.

Pierderile de randament în utilizare se datorează în multe cazuri unor cauze banale independente de celulele solare, printre care enumerăm murdărirea suprafețelor sticlei de protecție a modulelor, oxidarea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetația din jur crescută între timp, îngălbirea polimerilor care constituie materialul de contact între celulă și sticlă.

Aceste sisteme sunt utilizate cu precădere în zonele fără energie electrică.  Energia produsă de panourile solare este stocată în baterii iar din acestea este furnizată cu ajutorul unui invertor (convertor curent continuu – curent alternativ), utilizatorilor casnici.

Energia produsă de panourile solare este livrată în rețeaua națională și în același timp folosită pentru aplicațiile casnice.

Potențialul de utilizare a energiei solare în Romania, este relativ important, așa cum se observă în imaginea de mai sus. Există zone unde cantitatea de energie solară depășește 1400 kWh/m2/an, în zona Litoralului Mării Negre și Dobrogea. În majoritatea regiunilor țării, cantitatea de energie solară, depășește 1250 … 1350 kWh/m2/an.