CAPTAREA SI STOCAREA ENERGIEI ELECTRICE Energia solara poate fi captata cu ajutorul captatorilor termici si stocata in acumulatoare sub forma de… [307814]

[anonimizat].

Potentialul energetic instantaneu total teoretic al soarelui este de peste 105 TW. [anonimizat] o mare parte din aceasta energie ( aproximativ 60% din total captat ), ca eficienta conversiei direct din energie solara in energie electrica este mica (de cca 20%, conform tehnologiilor si echipamentelor actuale), ca numai 1% din iradiatia emisa este captata la nivelul solului.Asadar potentialul practic total este de aproximativ 25-30 Tera Watt. Echipamentele electronice actuale au atins o eficienta a conversiei direct in energie electrica de 40 %, iar pentru panouri solare de incalzire de 50-80%.

Panourile solare folosesc ca sursa energia solara difuza care este gratuita si inepuizabila. Acestea pot asigura 60-80% din nevoia de apa calda menajera pe an a [anonimizat]. [anonimizat]. Imaginatia omului a ajuns pana acolo incat a folosit energia solara pentru utilizari din cele mai diverse si mai complexe. [anonimizat], curtilor, pajistilor, aleilor, foisoarelor etc.

Soarele este fara indoiala o sursa de energie infinita. Intr-[anonimizat] 20.000 de ori mai multa energia decat cantitatea necesara de consum a intregii populatii a globului, de peste 15,7 TWh. [anonimizat], echivalentul energiei existente in rezervele geologice energetice de combustibili fosili cunoscute in prezent. [anonimizat] a surselor conventionale de energie cum ar fi: carbune, petrol, gaze naturale etc., [anonimizat] a doua utilizare fiind in momentul de fata cea mai raspandita folosire din intreaga lume. Energia solara ce atinge suprafata Pamantului intr-o ora este suficienta pentru a satisface nevoia de energie electrica a tuturor locuitorilor de pe Pamant pentru o perioada de un an de zile. [anonimizat].

[anonimizat], este acela de a [anonimizat] o sursa de energie curata; un alt avantaj al energiei solare este faptul ca sursa de energie pe care se bazeaza intreaga tehnologie este gratuita si regenerabila. [anonimizat], datorita faptului ca nu au in componenta piese in miscare si nu necesita lucrari de prea mari de intretinere.

Procesele tranzitorii in componentele sistemului de conversie de la o stare la alta se produc aproape instantaneu. Dintre toate sursele de energie care intra in categoria surselor ecologice si regenerabile cum ar fi, exemplu : energia eoliana, energia geotermala, energia mareelor; energia solara se remarca prin instalatiile simple, sigure si cu costuri reduse ale acestora la nivelul unor temperaturi in jur de 100°C, temperatura folosita pentru incalzirea apei cu peste 45 ˚C peste temperatura mediului ambiant, instalatii folosite la incalzirea apei menajere sau a cladirilor. De aceea, este foarte atractiva ideea utilizarii energiei solare in scopul incalzirii si iluminarii locuintelor si se pare ca acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicatie a energiei solare in acest secol si urmatorul. Tehnologia de fabricatie a echipamentului pentru instalatiile solare de incalzire a cladirilor este deja destul de bine pusa la punct intr-o serie de tari dezvolatate ca Japonia, S.U.A., China, Australia, Israel, Rusia, Franta, Canada si Germania.

Unele aspecte ale energiei solare constituie o problema pentru unii, fiind insa o oportunitate pentru altii. Doar fiindca soarele straluceste deasupra fiecarui acoperis al fiecarei case, acesta poate fi un exemplu de avantaj pentru oamenii de rand si pentru folosirea energiei solare la nivel individual, nu numai in marile companii dotate cu echipamente speciale de captare si prelucrare a razelor solare, echipamente ce ar fi asezate pe suprafete mari de teren.

Avantajele sunt multiple: un profit crescut considerabil, o stare de sanatate mai buna a oamenilor fiindca nu suntem influentati de poluare, sau daca nu, macar de diminuarea ei. Avantajul utilizarii energiei solare este faptul ca aceasta este inepuizabila, fiind si una din cele mai “curate” forme de energie.

Nivelul de insolatie reprezinta cantitatea de energie solara care patrunde in atmosfera si ajunge direct pe suprafata pamantului. Aceasta cantitate de energie solara variaza in functie de latitudine, altitudine si perioada a anului. Nivelul de insolatie este exprimat ca media zilnica lunara/anuala in kWh /m².

Toate avantajele energiei solare prezentate mai sus, ma determina sa incep ciclul manualelor “ghid” de folosire a energiilor din natura, regenerabile, nepoluante, gratuite.

Proiectul se adreseaza atat celor ce sunt interesati sa-si construiasca singuri o instalatie care sa le asigure o independenta energetica cat si doritorilor de cunoastere de capabilitatea energiei solare. [1]

Tehnologiile si echipamentele de stocare a energiei electrice,folosind partial sau integral procese electrochimice, pot fi împartite în:

tehnologii si echipamente pentru stocare de scurta durata si cu capacitati mici (sub 0,5 kWh);

tehnologii si echipamente pentru stocare medie (12-60 ore) cu capacitati pâna la câteva sute de MWh;

tehnologii si echipamente pentru stocare de lunga durata (10-300 zile) si cu capacitati mai mari decât 1000 MWh.

Solutiile tehnico-stiintifice elaborate de cercetatorii români pentru stocarea energiei pe durata medie cât si pentru stocarea de lunga durata, sunt centrate pe utilizarea unor tipuri noi de echipamente electrochimice si a unor noi materiale si componente pentru reactoarele de sinteza electrochimica si pentru pilele generatoare decurent continuu. [2]

RADIATIA SOLARA – DISTRIBUTIA PE GLOB

Forma eliptica a orbitei Pamantului in jurul Soarelui cat si deplasarea acestuia spre un capat al elipsei, fac ca distanta pe care radiatia solara o parcurge pana la Pamant sa fie diferita pe parcursul unui an. Astfel, intensitatea radiatiei ajunse la noi variaza, in primul rand, in functie de acest factor. Ea variaza intre un minim de cca. 1.471 x 108 km la periheliu ( adica punctul in care suntem cel mai aproape de Soare), ce are loc in intervalul anului 2 – 5 ianuarie, si 1.521 x 108 km la afeliu ( adica punctul in care ne situam cel mai departe de Soare ), in intervalul pe timpului verii si mai exact 3 – 5 iulie.

La extremitatea atmosferei, densitatea de putere a radiatiei fluctueaza intre 1325 W/m2 si 1412 W/m2. Valoarea medie globala a acesteia se numeste constanta solara si are valoarea :

= 1367 W / m2

Odata ce radiatia patrunde in straturile atmosferei, ea scade directa in intensitate si mai mult, ca urmare a fenomenelor de reflexie, absorbtie si dispersie. La nivelul solului, la amiaza, intr-o zi cu cer senin, intensitatea radiatiei directe poate atinge 1000 W/m2. Energia radiatiei solare difera foarte mult de la zona la zona.

Distributia acesteia pe glob in 2013 este prezentata in urmatoarea imagine:

Fig. 1 – Distributia radiatiei solare directe pe glob

Dintre continentele Pamantului care profita de o radiatie solara intensa este Africa urmata de Oceania si America de Sud si Nord. Nordul si Sudul Africii prezinta o buna radiatie ca intindere, insa Australia profita de cea mai buna pozitionare ca densitate ( Fig. 1 ).

CAPTAREA SI STOCAREA ENERGIEI ELECTRICE IN ROMANIA

Tara noastra se gaseste intr-o zona geografica cu acoperire solara foarte buna cu un flux anual de energie solara cuprins intre 1000 kWh/ m² / an si 1300 kWh / m² / an. Din aceasta cantitate de energie se pot capta intre 600 si 800 kWh /m² / an. Radiatia medie zilnica poate sa fie de peste 5 ori mai intensa vara decat iarna. Dar si pe timp de iarna, in decursul unei zile senine, se pot capta 4 – 5 kWh /m² / zi, radiatia solara captata fiind independenta de temperatura mediului ambient. Campia Baraganului se evidentiaza cu cu o radiatie solara net superioara comparative cu restul tarii ( Fig. 2).

Fig 2. – Radiatia solara in Romania

România a înregistrat o creștere ușoară a capacității fotovoltaice noi anul trecut, cu instalarea de sisteme fotovoltaice cu o capacitate combinată de 70,4 MW. Potrivit cifrelor oficiale publicate de operatorul de rețea Transelectrica al țării, care au fost furnizate revistei pv de către Asociația Română a Industriei Fotovoltaice (RPIA), performanța de anul trecut a fost ușor în scădere față de 2015, când capacitatea PV nou instalată a atins 78,2 MW ( MEGA WATT ).

Puterea fotovoltaică cumulată a țării, a afirmat R P I A ( Romanian Photovoltaic Industry Association ), a ajuns la 1,37 GW la sfârșitul anului 2016, în timp ce capacitatea cumulată de generare a energiei regenerabile a depășit 4,5 GW. Cea mai mare parte a energiei solare instalate în țară este reprezentată de centrale fotovoltaice de dimensiuni mari, construite în cadrul schemei de certificare ecologică, care a fost lansată în 2011.

Conform legislației actuale, certificatele verzi sunt acordate numai operatorilor care și-au conectat proiectele PV până la 31 ianuarie 2016. Un producător de energie fotovoltaică are dreptul să primească certificate verzi pe o perioadă de 15 ani. Un certificat verde este valabil timp de 12 luni și poate fi tranzacționat pe o piață reglementată, numită O P C O M, la un preț minim de 30 Euro euro până la un maxim de 60 Euro. Aceste valori sunt supuse indexării pe o bază anuală, ținând seama de rata inflației din zona euro. R P I A susține că tendința negativă înregistrată în 2016 va continua probabil în viitorul apropiat.

În special, asociația a explicat că o reducere a cotei obligatorii de energie electrică produsă din surse regenerabile de energie care beneficiază de schema de certificare ecologică pentru anul 2017, aprobată recent de guvernul României, s-ar putea dovedi o problemă gravă pentru sectorul solar. Cota nouă a fost stabilită la 8,3% din consumul total de energie electrică. În 2016, cota a fost de 12,1%.
Decizia guvernului sa bazat pe avizul Autorității de Reglementare în Domeniul Energiei al României, care a susținut că menținerea cotei de 2016 în acest an ar fi majorat facturile la electricitate cu aproximativ 5%.

În 2008, când guvernul a emis legislația privind energiile regenerabile, cota a fost stabilită la 17%. Totuși, această decizie va fi efectivă numai până când noul guvern va aproba proiectul de ordonanță de urgență pentru modificarea legii privind energia regenerabilă a țării. Comisia Europeană a aprobat-o deja. [3]

PANOURI SOLARE – TIPURI SI CLASIFICARE

Există două tipuri de panouri solare, pe care le diferentiem prin rezultatul întrebuințării energiei solare. Clasificarea este :

panourile solare termice – panouri ce transformă energia solară în energie termică ( Fig.2 )

panouri solare fotovoltaice – panouri ce transformă energia solară în energie electrica ( Fig 3 )

Fig. 3 – Panou solar termic Fig. 4 – Panou solar fotovoltaic

Cele două tipuri de panouri, termice și fotovoltaice, nu sunt în concurență, având 2 scopuri diferite de folosire. Cum scopurile sunt total diferite, performațele fiecărui tip nu pot fi comparate.

Diferența dintre cele două sisteme constă în capacitatea de reținere a energiei solare captate.

Există multe tipuri de clasificări ale panourilor solare, în funcție de criterii diferite:

după modul de utilizare

modalitatea de captare a căldurii sau

modalitățile de construcție.

PANOURI SOLARE TERMICE

Panourile solare cu tuburi vidat, care sunt numite și colectori sau captatori solari. Acestea mai exact sunt instalații ce captează energia solară conținută în razele solare și o transformă în energie termică (apă caldă / agent de încălzire).

Acest tip de panouri sunt recomandate în special în sezonul rece, primăvara și toamna.Acestea asigură aproximativ 60 – 80% din necesarul de apă caldă iarna, în timp ce vara ajung chiar la 100%, fiind foarte eficiente.

Panourile solare termice se găsesc sub multe forme și mărimi, dar la bază au un sistem similar de funcționare. Acestea sunt compuse din colectoare solare care se montează pe suprafețe sau în locuri care permit absorbția energiei solare.

Apa este încălzită prin intermediul colectoarelor solare, iar cu ajutorul unei pompe cu consum redus de energie, apa circulă în sistem în funcție de nevoia consumatorilor.Panourile solare termice pentru încălzirea apei se pot folosi de sine-stătătoare sau în combinație cu alte sisteme de încălzire clasice.

Deoarece apa este deja la o temperatură mai ridicată decât cea venită direct din sursa de alimentare, atunci când ea ajunge în centrala de încălzire clasică, consumul acesteia de energie scade considerabil.

Panourile solare termice de două feluri:

Panouri solare cu tuburi vidate

Sunt presurizare si nepresurizate

Tuburile sunt compuse din alte două tuburi (sudate între ele) din sticlă borosilicat

Sunt mai eficiente decât panourile solare plane, avand un randament foarte bun fiindca razele soarelui cad perpendicular pe ele din mai multe unghiuri

Foarte ușor de întreținut comparativ cu panourile solare plane

Energia solară este captată prin tuburile vidate

Panouri solare plane

Acestea sunt formate din plăci plane din cupru prin care ajută la captarea energiei solare

Sunt acoperite cu un material special care este special conceput pentru a determina absorbția energiei solare.

Sunt amplasate pe o izolație din fibră de sticlă, care determina o eficiență sporită fiind închise într-un cadru de aluminiu și acoperite cu sticlă

Aceste panouri sunt potrivite pentru toate tipurile de climă indifferent de anotimp

Sunt foarte flexibile și potrivite pentru încălzirea apei menajere din locuinte, a piscinelor, a bazinelor cu hidromasaj etc.

PANOURI SOLARE FOTOVOLTAICE

Formate din celule solare, panourile solare fotovoltaice captează razele solare și o transformă în energie electrică. Celulele solare sunt cunoscute și sub denumirea de celule fotovoltaice.Sunt compuse din siliciu, un material semiconductor, care reține particulele luminii solare.

Celulele solare absorb o parte din particulele de lumină, denumite si fotoni, ce cad pe suprafața lor. Fiecare foton produce o cantitate mică de energie, care trece printr-un cablu pentru consum imediat sau pentru a fi înmagazinată în acumulatori.Practic, energia electrică este produsă atâta timp cât panoul este expus la lumină.

Materialele folosite în fabricarea panourilor fotovoltaice au o durată de viață de cel puțin 20 de ani. Randamentul panourilor solare fotovoltaice scade în timp în funcție de o serie de factori, precum cat de puternica e radiatia solara, mediul înconjurător în care sunt instalate și de modalitatea de montaj folosită si mententanta acestora.

PANOURI FOTOVOLTAICE – ISTORIC, EFICIENTA SI CLASIFICARE

Efectul fotoelectric este fenomenul rezultat in urma caruia materialele pentru celule solare sunt capabile să absoarbă fotoni de lumină și să elibereze electroni. Celulele solare convertesc direct lumina soarelui în energie electrică fără a folosi mecanisme mecanice sau chimice.

Daca conectam in serie celulele solare avem ca rezultat creșterea tensiunii direct proporțional cu numărul celulelor. Conectare în paralel a celulelor, urmărește de fapt creșterea curentului debitat de ansamblul respectiv. La rândul lor panourile solare pot fi montate în serie și paralel cu scopul de a obține o tensiune, respectiv un curentul necesar aplicației pentru care a fost proiectat.

Celule solare sunt numite și celule fotovoltaice. Acestea sunt alcătuite din două sau mai multe straturi de material semiconducator, cel mai raspândit material fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa între 0.001 și 0.2 mm, fabricate cu ajutorul unor elemente chimice pentru a forma jocțiuni “p” si “n”. Prima celulă solară a fost contruită în ani 1880 de Charles Fritts. Deși prototipul convertea mai putin de 1% din limina incidentă in electricitate ,acesta descoperire este considerată una foarte importantă. În timpul crizei petrolului de la inceputul secolului 20, dezvolatarea celulelor solare a cunoscut o creștere semnificativă.

CELULA SOLARA SI EFECTUL FOTOVOLTAIC

Efectul fotovoltaic a fost pentru prima data observat de catre fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel in 1839. Mai exact, fenomenul consta in aparitia unei tensiuni electrice sau a unui curent electric in anumite materiale, in momentul in care acestea erau expuse la razele solare. Alexandre-Edmond Becquerel si-a explicat descoperirea in revista stiintifica „Les Comptes Rendus de l'Academie des Sciences” drept “aparitia unui curent electric cand doua placi de platina sau aur, imersate intr-o solutie acida, neutra sau alcalina, sunt expuse la radiatia solara in mod inegal.”

Progresul mecanicii cuantice a atras dupa sine o mai buna explicatie a efectului fotovoltaic. Plecand de la notiunea de foton, fenomenul a fost descris drept efectul de desprindere a electronilor din banda de valenta si intrarea lor in banda de conductie, in urma absorbtiei energiei fotonilor de catre anumite materiale.

Fig.5 – Benzile energetice la metale, semiconductoare si dielectrice

Materialele semiconductoare, comparativ cu metalele sau cele izolatoare electrice, au o diferenta energetica intre benzile de valenta de cea de conductie, suficient de mica incat absorbtia unui foton sa poata disloca un electron si sa il plaseze in banda de conductive. In constructia de celule fotovoltaice pentru aplicatii terestre (celulele necesita o compatibilitate cu spectrul radiatiei, care difera intre suprafata planetei si limita exterioara a atmosferei), materialul cel mai raspandit este siliciul, in forma mono sau poli-cristalina.

Siliciul pur ( Fig. 6 ) are, insa, putini electroni liberi, insuficienti pentru a genera un curent electric util. Astfel, in mod deliberat, acesta se dopeaza cu materiale din grupele III sau V din tabelul periodic, substante care au cu 1 electron de valenta mai mult sau mai putin decat siliciul, precum borul sau fosforul, pentru a-i spori conductivitatea electrica. In cazul fosforului, intrucat doar 4 din cei 5 electroni disponibili creeaza legaturi stabilie cu atomii de siliciu adiacenti, legatura slaba a celui de-al cincilea poate fi usor rupta, ducand acel electron in stratul de conductie. Acest tip de dopaj se numeste dopaj-n (negativ), din cauza ca adauga un exces de electroni, de sarcina negativa.

Fig. 6 – Siliciu in stare neprelucrata

Analog, in cazul materialelor din grupa III, precum borul, care au cu un electron de valenta mai putin, apare un gol in legaturile atomice. Acest lucru permite migrarea electronului liber de la atomul de siliciu adiacent celui de bor si umplerea acelui gol. Efectul este aparitia unui alt gol, fenomen care se propaga si duce la aparitia unui „curent de goluri”. Acest tip de dopaj se numeste dopaj-p (pozitiv), intrucat creeaza un exces de sarcina pozitiva.

Fig. 7 – Structura atomica a siliciului dopat cu impuritati

O celula fotovoltaica este in esenta, o jonctiune p-n formata prin suprapunerea a doua straturi de material semiconductor, unul dopat-p iar celelalt dopat-n. Aceasta juxtapunere genereaza o zona de contact pe care sarcinile de tip n o traverseaza pentru a umple golurile din stratul dopat-p, creand perechi electroni-gol. Absorbtia fotonilor de catre o astfel de pereche duce la ruperea ei, ceea ce formeaza purtatori de sarcina liberi, in acest mod formandu-se un curent electric. [4]

Panourile solare sunt realizate din celule solare in 2 straturi, unite printr-un element semiconductor, asemenea sa spunem unui sandwich. Celulele realizate din siliciu faciliteaza desprinderea electronului de atom, astfel incat sa se deplaseze liber. Cand lumina loveste un atom, aceasta este absorbita de catre unul din electronii din jurul atomului, stimuland energia electronului.

Cele doua straturi de celule, diferite ca tensiune, sunt contaminate cu substante chimice, intr-un proces numit „dopaj”, astfel incat unul sa contina un exces de electroni iar celalalt sa fie capabil sa ii absoarba. Energia rezultata prin jonctiunea acestora poate determina functionarea oricarui aparat electric, cu conditia ca energia sa fie converita in electricitate inainte de utilizarea acestuia.

Cantitatea de energie produsa de un panou solar depinde de 3 factori: dimensiunea panoului, eficienta celulelor sale solare si cantitatea de radiatie solara la care este expus.

In ceea ce priveste dimensiunea panoului, matematica este simpla: cu cat mai multe celule solare lucreaza in tandem, cu atat mai multa energie se produce. Panourile solare se gasesc in multiple dimensiuni, de la cele mici de un metru lungime pe care le poti vedea montate langa unele semafoare, la altele de 6 m care se pot roti dupa soare, in statii de prognoza meteo, pana la „fermele” de panouri solare din China si India, care se intind si 10 kilometri. Cea mai inedita „ferma” de panouri solare se afla in China si are forma unui Panda gigantic.

Chiar si in privinta panourile solare, dimensiunea nu e totul. Daca in 1950, acelasi numar de celule solare dadea 6% randament, astazi tehnologia a avansat si ajung la 20%. De aceea, eficienta lor este un factor la fel de important. Combinand dimensiunile panoului cu eficienta celulelor sale, se obtine un numar numit rating de putere, scris pe fiecare panou solar produs, pentru a estima cati W va produce in cele mai bune conditii meteo.

Cantitatea de radiatie solara influenteaza functionarea panourilor solare pentru ca este materia prima pe care acestea o utilizeaza. In plus, intemperiile pot deteriora sistemul. Iarna, majoritatea instalatiilor trebuie sa fie prevazute cu circuite duble de racire, astfel incat circuitul exterior sa joace rolul unei solutii anti-inghet, mai ales cand e vorba de sisteme termice.

Iata de ce ai nevoie pe langa panourile fotovoltaice:

baterie de acumulator pentru livrare energie si in lipsa luminii solare

regulator de tensiune pentru prevenirea supraincarcarii bateriei

dispozitiv de deconectare in cazul descarcarii sub limita a acumulatoarelor

dispozitiv de masurare ce indica directia de alimentare si cantitatea de energie produsa / consumata. [5]

Fig. 8 – Celula fotovoltaica – principiu de functionare

CLASIFICAREA CELULELOR SOLARE

Celulele solare care stau la baza acestui tip de panouri, sunt de mai multe tipuri :

Monocristaline

Policristaline

Amorfe

Film subțire

CIS (copper indium diselenide)

CdTe (cadmium telluride) etc.

Diferența dintre tipurile de celule solare este dată de eficiența fecăruia. Prin eficiența celulei solare se măsoară procentul de energie luminoasă transformată în energie electrică.

Celulele monocristaline și policristaline au aproximativ aceeași eficiență, fiind și cel mai des întâlnite pe piață.

Panourile fotovoltaice se împart în mai multe categorii, în funcție de tipul celulelor solare ce le alcătuiesc. Pe piață, se disting următoarele tipuri de celule: monocristaline, policristaline, cu strat subțire și amorfe sau hibride.

Celule solare monocristaline

Acestea sunt folosite în panourile fotovoltaice sunt ușor de recunoscut datorită aspectului extern colorat spre negru și uniform, această proprietate indicând consistența unui siliciu de înaltă puritate și calitate. Din acest motiv, panourile solare monocristaline sunt cele mai eficiente. De asemenea, aceste panouri produc cel mai mult curent din radiația solară și pot fi amplasate pe porțiuni mai restrânse.

În plus, panourile solare monocristaline produc de patru ori cantitatea de energie electrică față de alte tipuri de panouri, sunt cele mai durabile și majoritatea producătorilor oferă garanții de peste 25 de ani pentru aceste produse.

Caracteristici :

• Materialul semiconductor are consistența de înaltă puritate și claritate;

• Aspectul uniform de culoarea albastru închis spre negru;

• Randamentul mare între 16 – 20 %;

• Chiar daca este innorat, productivitate este mai bună ;

• Productivitate mai scăzută în condiții de temperaturi caniculare;

• Celulele monocristaline sunt pătrate cu colțuri lipsă.

Celule solare policristaline

Tind să aibă mai puțină rezistență la căldură decât panourile solare monocristaline, deci sunt mai puțin eficiente la temperaturi crescute.

Un avantaj este ca sunt mai ieftine decât cele monocristaline, procesul de producție fiind mai simplu și mai puțin costisitor. Acest lucru, pe de altă parte, implică și o eficiență mai scăzută a acestui tip de panouri.

Caracteristici :

• Aspect neuniform de culoare în diferite nuanțe de albastru;

• Randament între 12 – 16 %, apropiat celor monocristaline ;

• Productivitate mai bună în condiții de temperaturi caniculare;

• Productivitate este mai scăzută în condiții de luminozitate redusă;

• Celulele policristaline sunt în formă de pătrat.

Celule solare cu strat subțire

Sunt la rândul lor clasificate în funcție de materialul fotovoltaic care este depus pe substrat: siliciu amorf, telurură de cadmiu, seleniură de cupru indiu galiu și celule fotovoltaice organice.

Prototipurile de module cu strat subțire sunt in urcare si au atins performanțe între 7 și 13%. Panourile cu celule cu strat subțire sunt mai ieftine decât cele cu celule solare cristaline. Aspecul lor omogen le conferă un design plăcut, sunt flexibile, iar performanța lor nu este afectată de temperaturile ridicate sau de umbră. Sunt ideale pentru suprafețele mai largi, mai întinse.

Caracteristici :

• Aspectul lor omogen oferă un design plăcut, sunt flexibile ceea ce crește foarte mult numărul de aplicații potențiale (de exemplu suprafețe curbe pe aparatura electronica );

• Panourile solare cu strat subțire au tendința de a se degrada mai repede in comparatie cu celelalte ;

• Eficiență bună în condiții de iluminare slabă, și nu sunt afectate la fel de mult de problemele de umbrire.

Panouri solare hibride – termic si fotovoltaic

Asa cum le spune si numele, sunt panouri ce transformă energie solară atât în apă caldă cât și în energie electrică. Dețin un modul care are un strat subțire de peliculă solară amorfă în spatele celulelor monocristaline. Stratul suplimentar amorf extrage mai multă energie de la lumina soarelui, în special în condiții de lumină slabă. Un avantaj al acestei tehnologii este că pierderile care apar de obicei din cauza lipsei de uniformitate a structurilor cristaline prezente pe suprafața celulei, sunt semnificativ reduse.

Aceste panouri nu sunt recomandate pentru suprafețe mari de acoperiș și se vând la prețuri mai mari decât panourile fotovoltaice anterioare. [6]

Fig. 9 – Panou solar hibrid

Fig. 10 – Clasificare celule si cum le recunoastem

EFICIENTA CELULELOR FOTOVOLTAICE

Eficienta de conversie a celulelor fotovoltaice reprezinta debitul de energie electrica al acestora in raport cu energia absorbita din radiatia solara incidenta. In termini liberi, eficienta unei celule reprezinta, proportia de energie solara din totalul absorbit de catre o celula, ce a fost convertita in energie electrica. Prin urmare, se calculeaza impartind puterea electrica de varf a celulei (exprimata in W) la densitatea de putere a radiatiei incidente in momentul in care puterea maxima este atinsa (exprimata in W/m2) si la suprafata celulei (exprimata in m2):

𝜂= 𝑃𝑚 / 𝐸 × 𝐴𝑐

In productia de celule fotovoltaice, data fiind dependenta caracteristicilor electrice ale acestora de temperatura si spectrul radiatiei, eficienta de conversie este determinata conform unor conditii standardizate de testare (abbr. engl. STC – Standard Test Conditions). Acestea presupun o temperatura de 25°C cu o toleranta de ± 2°C, iradianta incidenta de 1000W/m2 si distributia spectrala a radiatiei aferenta unui indice de masa a aerului AM 1.5.

STC corespund unei zile senine in care Soarele are un unghi de elevatie de aproape 42° iar celula este orientata spre acesta, sub un unghi de 37°. In aceste 12 conditii, o celula cu suprafata de 100 cm2 si eficienta de conversie cotata la 20% va avea o putere electrica de 2 Watti.

Fig. 11 – Eficienta de conversie a celor mai bune celule fotovoltaice produse a nivel mondial intre 1976 si 2014

In practica, conditiile enuntate in STC sunt rar intalnite, insa eficienta de conversie din documentatia tehnica a celulelor este intotdeauna indicata in relatie cu condiitile standard de test si reprezinta eficienta nominala:

𝜂𝑁𝑂𝑀= (𝑆𝑇𝐶) / 𝐴 × 1000 𝑊/𝑚2

unde litera A reprezinta aria celulei.

In plus fata de dependenta de iradianta, eficienta celulelor cristaline este inver proportionala cu cresterea temperaturii. Astfel, elementele fotovoltaice au maxima eficienta la temperaturi scazute. Coeficientul de temperatura este dependent de materialul utilizat, iar in cazul siliciului cristalin, acesta se situeaza in jurul valorii de -0.0045 (-0.45%) per °C. Considerand densitatea de putere a radiatiei incidente, precum si distributia spectrala a acesteia, constante, variatia eficientei celulelor capata urmatoarea forma:

𝛥𝜂≅ −0.0045 × ((𝑆𝑇𝐶) − 𝑇) × (𝑆𝑇𝐶)

Fig. 12 – Dependenta de temperatura a caracteristicii I-U a celulelor fotovoltaice

Spre exemplu, daca puterea nominala in conditii standard de iradianta si distributie spectrala a unei celule este de 200 W iar temperatura ei este ridicata la 45°C, puterea efectiva atinge 182 W. Invers, daca temperatura celulei ar fi fortata sa scada pana la 5°C, puterea electrica efectiva ar atinge 218W. [7]

TIPURI DE RETELE FOTOVOLTAICE

Sistemele fotovoltaice se împart în două mari categorii si mai exact sisteme fotovoltaice cu conectare la rețea, respectiv sisteme fotovoltaice izolate.

Elementele componente principale ale unui sistem fotovoltaic conectat la rețea, sunt următoarele: panoul fotovoltaic pentru conversia radiației solare în electricitate, invertorul pentru conversia curentului continuu în curent alternativ și elementele de protecție.

Un sistem de alimenare fotovoltaic conectat la rețea, sau un element de alimentare fotovoltaic conectat la rețea este un sistem care generează energia electrică produsă direct în rețeaua electrică națională.

Fig. 13 Sistem fotovoltaic conectat de la rețea

Sistemele fotovoltaice izolate (neconectate la rețea) includ în plus bateriile de acumulatori pentru stocarea energiei electrice, regulatorul de încărcare MPPT pentru încărcarea controlată a bateriilor și tabloul de distribuție. [8]

Fig. 14 – Sistem fotovoltaic izolat

APLICATII CU PANOURI FOTOVOLTAICE

O primă aplicație a celulelor fotovoltaice constă în utilizarea acestora ca surse de producere a energiei electrice pentru locuințe.

Fig. 15 – Locuinta care dispune de retea de panouri

În timpul zilei, energia Soarelui este convertită în electricitate permițând alimentarea electrocasnicelor, surplusul fiind stocat în acumulatori ( în cazul locuințelor izolate ) sau livrat în rețea (în cazul locuințelor conectate la rețea). Pe timpul nopții energia electrică necesară este recuperată din baterii sau din rețea.

Cea mai relevantă aplicație a celulelor fotovoltaice constă în utilizarea acestora pentru producerea energiei electrice în cadrul centralelor fotovoltaice de medie și mare putere în scopul injectării acesteia în SEN ( serviciul de sistem ). Aceste centrale au în general puteri de ordinul megawaților sau chiar a zecilor sau sutelor de megawați și se racordează prin intermediul transformatoarelor ridicătoare la rețeaua de medie tensiune.

Altă aplicație a celulelor solare o reprezintă avioanele fară pilot, alimentate cu energie electrică provenită de la panouri fotovoltaice.

Fig. 16 – Avion “Solar Impulse” a zburat, timp de 19 ore, din Spania pana in Maroc, peste stramtoarea Gibraltar.

Una dintre cele mai importante este domeniul fitnessului si a medicinii, asa cum o sa vedeti mai jos. [9]

SOLUTII DE STOCARE A ENERGIEI ELECTRICE – ACUMULATORII

Lumina ambientală, gradienții termici, vibrațiile / mișcările sau radiațiile electromagnetice pot fi recoltate pentru alimentarea dispozitivelor electronice. În același timp, toate sistemele bazate pe recoltarea energiei au nevoie de stocare de energie pentru momentele în care energia nu poate fi recoltată (de exemplu, noaptea pentru sistemele alimentate cu energie solară).

Bateriile reîncărcabile sunt cunoscute sub numele de celule "secundare" pentru a le diferenția de celulele "primare" sau de unică folosință – sunt de obicei specificate pentru această sarcină. Se examineaza diferitele tehnologii secundare de celule disponibile pentru designerii de sisteme de recoltare de energie în căutarea unei soluții eficiente din punct de vedere al costurilor și a bateriei.

Bateriile primare și secundare conțin aceeași structură de bază a unui catod, un anod, un electrolit pentru încărcarea încărcării între borne și un mijloc de separare a acestora. Celulele secundare se disting prin tipul de chimie reîncărcabilă utilizată, cum ar fi nichel-cadmiu sau litiu-polimer sau film subțire în stare solidă.

Deși proiectantul sistemului de recoltare a energiei nu poate fi axat pe structura celulară și chimie, va fi util să dezvoltăm o cunoaștere activă a diferitelor tehnologii, deoarece chimia celulară determină toate valorile și limitele performanțelor bateriei.

Nichel-cadmiu (NiCd) : bateriile s-au bucurat de cea mai lungă piață de rulare între celulele secundare pentru electronice portabile, rezultând într-o tehnologie matură, cu costuri reduse. Cu toate acestea, NiCd oferă și avantaje de performanță.

De exemplu, cele mai recente baterii NiCd au o rezistență internă foarte scăzută, în comparație cu bateriile alcaline standard. Alături de capacitate, rezistența internă este cea de-a doua specificație cea mai importantă, deoarece determină o mare parte a performanței maxime a acumulatorului în încărcare și descărcare, deoarece scade eficiența bateriei. Rezistența internă limitează condițiile de funcționare, cum ar fi temperatura și determină durata de viață utilă a bateriei. Rezistența internă scăzută face ca NiCd să fie un candidat bun, unde este nevoie de o putere mare pentru perioade scurte. Curenții de descărcare de până la 50 de ori mai mari decât capacitatea acumulatorului (sau 50 A pentru o celulă 1-Ah) sunt ușor tolerați și au un efect minim asupra capacității. Tensiunea la bornele se schimbă foarte lent când celulele sunt descărcate, iar celulele NiCd nu se deteriorează după perioade lungi de timp în care au fost descărcate complet.

Ratele de auto-descărcare sunt de aproximativ 20% pe lună la 21 ° C. O dimensiune comună a celulelor NiCd este AA. Sanyo Cadnica SY115-ND oferă o capacitate de 70 mAh la 140 mA (rata de 0,2 C). Impedanța internă la debitul de 50% este de 16 mΩ (la 1000 Hz), iar curentul de încărcare poate varia de la 70 mA (standard, 14 până la 18 ore de încărcare) până la 1.050 mA (timp de încărcare rapid, aproximativ 1 oră).

Fig 17. – structura celulei SANYO Cadnica SY115-ND 700mAh NiCd AA (stânga)

Tehnologia NiMH (NiMH) a început să înlocuiască bateriile NiCd în multe aplicații. Structurile de celule și electrozii au multe în comun cu celulele NiCd, deși NiMH înlocuiește cadmiul cu un aliaj de absorbție a hidrogenului.

Celulele metal-hidrură sunt disponibile în dimensiuni până la AAA și apar în multe produse de consum actuale, făcându-le competitive cu tehnologia NiCd mai matură, în timp ce îndeplinesc sau depășesc performanța NiCd. NiMH oferă o rată ridicată de descărcare cu o scădere scăzută a tensiunii de borne pentru o adâncime relativ mare a descărcării. Densitatea de energie poate fi de până la două ori mai mare decât cea a celulelor NiCd.

Celulele NiMH au rate de auto-descărcare asemănătoare cu NiCd; unele așa-numite celule hibride includ un separator de electrozi mai gros pentru a reduce efectul. Aceste celule sunt adesea încărcate și livrate gata de utilizare, deoarece unele versiuni își păstrează starea de încărcare de până la 80% timp de un an atunci când sunt stocate la 20 ° C.

Litiu-ion (Li-ion) oferă un factor de îmbunătățire a densității de masă cu două puteri mai mari față de celulele NiMH. Prețurile bateriei cu litiu sunt în scădere grație succesului lor în dispozitivele portabile de calcul.

Panasonic-BSG, de exemplu, produce celule de litiu în formate de monede foarte mici, într-o gamă de capacități de la câteva mAh până la 100 mAh (la rata de descărcare de 0,002 ° C). Celula P088-ND atinge această capacitate mare într-un pachet cu diametrul de 30 mm și grosimea de 4,2 mm, specificat pentru a livra 200 uA timp de 500 de ore. Celulele Li-ion prezintă o rezistență internă ridicată în comparație cu alte celule secundare.

Fig. 18. – Panasonic-BSG P088-ND

Li-polimerul (adesea denumit Li-Po) reprezintă o clasă specifică de celule Li-ion în care electrolitul este menținut într-un material polimeric. Celulele Li-Po îmbunătățesc puterea tau pentru o greutate data in comparatie cu celulele Li-ion standard. Bateriile Li-polimer sunt atractive pentru recoltarea energiei, deoarece prezintă o descărcare foarte ridicată pentru a încărca eficiența (mai mare de 99% comparativ cu mai puțin de 90% pentru Li-ion standard). Dar, în timp ce bateriile cu litiu-ion / polimer chimie furnizează caracteristicile de înaltă performanță necesare, ele trebuie tratate cu grijă.

De exemplu, celulele litiu-ion / polimer pot deveni instabile dacă sunt încărcate peste 100 mV dincolo de tensiunea de flotor recomandată. Specificațiile producătorului trebuie revizuite cu atenție înainte de proiectarea circuitelor de control al încărcării și descărcării pentru toate bateriile secundare pe bază de litiu. Celulele secundare din pelicula subțire sunt o clasă specifică de celulă litiu-ion în care dimensiunile reduse ale componentelor măresc suprafețele active ale electrozilor, permițând producătorilor să strângă ingrediente mai active într-un volum mai mic al celulelor.

Rezultatul este o creștere dramatică a performanței, evidentă mai ales în ratingul de putere și densitate a energiei. Electrolitul este solid. Cymbet este unul dintre cei mai importanti producatori de acest tip de celula. Dimensiunea celulei permite distribuția stocării energiei la nivelul circuitului integrat.

Celulele Cymbet pot fi vândute ca matrițe goale pentru ambalarea cu IC, extindând conceptul vechi de SRAM cu baterie înapoi la o nouă dimensiune. Solid-state celule de stocare subțiri EnerChip sunt de asemenea disponibile ca celule individuale în pachetele IC standard. Cymbet 859-1009-1-ND (Figura 4) este expediat într-un pachet QFN. Capacitatea nominală este de 50 μAh la o viteză de descărcare de 2 ° C. Chiar și cu această rată de descărcare relativ ridicată și cu adâncimea de descărcare la 50%, celula subțire este evaluată pentru 1000 de cicluri de viață la 25 ° C. Tensiunea nominală a celulei este de 4,2 V, simplificând integrarea cu o gamă de componente electronice.

Fig. 19 – Celulă subțire Cymbet 859-1009-1-ND 50-μAh de 4,2 V

Un alt avantaj unic al bateriilor subțiri de înaltă performanță este capacitatea lor de a lucra la temperaturi scăzute. Bateriile convenționale cu un electrolit lichid pot îngheța și chiar își pot sparge bateriile. Pe măsură ce temperatura scade, rezistența internă a celulelor crește.

Având un electrolit de stare solidă, nu există nicio problemă de rupere a bateriei. În timp ce încă aveți rezistențe interne crescând cu scăderea temperaturii, bateria continuă să funcționeze în condiții foarte reci, oferind încă curent la temperaturi de până la -40 ° C. În astfel de cazuri, puteți cupla bateria cu un condensator în care este nevoie de un impuls de curent ridicat, de exemplu pentru alimentarea unui emițător radio într-un senzor fără fir.

Soluțiile Infinite Power (IPS) sunt un alt furnizor de baterii subțiri de înaltă calitate, reîncărcabile, care sunt foarte potrivite pentru aplicații autonome, cum ar fi dispozitive Bluetooth Smart și alți senzori wireless. Celulele sale cu micro-energie THINERGY (MECs) au un curent de descărcare de aproximativ zero, iar cu 100.000 de cicluri de reîncărcare poate dura durata de viață a aplicației.

Materialele active din modelul IPS THINERGY MEC201 includ o catod de oxid de cobalt de litiu (LiCoO2) și un anod Li-metal. Se utilizează un electrolit în stare solidă numit LiPON (oxitribid de fosfor de litiu); conductibilitatea redusă a electronilor din LiPON are ca rezultat o auto-descărcare foarte scăzută, ceea ce face ca această tehnologie să fie ideală pentru aplicații în care energia trebuie stocată în siguranță pe perioade lungi de timp fără capacitatea de reîncărcare.

Datorită rezistenței interne reduse a celulei, dispozitivul este o alegere bună pentru stocarea energiei în aplicații în care sunt disponibile numai surse de reîncărcare extrem de reduse; impulsuri sau curenți continuu de până la 1 μA pot fi utilizate pentru a reîncărca eficient acest dispozitiv. [10]

Fig. 20 – THINERGY MEC201

CONTRUIREA UNUI PANOU FOTOVOLTAIC ARTIZANAL

Oricine isi poate construi acasa un panou solar artizanal. Necesita un pic de indemanare si cateva instrumente electrotehnice.

Materialele principale necesare construirii unui panou solar sunt : celule solare, banda cupru interconectare celule, banda cupru magistrala, placa OSB, plexiglass, profile de aluminiu, suruburi, silicon, diode de blocare, aparat de lipit + fludor.

Banda de interconectare se trece pe deasupra celulei urmatoare pentru a reusi inserierea celulelor ( Fig. 21 ).

Fig. 21 – Celule inseriate pentru a creste tensiunea electrica

Dioda de blocare este foarte importanta ca pe timpul noptii sa nu se descarce acumulatorul incarcat.

Fig. 22 – Circuit incarcare acumulator cu invertor si MPPT

Pentru realizarea unui panoul fotovoltaic cu care sa incarci un acumulator de 12 volti,sunt necesare 46 de celule fotovoltaice. O celula are tensiunea de 0.5 volti. 26 de celule inseriate dau o tensiune de 18 volti, iar 10 le poti pune in paralel pentru a creste intensitatea la cel putin 1 Amper, suficient pentru incarcarea acumulatorului.

Pentru a nu distruge acumulatorul, avem nevoie de un regulatorul de tensiune ( Maximum Power Point racking ) pentru a regla tensiunea de incarcare pe 12 volti.

Fig. 23 – Regulator de tensiune MPPT 12 Volti

Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U și intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent continuu. Relatia este :

P = U x I

Mai jos prezint circuitul de incarcare al unui acumulator :

Fig. 24 – Circuit incarcare cu MPPT

Fig. 25 – Schema electronica MPPT

Dupa configurarea traseului, se pot alimenta diverse aparaturi medicale la sistem.

Fig. 27 – Monitor supraveghere EKG alimentat de la un panou solar

Pentru constructia unui panou fotovoltaic artizanal, avem nevoie de :

profil "U" de aluminiu – aproximativ 3 metri

2 tuburi silicon – preferabil transparent

distanțiere gen cele folosite cand se monteaza faianta si gresia

sfoară ( oarecare )

cablu electric dublu cu diametrul filamentului de minim 1.5 mm

lipici + cutter

2 foi de sticlă de 3 mm grosime ( 100 cm x 50 cm )

celule solare – cum am precizat mai sus, depinde de tensiunea si curentul pe care vrei sa-l obtii

diode – care sunt folosite pentru a bloca scurgerea curentului in timpul in care nu se incarca

termo-contractabil ( varnish )

holsuruburi, saibe si piulite

aparat de lipit + fludor + sacaz

multimetru

Celulele fotovoltaice se inseriaza si se pun in paralel pentru obtinerea tensiunii si curentului dorit. Celula o să aibă întotdeauna contactul metalic de deasupra negativ, iar cel de dedesubt, pozitiv, ca în desenul de mai jos .

Fig. 28 – Principiul de lipire a celulelor fotovoltaice

Asta înseamnă că înseriate, celulele vor trebui conectate în felul următor: negativul primei celule va trebui legat la pozitivul celei de-a doua și tot așa. Cand celulele se lipesc, trebuie mare atentie fiindca acestea sunt casante si se pot sparge. Totodată, trebuie avut grijă ca poziția fiecărei celulei lipite să fie sub nivelul distanțierelor de plastic, ca atunci când o să se așeze cealaltă foaie de sticlă, aceasta să nu atingă celulele.

În continuare, trebuie facute contactele dintre celule. Pentru asta e nevoie de un pistol de lipit, de niște cositor (fludor) și niște sacâz. Legătura dintre două coloane alăturate de celule se face c-o bandă metalică mai groasă.

Panoul trebuie conectat printr-un cablu la o baterie, așa că am nevoie de un cablu. Cu cât cablul e mai gros, cu atât e mai bine, deoarece rezistenta electrică a unui conductor scade invers proporțional cu diametrul conductorului. Oricum, 1.5 mm grosime la cablu ar trebui să suporte un curent de circa 3 A fără pierderi prea mari, la o lungime de maxim 2-3 metrii.

Apoi cablul rosu la plus, iar cel negru la minus ( daca vrem sa respectam codul culorilor ).Siliconul trebuie pus într-un strat destul de gros, pe toate cele patru laturi ale panoului pentru a asigura o lipire etanșă. Nu se doreste să intre apă în panou, în timpul funcționării. Apa poate să corodeze contactele, poate scurtcircuita o parte din celule, iar dacă e în cantitate mai mare poate să spargă sticla la un îngheț. Dupa se prind profilele de aluminiu ( rama panoului ).

Urmeaza montatate diodele de protecție. Aceste diode au un rol foarte important : controlează sensul curentului dat de panou, altfel spus, nu lasă să "intre" curent în panou. Ziua radiatia solara este mare si când panoul produce o tensiune mai mare decât tensiunea de la bornele bateriei,  sensul de patrundere al curentului este dinspre panou spre baterie. Noaptea în schimb cand lipseste lumina, panoul nu mai produce energie și începe să se comporte ca un consumator. Astfel bateria, având o tensiune mai mare decât a panoului, o să înceapă să se descarce prin panou.

Pentru a înpiedica descărcarea bateriei trebuie montată o diodă în sensul de "curgere" al curentului atunci când bateria se încarcă. Dioda aleasă trebuie să suporte cel puțin curentul maxim pe care îl poate genera panoul. Putem alege diode Schottky de 15 Amperi ( exemplu cod 1N5818 diodă formată dintr-o joncțiune metal-semiconductor ), pentru că la un curent direct de 15 A ea are o cădere de tensiune relativ mică ( 0.7 – 0.9V ). Deoarece dioda se montează pe cablul ce iese din panou, care va sta în aer liber, ea trebuie izolată cât mai bine si se poate folosit termo-contractil.

Dioda Schottky ( Fig. 29 ) are capacitatea jonctiunii este foarte mică, ceea ce înseamnă că dioda poate lucra la frecvențe înalte de pana la 1 Mz. Un alt avantaj al joncțiunii metal-semiconductor față de joncțiunea semiconductor folosită la diodele normale este căderea mică de tensiune, numai 0,3 Volti față de 0,6 Volti cât este în cazul unei diode din siliciu. Acestea își datorează proprietățile faptului că purtătorii minoritari și recombinarea purtătorilor sunt neglijabile, conducția fiind asigurată exclusiv de purtătorii majoritari: electroni în cazul semiconductorului cu jonctiunea de tip N și goluri pentru jonctiunea P.

Fig. 29 – Simbolul diodei Schottky

Dupa finalizarea panoului, cablul rosu ( pozitiv ) si cablul negru ( negative ) se leaga la regulatorul de tensiune ( MPPT ) la bornele de IN si cu 2 cabluri de asemeni diferentiate vizual se leaga la bornele de OUT. Acestea le leaga la bornele acumulatorului.

Daca se doreste o tensiune mai mare sau mica, se poate regla din potensiometrul regulatorului ( rezistorul ajustabil ) sau daca echipamentul nu are aceasta functie, se poate instala un convertor ( sursa ajustabila ) DC-DC si se masoara tensiunea de iesire cu multimetrul.

APLICATII TEORETICE IN MEDICINA

Senzorii medicali sensibili au potențialul de a juca un rol esențial în reducerea costurilor de îngrijire a sănătății: ele încurajează viața sănătosă prin furnizarea de feedback individual asupra semnelor vitale personale și permite implementarea facilă atât a monitorizării sănătății în spital, cât și a celei profesionale.

În consecință, implementarea pe scară largă a acestor senzori poate reduce șederea prelungită a spitalelor și reducerea costurilor preventive. Rapoartele recente arată senzori amovibili capabili de măsurare a presiunii, biopotențială și bioimpedanță, rata pulsului și temperatura în timp real. Acești senzori sunt dezvoltați în factori de uzură și flexibili, folosind organic, anorganic și materiale hibride organice-anorganice.

Pulsoximetrele convenționale măsoară neinvaziv rata pulsului uman și saturația oxigenului din sângele arterial cu un senzor optoelectronic compus din două diode anodice de lumină (LED) cu lungimi de undă de emisie de vârf diferite și o singură fotodiodă anorganică. LED-urile sunt plasate pe o parte a degetului și lumina transmisă prin țesut este ulterior sesizată de fotodiodă care este plasată pe partea opusă a degetului.

Fig. 30 – Puls oximetrie cu un senzor organic optoelectronic

Eșantionarea secvențială a luminii transmise furnizează informații despre raportul dintre hemoglobina oxigenată și deoxigenată din sânge. Acest raport și o curbă de calibrare sunt utilizate pentru a calcula saturația oxigenului din sângele arterial. În prezent, aplicarea de pulsoximetre disponibile în comerț este limitată de costul în vrac, de rigiditate și de costul scalării la scară largă a optoelectronicii convenționale pe bază de anorganici.

Aici prezentăm un senzor de puls oximetru compus din LED-uri organice (OLEDs) și o fotodiodă flexibilă din polimeri organici (OPD) . Demonstrăm cu succes faptul că senzorul organic optoelectronic oferă o capacitate de măsură precisă și anticipăm că aplicarea noastră de optoelectronică organică cu proces de soluție în puls oximetrie va permite dispozitive medicale ieftine și purtătoare de unică folosință. [11]

CAZURI DE APLICATII PRACTICE IN MEDICINA

Primul caz ar fi al domnului doctor Alin Popescu de la Federatia Romana de Rugby care are o nemultumire cu timpul de incarcare al aparatelor atunci cand esti pe teren la meciuri sau antrenamente si trebuie sa tratezi contra timp sportivii. Nu intodeauna dispui de prize langa stadioane sau de prelungitoare lungi si aproape intodeauna este incomod. De asemeni, autonomia acumulatorilor aparatelor de tratament este limitata.

Aparatul pe care il detine domnul doctor este un BTL-4620 Profesional ( Fig. 31 ). Este un echipament de electroterapie cu doua canale care dispune de curenti de joasa si medie frecventa. Puterea electrica mentionata in fisa tehnica este de 70 Watti, insa poate creste daca aparatului i se face upgrade de placi generatoare de terapii. Alimentatorul cu care este prevazut sa se incarce de la priza de 230 V are tensiunea de 24 Volti cu un curent de incarcare de 2 Amperi pe ora. Acumulatorul intern cu care este prevazut echipamentul medical este unul de 12 V 1.4 Ah.

Curentul absorbit de aparat depinde si de terapia folosita. Spre exemplu la un curent galvanic, diadinamic sau Trabert, curentul care este folosit este de aproximativ 3 Amperi pe ora. Tratamentele cu impulsuri de stimulare, impulsuri rectangulare, TENS simetric, asimetric si alternant, interferenta de doi poli sau interferenta de patru poli consuma mai mult, aproximativ 4 Ah .

Functionalitatea aparatului este complexa. Pe fiecare pacient se ataseaza 2 sau 4 electrozi ( in functie de terapia dorita ) si se alege terapia in functia de diagnosticul eliberat de doctorul de specialitate. Aparatul dispune de un display touchscreen, placa CPU, placa Encoder ( cu un potentiometru pe centru pentru a mari sau a micsora intensitatea curentului eliberat ) si 2 placi generatoare ( Fig. 32 ) de terapii electroterapie. PCB-ul este alimentat de o tensiune de 17 volti DC.

Manipularea aparatului este simpla insa necesita un minim de training ca sa nu existe riscul de accidentari. Echipamentul dispune de o enciclopedie disponibila in limba romana cu poze in care iti arata cum trebuie manipulati si aplicati electrozii.

Electrozii sunt fabricati din cauciuc siliconic conductiv de energie electrica cu insertii de granit. Acestia sunt introdusi in bureti uzi care permit mai bine conducerea de curent. In functie de terapie si pacient, se poate mari intensitatea pana la maxim 140 mA.

Fig. 31 – Echipament medical BTL-4620 Profi

Fig. 32 – PCB generator dual electroterapie

La un experiment in care sa construiesti un panou cu puterea de 40 W cu un curent de incarcare maxim de 2.2 A, ar fi suficient. In plus dimensiunile acestuia de 54 X 53 X 2.5 si greutatea de maxim 3 kg il face portabil si usor de manevrat ( Fig. 33 ).

Fig. 33 – Panou fotovoltaic 40 W cu fisa tehnica

Usurinta cu care este aparatul conectat la panou face ca oricine sa-l foloseasca. In conditii prielnice de soare, panoul poate incarca continuu, facilitand autonomie indelungata a acumulatorului. Rezultatul este uimitor si de real folos.

Al doilea caz ar fi alimentarea unui EKG portabil BTL-08 EKG MT+. Genul acesta de aparate sunt folosite de la cadrele medicale de interventie rapida ( ambulanta ), sectii de cardiologie sau medicina muncii ( Fig. 34 ).

Fig. 34 EKG + modul Spirometrie

Puterea unui aparat EKG este de aproximativ 40 Watti. Are incorporat un acumulator 12 V / 1.4 Ah, dimensiunile fiind de 5 X 10 X 5 cm. Are un alimentator de 24 Volti 2 Amperi cu o durata de incarcare de maxim 3 ore. In functie de timpul si operatiunile folosite, aparatul are o autonomie de maxim 2 ore.

Folosirea EKG-ului se face doar de cadrele specializate. Acesta dispunde de electrozi toracici si de membre. Acestia sunt dispusi pe corpul pacientului respectand Fig. 35. Inima produce semnale electrice, care acestea sunt preluate de catre electrozi, transmise prin cablul de repaus al aparatului catre aparat. De aici o placa analogica ( semnalul este analogic ) interpreteaza semnalul fiind analizat de catre softul aparatului ( firmware ) si vizualizat pe display de catre operator.

Fig. 35 Amplasarea electrozilor pe pacient

Diagnosticul trebuie sa fie cat mai corect de aceea este important ca aparatul sa functioneze fara intreruperi si fara sa fie parazitat poate de o frecventa neadecvata de la priza sau se inchida datorita descarcarii acumulatorului.

Semnalele ( Fig. 36 ) pot fi interpretate in tandem si de softul EKG-ului.

Fig. 36 Semnalul vazut pe display de catre operator

Diagnosticul poate fi printat pe hartia aparatului sau poate fi legat la programul Cardio Point.

Al treilea caz ar fi alimentarea unui aparat BTL-08 ABPM. Echipamentul este special pentru monitorizarea tensiunii arteriale in ambulator ( Fig. 37 ).

Fig. 37 Holter TA de masurare a tensiunii arteriale

BTL-08 este aparat pentru monitorizarea tensiunii arteriale in ambulator. Acesta e un dispozitiv profesional pentru utilizare in clinica si in ambulator, in acord cu standardele internationale cu privire la aparatura medicala. Dispozitivul utilizeaza metoda oscilometrica de determinare a tensiunii arteriale. Poate fi folosit si pentru determinari efectuate la domiciliu de catre pacienti, oferind un nivel inalt de calitate a masuratorilor.

Aparatul BTL-08 ABPM este controlat de catre softul Cardio Point. Protocolul de masurare si valorile tensiunii arteriale sunt incarcate prin intermediul in computerul medicului.

Masuratorile automate pot fi setate pentru pana la 48 de ore, cu frecvente care variaza de la 10 la 90 de minute. Frecventa de masurare poate fi setata separat pentru zi (“active”) si pentru noapte (“pasive”), precum si pentru o a treia perioada (“special”). Valorile pot fi definite separat pentru perioadele active si pasive. Datele masurate, si anume valoarea tensiunea sistolica si diastolica, valoarea pulsului, data si ora efectuarii masuratorii vor fi stocate in memoria EEPROM a aparatului.

In afara de masuratorile programate, pacientul poate porni o masuratoare manuala (de exemplu, daca constata unele simptome sau nu se simte bine). Aceasta poate fi efectuata printr-o simpla apasare a butonului de operare. Toate masuratorile efectuate manual sunt stocate si afisate intr-un raport din cadrul softului.

Aparatul BTL-08 ABPM poate fi utilizat fara programul de soft in cazul monitorizarii TA in mod conventional, manual, la domiciliu. Acuratetea inalta a masuratorilor si stocarea datelor masurate ofera o flexibilitate deosebita. Capacitatea de stocare a dispozitivului este de 600 de masuratori.

Acesta functioneaza cu ajutorul a 2 acumulatoare de 1.4 V de Ni-Cd sau Ni-Mh tip AA minim 1500 mAh sau baterii alcaline tip AA. Incarcarea acumulatorilor se poate face printr-ul incarcator de la priza de 230V sau cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Daca folosim tehnica incarcarii cu energie verde, dupa regulatorul de tensiune va trebui adaptat un adaptorul DC-DC cu voltmetru digital pentru reglarea tensiunii de incarcare de 3 – 3.8 Volti ( Fig. 38 ).

Fig. 38 – Sursa adaptabila DC-DC cu multimetru digital

Instalarea Holterului pe pacient se face doar de catre personalul medical autorizat si cu training ( Fig. 39 ). Manseta se pune de obicei pe mana stanga si dupa se programeaza aparatul in programul Cardio Point. Este foarte important ca acumulatorii sa fie incarcati la maxim si cu verificati fiindca acestia trebuie sa reziste minim 24 ore de masuratori.

Fig. 39 – Pacient cu Holter de tensiune montat

Aparatele prezentate mai sus, pot fi alimentate direct de la reteaua de electricitate de 230 volti curent alternativ sau pot fi alimentate sau incarcati acumulatorii cu energie regenerabila. [12]

BIBLIOGRAFIE

[1] Victor Emil Lucian ENERGIA SOLARĂ. Ghid de captare si conversie a energiei solare pentru utilizare

[2] http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/STOCAREA-ENERGIEI-ELECTRICE2341416138.php

[3] https://www.pv-magazine.com/2017/03/08/romanias-pv-capacity-grew-by-70-mw-in-2016/

[4] Deutsche Gesellschaft Für Sonnenenergie -Planning and Installing Photovoltaic Systems: A guide for installers, architects and engineers

[5] https://solarpowerrocks.com/solar-basics/how-much-electricity-does-a-solar-panel-produce/

[6] https://toppanourisolare.ro/panouri-solare/tipuri-de-panouri-solare.html

[7] Deutsche Gesellschaft Für Sonnenenergie -Planning and Installing Photovoltaic Systems: A guide for installers, architects and engineers

[8] https://www.omicsonline.org/open-access/life-cycle-cost-assessment-and-enviroeconomic-analysis-of-thin-film-amorphous-silicon-photovoltaic-system-2090-4541.1000140.php?aid=31515

[9] https://eu.mouser.com/applications/energy-harvesting-new-applications/

[10] https://www.digikey.ro/en/articles/techzone/2012/jul/storage-battery-solutions-for-energy-harvesting-applications

[11] (https://www.nature.com/articles/ncomms6745 )

[12] Fise tehnice BTL Industries