CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel [618495]

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
1

CAPITOLUL I

Considerații generale privind funcționarea
lentilelor Fresnel

[1, 2, 3 ]

1.1. Noțiuni introductive

Putera radiației solare pe suprafața pământului nu depașește frecvent valoare de 1000 W/m2,
astfel cu ajutorul unor colectoare plane se po t obține valori ale temperaturi de aproximativ 100 ⁰C,
însă prin concentrarea radiației solare se pot obține temperaturi de sute sau chiar mii de grade.
Încă din secolul XVIII există ideea de a crea o lentilă pentru a amplifica lumina. Comte de
Buffon a pr opus șlefuirea unei lentile dintr -o singură bucată de sticlă în timp ce Marquis de
Condorcet (1743 -1794) a propus asamblarea într -un cadru a mai multor secțiuni separate.
Fizicianul și inginerul francez Augustin -Jean Fresnel (1788 -1827) a dezvoltat mai mul t ideea
de far, iar în 1823 farul din Cordouan putea fi văzut de la o distanță de 32 de kilometri. Lentilele
Fresnel sunt cel mai adesea utilizate în aplicațiile de colectare a luminii, cum ar fi sistemele de
condensare sau setările emițătorului / detector ului. Ele pot fi de asemenea folosite ca lupe sau
lentile de proiecție în sisteme de iluminare și formulare a imaginii.
Lentila Fresnel este împărțită într -un set de secțiuni inelare concentrice, cu discontinuități
treptate între ele și cu unghiuri diferit e; iar cantitatea de material necesară este comparativ mai
mică decât la o lentilă convențională. O astfel de lentilă poate fi privită ca o serie de prisme dispuse
într-un mod circular, cu prisme mai abrupte pe margini și un centru plat sau ușor convex.

Fig. 1.1. Profilul unui obiectiv Fresnel

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
2 Obiectivele ieftine Fresnel au fost facute p rin presarea sticlei fierbinti î n forme de metal;
datorită tensiunii superficiale a sticlei, lentilele Fresnel fabricate în acest mod nu aveau detaliile
necesare și er au într-adevăr slabe. În ultimii ani, apariția tehnicilor de fabricare din plastic optic,
de compresie și de turnare prin injecție, și prelucrările controlate de calculator au făcut posibilă
fabricarea și aplicarea pe scară largă a obiectivelor Fresnel de o calitate optică superioară, în
comparație cu lentilele din sticlă Fresnel din sticlă.

1.2. Teoria le ntilelor F resnel

Principiul conducerii în spatele concepției unui obiectiv Fresnel este că direcția de propagare
a luminii nu se schimbă într -un mediu ( dacă nu este împrăștiat). În schimb, razele de lumină sunt
deviate doar la suprafețele unui mediu. Ca rezultat, cea mai mare parte a materialului din centrul
lentilei servește doar la creșterea cantității de greutate și a absorbției în interiorul sistemulu i.
Pentru a profita de această proprietate fizică, fizicienii din secolul al XVIII -lea au început să
experimenteze crearea a ceea ce este cunoscut astăzi ca o lentilă Fresnel. În acel moment,
canelurile au fost tăiate într -o bucată de sticlă pentru a crea inele circulare cu un profil curbat.
Acest profil curbat, atunci când a fost extrudat, a format o lentilă convențională, curbată – fie
sferică, fie asferică ( Figura 1.2.); Datorită acestei proprietăți optice similare, comparativ cu o
lentilă optică convenț ională, un obiectiv Fresnel poate oferi performanțe de focalizare ușor mai
bune, în funcție de aplicație. În plus, densitatea mare a canelurilor permite imagini de calitate
superioară, în timp ce densitatea scăzută a canelurilor asigură o eficiență mai bun ă (după cum este
necesar în aplicațiile de colectare a luminii). Cu toate acestea, este important de reținut că, atunci
când este necesară o imagine de mare precizie, lentilele optice simple, dublate sau asferice optice
sunt încă cele mai bune.

Fig. 1.2 . Profilul unui obiectiv Fresnel

1.3. Oglinzi Fresnel

Oglinzile Fresnel sunt formate dintr -un ansamblu de oglinzi plane orientate astfel încât să
poată concentra radiația solară într -un punct sau după o linie focală. Există mai multe tipuri:
o Focar fix și punctual; sistemul de concentrare este alcătuit dintr -un câmp de
oglinzi plane, orientabile după două coordonate unghiulare (câmp de heliostate);

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
3 o Focar punctual și solidar cu sistemul de oglinzi , alcătuite din fâșii circulare
înclinate, astfel încât să se reflecte radiația solară în focar;
o Focar fix și liniar: elementele de oglindă sunt alcătuite din fâșii orientabile după o
singură direcție, respectiv unghiul de azimut sau cel de înălțare ( α) fig. 1.3.

Fig. 1.3. Elemente geometrice ale unei oglinzi Fre snel liniare

Pentru acest ultim caz vom prezenta modelul geometric fol osind notațiile din figura 1.3.
Vom avea astfel:
𝛽𝑖=𝛼−𝜔𝑖; 𝛽𝑖=𝛾+𝜔𝑖; 𝛾𝑖=𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑔𝑦0
𝑥1
Rezolvând acest sistem, se obține:
𝛽𝑖=𝛼+𝛾𝑖
2=𝛼+𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑔𝑦0
𝑥1
2
Se pune condiția ca, oglinzile să nu se umbrească între ele și astfel obținem:
𝛾𝑖+1=𝛾𝑖−𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑔ℎ 𝑠𝑖𝑛 𝛾𝑖
2𝑦0
unde h este lațimea elementului de oglindă, iar
𝑥𝑖+1=𝑦0
𝑡𝑔 𝛾𝑖+1

Dato rită variației direcției radiației solare, suprafața efectivă a unui element de oglindă va fi:
𝑆𝑖=ℎ𝑙 𝑐𝑜𝑠 𝛼−𝛾𝑖
2
unde l reprezintă lungimea oglinzii.
În cazul în care reflectorul este format din 2n oglinzi dispuse simetric față de centrul O,
suprafața totală de colectare va fi:
𝑆𝑐𝑜𝑙=2ℎ𝑙 ∑𝑐𝑜𝑠𝛼−𝛾𝑖
2𝑛
𝑖=1

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
4 Ținând cont că între elementele de oglindă există spații goale, utilizând suprafața totală 𝑆0
ocupată de un reflector suprafața de colectare poate fi scrisă sub f orma:
𝑆𝑐𝑜𝑙=𝑐𝑐0𝑐𝑠𝑆0
unde cc0 reprezintă coeficientul de utilizare a spațiului alocat ,
𝑐𝑐0=𝑛ℎ
2(𝑥𝑛+ℎ
2)
Valoarea lui 𝑐𝑠 este dată în tabelul 1.1., calculul acestuia fiind relativ dificil, trebuie luat în
consideraț ie atât în funcție de 𝛾𝑖 cât și de 𝛼.
Tabelul 1.1.
𝛾𝑚𝑎𝑥 15 30 45 60 75
𝑐𝑠 0,860 0,886 0,908 0,926 0,938

Lățimea maximă a petei focale este:
(𝐴𝐵)𝑚𝑎𝑥 =ℎ[𝑠𝑖𝑛𝛼∗+𝛾𝑛
2+1
𝑡𝑔 𝛾𝑛 𝑐𝑜𝑠𝛼+𝛾𝑛
2],
unde:
𝛼∗=2 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 𝑡𝑔 𝛾𝑛
2+𝛾𝑛
Factorul de concen trare va fi în aceste condiții:
𝐶=𝑆𝑐𝑜𝑙
𝑆𝑟𝑒𝑐=𝑐𝑐0𝑐𝑠𝑆0
(𝐴−𝐵)𝑚𝑎𝑥𝑙
1.4. Reflectori în V

Acest tip de reflectori permit obținerea unui factor de concentrare mic (C=2 -20). Sunt formați
din doi pereți reflectori, înclinați în V față de suprafața receptoare. Deoarece acest tip de reflectori
nu au focar, vor prezenta unghiuri de acceptanța relativ mari (𝛾𝑛=2-30℃).
Axa acestui tip de concentratori prezintă o ori entare est -vest. Reflector în V, cu suprafețe
reflectătoare plane se gasesc în figura 1.4.

Fig. 1.4. Reflector în V

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
5 ℎ
𝑙=𝑐𝑜𝑠 (2𝛼+𝛾𝑎) 𝑐𝑜𝑠 𝛼
𝑠𝑖𝑛 (𝛼+𝛾𝑎)
𝑎
𝐷=2𝑐𝑜𝑠 (2𝛼+𝛾𝑎)
𝑐𝑜𝑠 (3𝛼+𝛾𝑎)

unde 𝛼 reprezintă ungh iul de înclinare al peretelui.
Factorul de concentrare este dat de expresia:
𝐶=𝐷
𝑙=sin (3𝛼+𝛾𝑎)
sin (3𝛼+𝛾𝑎)
O metodă atractivă de concentrare a radiației solare este reprezentată de lentilele Fresnel,
aceasta fiind alcătuită dintr -un număr relativ mare de zone, având una din fețe înclinată cu unghiul
𝛾 față de axa ( Δ). Datorită înclinării fațetelor, o parte din radiații este împiedicată să ajungă în
focar datorită apariției reflexiei interne totale.
Unghiul solid sub care se vede ogl inda din focar este dat de relația:
Ω=4𝜋𝜃𝑚𝑎𝑥
unde 𝜃𝑚𝑎𝑥 este deschiderea unghiulară.
Utilizând notațiile de mai sus, se poate calcula lățimea porțiunii blocate din cadrul unei zone:
𝐴𝐶=𝑒cos𝛾sin(𝛾+𝛽)
cos𝛽
Unde 𝛽 reprezintă unghiul de refracție (sin 𝛽=n sin 𝛾, n fiind indicele de refracție)

Fig. 1.5 . Element ele geometrice ale unei lentile Fresnel

Relațiile dintre principalele unghiuri ale sistemului optic sunt:
sin𝜉=𝑛
sin(𝛾−𝛽)

𝜁=𝑎𝑟𝑐 𝑡𝑔 𝑑𝑖+1+𝑑𝑖
2𝑓
În acest fel, se pot calcula contribuțiile unei anumite zone pentru o lentilă Fresnel liniară,
respectiv pentru una circulară:
o Pentru lentile liniare
Γ𝑙=1−𝑒cos𝛾sin(𝛾+𝛽)
cos𝛽 (𝑑𝑖+1−𝑑𝑖)

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
6 o Pentru lentile circulare
Γ𝑐=1−𝐴𝐶 (2𝑑𝑖−𝐴𝐶)
𝑑𝑖+12−𝑑𝑖2

Factorul de concentrare, pentru cele două situații va fi:
o Pentru lentile liniare
𝐶𝑙=𝐷
𝑙 1
𝑚∑Γ𝑙𝑖𝑚
𝑖=1
unde m reprezintă numărul total de zone, D este lățimea totală a lentilei, iar l – lățimea receptorului;
o Pentru lentile circulare
𝐶𝑐=𝐷2
𝑙2 1
𝑚∑Γ𝑐𝑖𝑚
𝑖=1

1.5. Fabricarea lentilor Fresnel

Primele lentile Fresnel au fost realizate prin șlefuirea și lustruirea manuală a sticlei. În cele
din urmă, sticla topită a fost turnată în matrițe, dar numai în dezvoltarea tehnologiilor plastice de
înaltă calitate și a tehnologiei de turnare prin injecție în secolul al XX -lea, utilizarea lentilelor
Fresnel în multe aplicații industriale și comerciale a devenit practică.
Lentilele Fresnel pot fi fabricate dintr -o varietate de substraturi. Acestea sunt fabricate din
acril la policarbonat până la vinil, în funcție de lungimea de undă dorită de funcționare. Acrilicul
este cel mai obișnuit substrat datorită emisiei sale în regiunile viz ibile și ultraviolete (UV), însă
policarbonatul este substratul ales în medii dure datorită rezistenței sale la impact și temperaturii
înalte.
În timp ce fizicianul francez Fresnel, nu a fost primul care a conceptualizat un obiectiv Fresnel,
a reușit să -l popularizeze prin integrarea în faruri.
De atunci, lentilele Fresnel au fost utilizate într -o varietate de aplicații, de la colimație ușoară
și colectare de lumină la mărire, a șa cum sunt enumerate mai jos:

o Lumina de concentrare
O len tilă Fresnel poate col ima cu ușurință o sursă punctuală prin plasarea acesteia cu o distanță
focală de la sursă. Într -un sistem conjugat finit, partea canelată a lentilei Fresnel trebuie să se
confrunte cu c onjugatul mai lung ( Figurile 1.6.,1.7. ), deoarece acea sta produce cea mai bună
performanță.

Figura 1.6. : Concentrarea luminii unei surse de punct cu un obiectiv Fresnel

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
7 o Colecția de lumini
Una dintre cele mai comune aplicații pentru un obiectiv Fresnel este colecția de lumină solară,
care este considerată ap roape aproape paralelă (un sistem infinit -conjugat). Folosirea unui obiectiv
Fresnel pentru colectarea luminii este ideală pentru concentrarea luminii pe o celulă fotovoltaică
sau pentru încălzirea unei suprafețe. De exemplu, un obiectiv Fresnel poate fi folosit pentru o
întreținere populară la domiciliu, cum ar fi încălzirea unei case sau a unei piscine . În aceste cazuri,
suprafața globală a lentilelor determină cantitatea de lumină colectată.
Figura 4: C oncentrarea luminii unei surse de punct cu un obi ectiv Fresnel – Mărire

O altă aplicație comună pentru un obiectiv Fresnel este mărirea. Poate fi folosit ca o lentilă
sau o lentilă de proiecție; totuși, datorită nivelului ridicat de denaturare, acest lucru nu este
recomandat. De asemenea, calitatea imagin ii nu se compară cu cea a unui sistem de precizie mai
mare, având în vedere cantitatea de denaturare.
În timp ce acestea se găsesc în mod obișnuit în aplicațiile solare, lentilele Fresnel sunt ideale
pentru orice aplicație care necesită elemente ieftine, s ubțiri, lentile pozitive ușoare. Lentilele
Fresnel nu reprezintă o tehnologie nouă, însă permeabilitatea acestora a crescut odată cu
îmbunătățirea tehnicilor de fabricație și a materialelor. Lentilele Fresnel sunt lentile optice cu
adevărat unice care le f ac o unealtă excelentă pentru o serie de modele optice interesante și
distractive.

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
8
CAPITOLUL I I

Sisteme fotovoltaice cu concentrarea
radiației solare

[1, 2, 3 ]

2.1. Considerații generale privind concentrarea radiației solare

Radiația so lară este radiația electromagnetică emisă de Soare având lungimi de undă din
întregul spect ru al undelor electromagnetice. Trecând prin atmosfera Pământului, o parte a radiației
solare este absorbită, încălzind aerul, o altă parte este împrăștiată de molec ulele aerului, vaporii de
apă, pulberile din atmosferă (constituind radiația solară difuză), dar cea mai mare parte ajunge pe
suprafața Pamântului (consti tuind radiația solară directă).
Intensitatea radiației solare este cantitatea de radiație solară, ce c ade pe o anumită suprafață
terestră în decursul unei perioade de timp și se determină cu ajutorul pirhe liometrelor și a
radiometrelor. Spectrul și intensitatea radiației solare difuze depind de natura particulelor întâlnite.
Când atmosfera este curată sunt împrăștiate în special radiațiile cu lungimi de undă mici, cee a ce
explică albastrul cerului.
Intensitatea radiației solare directe depinde de starea atmosferei și de poziția pe glob, având
variații zilnice și anuale în funcție de mișcarea globului terestr u, aceasta fiind cauza modificărilor
de temperatură de la zi la noapte și de la un anotimp la altul.

Evaluarea și cartografierea potențialului solar la nivel global, regional și național a fost subiect
de interes academic și comercial semnificativ. Una d intre primele încercări de a realiza o mapare

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
9 cuprinzătoare a potențialului solar pentru țările individuale a fost proiectul SWERA, finanțat de
Programul Națiunilor Unite pentru Mediu și realizat de Laboratorul Național de Energii
Regenerabile din SUA. Alt e exemple includ maparea globală de către Administrația Națională
Aeronautică și Spațială și alte institute similare, multe dintre acestea fiind disponibile pe Atlasul
Global pentru Energii Regenerabile furnizat de Agenția Internațională pentru Energii Reg enerabile.
Un număr de firme comerciale oferă acum energie solară dezvoltatorilor de energie solară, printre
care 3E, Clean Power Research, Solargis, Vaisala (fostul 3Tier) și Vortex, iar aceste companii au
oferit deseori hărți pentru potențialul solar. În ianua rie 2017, Global Solar Atlas a fost lansat de
Banca Mondială, utilizând date furnizate de Solargis, furnizând o singură sursă de date solare, hărți
și straturi GIS de înaltă calitate care acoperă toate țările .
În cadrul atmosferei, in apropierea supr afetei pamantului, caracteristicile temporale si spatiale
ale valorilor radiatiilor sunt influentate de caracteristicile suprafetei. Factorii cei mai importanti
care afecteaza radiatia receptionata intr -o locatie anume sunt:
 Locul in care se afla pe glob
 Data si ora
 Precipitatiile (norii, ceata, ploaia, zapada)
 Limitarea orizontului (campul vizual)
 Poluarea aerului (aerosoli si gaze)
România se află în zona europeana B de însorire, ceea ce ofera locuitorilor avantaje reale
pentru a economisi energie termică, respectiv bani, dacă utilizează energia solară. În funcție de
zona geografică, România este împărțită în trei zone principale îns orite:
 Zona roșie (mai mult de 1650 kWh/mp/an) aici sunt incluse zona de sud, Oltenia, Muntenia,
Dobrogea și sudul Moldovei
 Zona galbenă (între 1300 -1450 kWh/mp/an) facând parte regiunile carpatice si
subcarpatice ale Munteniei, Transilvania, Banatul si re stul Moldovei
 Zona albastră (între 1150 -1300 kWh/mp/an) care cuprinde regiunile de munte

Fig. 1.2. http://www.panourisolareconstanta.ro/harta -radiatia -solara -in-romania
România se află într -o zonă geografica in care acoperirea solară este bună, fiind 210 zile
însorite pe an, iar fluxul de energie este intre 1000 kWh/m2/an și 1300 kWh/m2/an, din care pot
fi captate între 600 și 800 kWh/m2/an.

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
10 Energia solara potențială di n România este unul important și în unele zone fluxul energetic solar
anual, ajunge până la 1450 -1600 kWh/m2/an, în Dobrogea și litoralul Marii Negre, la fel ca în
zonele sudice.

2.2. Măsurarea radiației solare

Din cauza influentelor fizice prezentate ma i sus, in cazul aplicatiilor din diverse domenii
uneori nu este suficient masurarea doar a ‘Radiatiei Globale’, care provine din imprejurimile
locatiei in care se efectueaza masurarea. S -ar putea sa fie nevoie si de masurarea ‘Radiatiei Directe’,
care prov ine numai de la soare, si/sau a ‘Radiatiei Difuze’ (care nu provine direct de la soare). S –
ar putea sa fie nevoie si de ‘Bilantul Radiativ’ al radiatiilor descendente si al celor ascendente in
domeniul undelor scurte si al celor lungi.
Inainte de ajunge la suprafata pamantului, radiatia solara este influentata de atmosfera noastra
si de caracteristicile sale fizice. Un parametru esential este absorbtia in diverse lungimi de unda.
Albedoul reprezintă mărimea care indică fracțiunea din energia luminoasă incid entă radiată în mod
difuz de un corp. Albedo, în definiția sa curentă numit albedoul lui Bond, este o valoare cuprinsă
între 0 și 1: un corp negru perfect, care ar absorbi toate lungimile de undă fără să reflecte niciuna,
ar avea un albedo nul, în timp ce o oglindă perfectă, care ar reflecta toate lungimile de undă, fără
să absoarbă niciuna, ar avea albedoul egal cu 1. Alte definiții, dintre care cea a albedoului
geometric, ar putea da valori superioare lui 1. Albedoul este afectat de caracteristica de refl exie a
suprafetei, aceasta fiind diferita in functie de suprafata, de exemplu, apa, gheata, piatra, iarba,
culturi sau suprafete impadurite.
Trebuie tinut cont de domeniile de lungimi de unda diferite, precum si de proprietatile
atmosferei si de suprafata pamantului, si prin urmare trebuie proiectati senzori speciali, care sa fie
potriviti pentru masurari individuale, foarte complexe.
Pentru a putea oferi senzorul corespunzator, trebuie stabilit in prealabil care valoare
meteorologica va fi masurata si cum este aceasta definita.
Parametrii din cadrul domeniului sprectral de unde scurte sunt:

Radiatia solara directa E
Radiatia difuza de la cer Ed↓
Radiatia globala Eg↓ = Ecosθ + Ed↓
Radiatia globala reflectata Er↑
Bilantul radiativ al undelor
scurte E*g = Eg↓ – Er↑

In functie de scopul avut si de precizia ceruta, s -ar putea sa fie nevoie de combinarea
acestor masurari, de exemplu, pentru realizarea unor prognoze meteorologice, pentru aplicatii
climatologice sau energetice e tc.
Pentru a masura pe componente radiatia globala incidenta in domeniul undelor scurte se
utilizeaza un pirheliometru si doua piranometre instalate pe un dispozitiv de urmarire a
traiectoriei solare.

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
11
Pirheliometrul instalat lateral masoara radiatia dir ecta cu incidenta normala. Un
piranometru neumbrit masoara radiatia globala in plan orizontal, iar un al doilea piranometru,
cu senzorul umbrit fata de razele solare di recte, masoara radiatia difuza.
Relatia intre cele trei componente masurate in acest fel este: Eg↓ = Ecosθ + Ed↓
Un alt domeniu de aplicatie pentru senzorii solari este simularea de mediu. In cadrul acestui
domeniu se testeaza efectul radiatiior asupra materialelor in conditii de 'lumina solara
artificiala'. Pentru reducerea timpului de testa re, se folosesc surse artificiale care furnizeaza
radiatii de intesitati foarte mari, care depasesc cu mult valoarea naturala maxima de 1.367
W/m² (constanta solara). Piranometrul termorezistent folosit in acest scop trebuie sa aiba un
domeniu de masurare care permite niveluri de raditii cuprinse intre 2.000 si 4.000 W/m², si
deseori el trebuie sa fie capabil sa functioneze l a temperaturi inalte (> 100șC).

Pentru masurarea radiatiei solare in domenii spectrale speciale, se pot utiliza radiometrele –
UV (in domeniul undelor ultraviolete) sau senzorul PAR pentru horticultura, adica senzori
care masoara numai radiatia fotosintetica.

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
12 2.3. Randament ul celulelor fotovoltaice

Eficienta de conversie a celulelor fotovoltaice reprezinta debitul de energie elec trica al
acestora in raport cu energia absorbita din radiatia solara incidenta. Altfel spus, eficienta unei
celule reprezinta, in termeni simplisti, proportia de energie solara din totalul absorbit de catre o
celula, ce a fost convertita in energie electri ca. Aceasta 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 (3.2) 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. S TC – 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 Soare le are un unghi de elevatie de 41.81° iar celula este orientata spre acesta,
sub un unghi de 37°. In aceste 12 conditii, o celula cu suprafata de 100cm2 si eficienta de conversie
cotata la 20% va avea o putere electrica de 2W.
Eficiența celulelor solare se referă la partea de energie sub formă de lumină solară care poate
fi transformată prin fotovoltaică în electr icitate de către celula solară.

Cronologia raportată a eficienței de conversie a energiei celulare în celulele solare din 1976 (Laboratorul Nați onal de
Energii Regenerabile)

Eficiența celulelor solare utilizate într -un sistem fotovoltaic, în combinație cu latitudinea și
clima, determină puterea anuală de energie a sistemului. De exemplu, un panou solar cu o eficiență
de 20% și o suprafață de 1 m2 va produce 200 W la condițiile standard de testare, dar poate produce
mai mult atunci când soarele este ridicat pe cer și va produce mai puțin în condiții de noros sau
când soarele scăzut pe cer. În centrul Colorado, care primește o încălzire anuală de 5, 5 kWh / m2
/ zi (230W / m2) [1], se poate aștepta ca un astfel de panou să producă 400 kWh de energie pe an.
Totuși, în Michigan, care primește doar 3,8 kWh / m2 / zi, [1] randamentul energetic anual va
scădea la 280 kWh pentru același panou. La mai multe latitudini europene la nord, randamentele
sunt semnificativ mai mici: randament energetic anual d e 175 kWh în sudul Angliei.

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
13 Schema de colectare a sarcinilor de către celulele solare. Lumina transmite prin electrod
conductiv transparent, creând perechi de gauri electronice, care sunt colectate de către ambii
electrozi. Eficiențele de absorbție și de colectare ale unei celule solare depind de designul
conductorilor transparenți și de grosimea stratului activ.
Mai mulți factori afectează valoarea eficienței d e conversie a celulei, incluzând eficiența
acesteia, eficiența termodinamică, eficiența separării purtătorilor de sarcină, eficiența colectării
încărcăturii încărcătoare și valorile eficienței conducției . Deoarece acești parametri pot fi dificil de
măsurat direct, în locul lor sunt măsurați alți parametri, inclusiv eficiența cuantică, raportul de
tensiune deschisă (VOC) și factorul de umplere (descris mai jos). Pierderile de reflexie sunt
contabilizate de valoarea randamentului cuantic, deoarece ele afectea ză "randamentul cuantic
extern". Pierderile de recombinare sunt reprezentate de randamentul cuantic, coeficientul VOC și
valorile factorului de umplere. Rezistențele pierdute sunt predominant contabilizate de valoarea
factorului de umplere, dar contribuie, de asemenea, la creșterea randamentului cuantic și a valorilor
raportului VOC.
Începând cu luna decembrie 2014, înregistrarea mondială a eficienței celulelor solare la 46,0%
a fost realizată prin utilizarea celulelor solare cu concentrări multi -joncțiune, dezvoltate din
eforturile de colaborare ale Soitec, CEA -Leti, Franța, împreună cu Fraunhofer ISE, Germania.
Acesta este deasupra ratingului standard de 37,0% pentru celule fotovoltaice policristaline sau cu
celule solare subți ri.
O celulă solară este alcă tuită 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
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 g enerat
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.

https://electrifix.ro/resurse -si-informatii -electrice/cum -functioneaza -celulele -fotovoltaice/

În funcție de starea cristalină se de osebesc următoarele tipuri de siliciu:
Monocristaline Celulele rezultă din așa numitele Wafer (plăci de siliciu dintr -un cristal).
Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de semiconductori și sunt destul de
scumpe.
Policristaline Celule le sunt din plăci care conțin zone cu cristale cu orientări diferite. Acestea
pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine și ca atare cele mai răspândite
în producția de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc și celule solare policristaline.
Amorfe Celulele solare constau dintr -un strat subțire de siliciu amorf (fără cristalizare) și din
această cauză se numesc celule cu strat subțire. Se pot produce de exemplu prin procedeul de
condensare de vapori de siliciu și sunt fo arte ieftine, dar au un randament scăzut în spectru de
lumină solară, totuși au avantaje la lumină slabă. De aceea se utilizează în calculatoare de buzunar
și ceasuri.

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
14 Microcristaline Acestea sunt celule cu strat subțire cu structură microcristalină. Au un
randament mai bun decât celulele amorfe și nu au un strat atât de gros ca cele policristaline. Se
utilizează parțial la fabricarea de panouri fotovoltaice, dar nu sunt atât de răspândite.
Celule solare tandem sunt straturi de celule solare suprapuse, deob icei o combinație de straturi
policristaline și amorfe. Straturile sunt din materiale diferite și astfel acordate pe domenii diferite
de lungimi de undă a luminii. Prin utilizarea unui spectru mai larg din lumina solară, aceste celule
au un randament mai m are decât celulele solare simple. Se utilizează parțial la fabricarea de
panouri solare dar sunt relativ scumpe. O ieftinire apreciabilă se va obține prin utilizarea în
combinație cu sisteme de lentile, așa numitele sisteme de concentrare.

2.4. Tendințe a ctuale în domeniul sistemelor fotovoltaice

Creșterea globală a fotovoltaicii a fost aproape exponențială între 1992 și 2018. În această
perioadă, fotovoltaica (PV), cunoscută și sub denumirea de PV solar, a evoluat dintr -o piață de
nișă de aplicații la sc ară mică către o sursă de curent de masă. Atunci când sistemele fotovoltaice
solare au fost recunoscute pentru prima dată ca o tehnologie promițătoare de energie regenerabilă,
programe de subvenționare, cum ar fi tarifele de alimentare, au fost implementat e de mai multe
guverne pentru a oferi stimulente economice pentru investiții. De câțiva ani, creșterea a fost
determinată, în principal, de Japonia și de țările europene de pionierat. În consecință, costul
energiei solare a scăzut în mod semnificativ dator ită efectelor de curbură, cum ar fi îmbunătățirile
tehnologice și economiile de scară. Mai multe programe naționale au contribuit la creșterea
gradului de utilizare a energiei fotovoltaice, cum ar fi Energiewende în Germania, proiectul Million
Solar Roofs în Statele Unite și planul cincinal pentru produ cerea de energie din China. De atunci,
utilizarea fotovoltaicii a câștigat un impuls la scară mondială, sporind din ce în ce mai mult cu
sursele convenționale de energie.
La începutul secolului XXI a apărut o piață a instalațiilor de utilitate la scară largă pentru a
completa aplicațiile pe acoperiș și alte aplicații distribuite . Până în 2015, aproximativ 30 de țări au
ajuns la paritatea rețelei .

Din punct de vedere istoric, Statele Unite au fost liderul fo tovoltaicii instalate de mai mulți
ani, iar capacitatea sa totală a fost de 77 de megawați în 1996 – mai mult decât orice altă țară din
lume la acea vreme. De la sfârșitul anilor 1990, Japonia a fost liderul mondial al producției de
energie electrică solar ă până în 2005, când Germania a preluat conducerea și până în 2016 avea o

CAPIT OLUL I. Considerații generale privind funcționarea lentilelor Fresnel
15 capacitate de peste 40 de gigawați. În 2015, China a depășit Germania pentru a deveni cel mai
mare producător mondial de energie fotovoltaică [14] [15], iar în 2017 a devenit prima ț ară care a
depășit 100 GW de capacitate instalată

Proiecțiile pentru creșterea fotovoltaică sunt dificile și împovărătoare cu multe incertitudini.
Agențiile oficiale, cum ar fi Agenția Internațională pentru Energie (IEA), și -au mărit în mod
constant est imările de -a lungul anilor, dar totuși nu au reușit să se descurce în mod real [19] [20]
[21] Proiectul Bloomberg NEF proiectează instalații solare globale în creștere în 2019, adăugând
încă 125 -141 GW, rezultând o capacitate totală de 637 -653 GW până la s fârșitul anului [8]. Până
în 2050, IEA prevede că PV -ul solar va ajunge la 4.7 terawatți (4.674 GW) în scenariul său ridicat
de energie regenerabilă, dintre care mai mult de jumătate vor fi utilizate în China și India, făcând
ca energia solară să fie cea m ai mare sursă de energie electrică din lume .

Cap. III
Realizarea standului experimental
Cap. IV
Rezultate și concluzii
Referințe bibliografice

STUDIUL ȘI REALIZAREA UNUI STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA CELULELOR SOLARE
16