CATEDRA FIZICĂ TEORETICĂ ȘI EXPERIMENTALĂ [305913]

[anonimizat]

,,Structurarea experimentală a caracteristicilor de bază

a celulelor solare’’

(teză de licență)

Conducător științific: dr.prof. Univ.

Gheorghiță Eugen

Chișinău 2016

[anonimizat]. Caracteristicile efectului fotovoltaic

2. Celule solare. Energetica solară

2.1 Energetica solară. Celule solare. Caracteristici fundamentale

2.2 Scurt istoric al utilizării energiei solare

2.3 Panouri solare domeniu de aplicare. Tehnologia de obținere a celulelor solare

3. Studierea experimentală a caracteristicilor celulelor solare

3.1 Caracteristica specrară

3.2 Caracteristica de sarcină

3.3 Determinarea caracteristicilor de bază a celulelor solare

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

II. CELULE SOLARE. ENERGETICA SOLARĂ

2.1 Energetica solară. Celule solare. Caracteristici fundamentale

Proiectarea unui sistem de conversie a energiei solare în energie termica sau electrica se bazeaza pe evaluarea corecta a radiatiei solare în amplasamentul dat si pe cunostinte privind proprietatile radiatiei solare.

Antoine Becquerel a descoperit posibilitatea generarii unui curent electric în circuit sub actiunea luminii (în 1839).Frenkel (1935), Landau (1936) au dat explicatii asupra fenomenului. [anonimizat].

Celulele solare pot fi cu:

semiconductoare monocristaline

straturi subtiri

policristaline sau amorfe

pe baza de Si cele cu GaAs: dau eficienta de conversie ridicata 18-25%

[anonimizat]: au randamente mai scazute: 5-12%

O celula fotovoltaica transforma doar o [anonimizat] a unei serii de procese ce se petrec în timpul conversiei: procese care intervin când energia este sub forma de radiatie (pierderi de radiatie), procese care intervin dupa ce energia radianta a [anonimizat] o “eficienta partiala”.

Eficienta celulei rezulta ca un produs al tuturor “eficientelor partiale”:

[anonimizat], au de obicei o suprafata foarte mica si curentul generat de o [anonimizat], paralel ale acestor celule se pot produce curenti suficient de mari pentru a putea fi utilizati în practica. [anonimizat]. Celulele solare pot fi clasificate dupa mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este dupa grosimea stratului de material. Aici deosebim celule cu strat gros si celule cu strat subtire. Dupa structura de baza deosebim materiale cristaline si amorfe.

Strat gros

Celule monocristaline (c-Si)-[anonimizat] 20 % [anonimizat]; totusi procesul de fabricatie este energofag, ceea ce are o influenta negativa asupra periodei de recuperare (timp în care echivalentul energiei consumate în procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generata).

Celule policristaline (mc-Si)-la productia în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie în procesul de fabricatie, si pâna acum cu cel mai bun raport pret performanta.

Strat subtire

Celule cu siliciu amorf (a-Si)-cel mai mare segment de piata la celule cu strat subtire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %;

Celule pe baza de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)-în combinatie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeasi ca la siliciul amorf.

Caracteristicile unei celule solare sunt:

Tensiunea de mers în gol ( Uoc )

Curentul de scurtcircuit (Isc )

Tensiunea în punctul optim de funcționare  (UMPP )

Curentul în punctual de putere maxima (IMPP )

Puterea maximă estimate (PMPP)

Factor de umplere (FF)

FF= (2.1)

7. Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei

8. Randamentul celulei solare  la o suprafață iluminată A și intensitate luminoasă Popt

ɳ = (2.2)

Structura celulelor solare se realizeaza în asa mod încât sa absoarba cât mai multa lumina si sa apara cât mai multe sarcini în jonctiune. Pentru aceasta electrodul de suprafata trebuie sa fie transparent, contactele la acest strat sa fie pe cât posibil de subtiri, pe suprafata se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micsora gradul de reflexie a luminii incidente.

2.2 Scurt istoric al utilizării energiei solare

Efectul fotovoltaic este principalul proces fizic care stă la baza tehnologiilor de construcție a celulelor solare care convertesc lumina de la soare în electricitate. În anul 1839, Edmund Becquerel, fizician francez în vârstă de 19 ani, descoperă efectul fotovoltaic în timpul unui experiment cu o celulă electrolitică făcută din doi electrozi de metal. Acesta a descoperit că anumite materiale pot produce mici cantități de energie electrică atunci când sunt expuse la lumină.

Prima celulă solară a fost construită de Charles Fritts care a acoperit seleniu semiconductor cu un film subțire de aur pentru a forma o joncțiune metal semiconductor. Dispozitivul avea o eficiență de 1%. Celulele solare au devenit de uz practic ca surse de energie după ce Russel Ohl, în anul 1941, a dezvoltat tehnologia joncțiunilor p/n ce a permis atingerea unor eficiențe mai mari de 5% prin anii 1950-1960. Astăzi celulele solare dezvoltate la nivel de laborator ating eficiențe >20%, iar la nivel industrial se situează în medie la 13 %.

Vârsta modernă a tehnologiilor solare a venit în 1954 de la Bell Laboratories care dezvoltau experimente cu semiconductori, descoperind accidental ca siliciu dopat cu anumite impurități era sensibil la lumină. Daryl Chapin, Calvin Fuller și Gerald Pearson au inventat primul dispozitiv practic de conversie a energiei solare în energie electrică cu o eficiență de 6%. Prima baterie de celule solare a fost construită în aprilie, 1954. Primul panou solar a fost folosit pe satelitul Vanguard 1 lansat în Martie 1958 și era format din celule solare produse Hoffman Electronics. Acest eveniment a creat interes pentru producerea și lansarea de comunicații geostaționare cu sateliți alimentați cu energie electrică de la panouri solare.

În 1970 a fost creată prima heterostructură de GaAs pe care s-au construit celule solare de mare eficiență. Zhores a creat primul heterotranzistor care a revoluționat telefonia mobilă și comunicațiile prin satelit. Tehnologia folosită MOCVD- depunere chimică din fază de vapori a compușilor metaloorganici, dezvoltată în 1980 a permis elaborarea celulelor solare pe GaAs. În SUA prima celulă solară cu eficiența de 17% față de coeficientul AM0 a fost dezvoltată de Applied Solar Energy Corporation (ASEC). ASEC a dezvoltat celule cu “joncțiune duală” prin depunerea de GaAs pe substrat de Ge ce a permis tensiuni mari în circuit deschis. Celule cu joncțiune duală pe structuri GaAs au atins în anii 2007 o eficiență de 30% AM.

2.3 Panouri solare domeniul de utilizare aplicativ. Tehnologia de obținere a celulelor solare

De calitatea p-n joncțiunii în mare măsură depinde parametrii ES. Efectul fotovoltaic în joncțiunea p-n reprezintă procesul de transformare a energiei fotonilor în energie electrică (fig.1.1).

Fig.1.1 Joncțiunea p-n iluminată și diagrama benzilor energetice, b) neiluminată, c)iluminată

sursa:

Dacă fotonii au energia hv egală sau mai mare decât banda ΔEc (hv ≥ Δ Ec), atunci în semiconductorul de tip ,,p,, se generează purtători de sarcină minoritari (electroni), iar în regiunea ,,n,, se generează purtători minoritari-goluri (fig1.1a). Dacă purtătorii de sarcină minoritari – electronii în regiunea p au fost generați la o depărtare mai mică sau egală cu lungimea de difuzie (Ln) și respectiv (Lp), atunci acești purtători de sarcină pot fi separați de câmpul interior al p-n joncțiunii (fig 1.1b).

Curentul de scurt circuit prin p-n joncțiunii poate fi exprimat prin relația:

ISC = qgAf (Ln+Lp) (1.1)

unde

Af – aria activă a joncțiunii p-n;

Ln și Lp – lungimea de difuzie a electronilor și respectiv –golurilor;

g- rata de fotogenerare a purtătorilor minoritari;

q- încărcătura electronului.

Dacă la bornele p-n joncțiunii este conectată o rezistență de sarcină, atunci curentul prin joncțiunea p-n iluminată pentru orice valoare V a fototensiunii este dat de relația:

I = ISC – IS ( – 1) (1.2)

În condițiile de circuit deschis (rezistența de sarcină infinită) –I=0 . Relația (1.2) devine:

Vmg= ln( -1) (1.3)

unde

Vmg – tensiunea- mers în gol;

Is – curentul de saturație a p-n joncțiunii.

Celulele solare moderne se caracterizează printr-un câmp intern în regiunea bazei și au structura n+ – p – p+ sau p+ – n- n+ . Așa structura a celulei solare este optimizată pentru diminuarea considerabilă a recombinării purtătorilor minoritari fotogenerați în regiunea bazei, ce aduce la majorarea fotocurentului.

În figura 1.2 este prezentată structura tipică a celulei solare cu câmp intern în regiunea bazei, inclusiv distribuirea impurităților și diagrama benzilor energetice.

Regiunea dopată

Fig 1.2. Structura celulei solare cu câmp intern în regiuinea bazei(a), distribuirea impurităților (b) și diagrama benzilor energetice (c).

Sursa:

Regiunea dopată puternic pe spatele celulei se poate realiza prin difuzie sau implimentare ionică. Bariera de potențial, care se formează la interfața regiunii p-p+ se opune deplasării purtătorilor minoritari genrați (electroni) spre regiunea p+ puternic dopată ( sau spre contact), dar nu se opune deplasării purtătorilor majoritari. Dacă Wp ≤ Ln, atunci o parte din electroni fotogenerați în regiunea P, care s-ar fi pierdut prin recombinare la suprafață, vor participa la formarea fotocurentului.

Structura n+ – p – p+ are proprietatea față de structura p+ – n- n+, fiindcă mobilitatea electronilor, generați în regiunea ,,p,, este mai mare decât mobilitatea golurilor generați în regiunea n.

Pentru obținerea celulelor solare cu mare randament este necesar ca lungimea de difuzie a electronilor în regiunea p să fie destul de mare. Acesti parametri, în mare măsură, depind de calitatea materialului inițial, folosit în procesul tehnologic de producere a ES.

Lungimea de difuzie se micșorează dacă în materialul semiconductor se conțin elemente chimice care formează nivele energetice la mijlocul benzii interzise. Aceste nivele pot îndeplini funcția de capcană a purtătorilor de sarcină minoritari. Așa elemente chimice pot fi Cu, Ni, Au, Fe etc. Din aceste considerente, este necesar de controlat materialele inițiale din punct de vedere al lungimii de difuzie a purtătorilor de sarcină minoritari și de purificat materialul dacă acest parametru nu satisface cerințele ES.

Siliciul și arsenura de galiu în mare parte îndestulează condițiile ,,ideale’’ a materialelor semiconductoare pentru confecționarea ES. Din punct de vedere a eficienței CS aceste materiale practic au aceiași parametri (fig.1.3).

Fig.1.3. Dependența eficienței maxime de conversie (hmax) a ES cu o singură p-n joncțiune de lățimea benzii interzise a materialului (Eg). Liniile neîntrerupre pentru spectrul solar AMO, puncte – pentru spectrul AM 1,5.

sursa:

Însă Si are prioritate mai mare față de Ga As, fiindcă este mult mai răspândit în scoarța terestră, nu este otrăvitor și mult mai ieftin. O posibilitate mai mare pentru ridicarea eficienței ES este legată de utilizarea heterojoncțiunii in sistema AlAs – GaAs .

Prioritatea utilizării heterojoncțiunii (fig. 1.4) pAlxGal-xAs-nGaAs, a cărui bandă interzisă este mai mare pentru fotonii care au energii (nGaAs = hv ≤ EgpAlGaAs). Fotonii cu așa energii trec ca prin fereastră prin materialul AlGaAs, generează în pGaAs perechi electron-gol, unde electronii sunt separați de câmpul electric interior.

Fig.1.4. Diagramele energetice a heterojoncțiunilor pAlGaAs – p – n GaAS: a- structura în care stratul pGaAs se formează automat prin difuza Zn din soluție topitură în timpul creșterii, b- structura cu puternic câmp electric încorporat în stratul pAlGaAs, la care lățimea benzii interzise se mărește pe măsura creșterii stratului.

Sursa:

Dacă acest strat are grosimea de 2µm, iar banda interzisă se mărește de la 1,45eV până la 2,05eV, atunci intensitatea câmpului electric în acest strat are nivelul 3000V/cm. Purtătorii de sarcină- electronii, generați lângă suprafață , sunt accelerați de câmpul electric către p-n joncțiune și sepaați, ceea ce mărește randamentul. Aceste ES totuși astăzi sunt destul de scumpe, s-au utilizat pentru asigurarea cu energie electrică a navelor cosmice. Însă având în vedere că aceste elemente solare pot lucra cu concentratoare (gradul de concentrare-1000) pot fi utilizate la confecționarea stațiilor energetice terestre.

Necătând la toare aceste îmbunătățiri a parametrilor ES, totuși Si-monocristalin până astăzi este cel mai întrebuințat material la confecționarea panourilor fotovoltaice.

Procesul de formare a p-n joncțiunii conțin următoarele operații tehnologice (fig.1.5)

Fig.1.5. Fluxul tehnologic de producerea ES: a) plancheta inițială (1) pe suprafața căreia este CI(2) și stratul difuzionic(3) pe partea opusă; b) corodarea planchetei și heterarea impurităților; c) plancheta texturată(4) d) formarea n+p joncțiunii; e) depunerea stratului de Al (6) pe partea opusă; f)depunerea pastei Pd-Ag (7) pe partea frontală; g) depunerea pastei Pd-Ag pe partea opusă(8); i) depunerea stratului antireflex (9).

Sursa:

Corodarea chimică a planchetelor de Si;

Heterarea impurităților;

Texturarea suprafeței;

Difuzia impurităților.

Corodarea chimică a planchetelor de Si

În calitate de material inițial, am utilizat plachete de Si, rebutate în procesul de producție a circuitelor integrate (CI).

Aceste plachee puteau fi rebutate după diferite operațiuni din fluxul tehnologic:

Oxidarea termică;

Creșterea epitaxială;

Difuzia de formare a bazei sau a emitorului;

Fotoligrafiei;

Depunerea peliculei de Al și a.

Însă grosimea maximală a CI formate pe plachete atingea -10µm. În calitate de plachete inițiale cel mai des s-au folosit plachete de SI dopat cu bor, rezistivitatea 10Ω*cm(p=1,2*1015 cm-3) orientația suprafeței (111) și plachete de pSi (p=7,5, 12Ω*cm) orientația (110).

Dacă chimic se înlătură ~ 15µm de pe ambele părți a planchetei, atunci placheta poate fi utilizată pentru formarea p-n joncțiunii, necesare ES. Pentru corodarea chimică se utilizează o instalație industrială cu băile din teflon, în care se menține temperatura corodantului în intervalul 30-100 oC și după corodare, placheta se spală în trei băi cu apa deionizată curgătoare. Plachetele se corodau într-un amestec de HF+HNO3 în corespundere cu reacțiile:

Si +2HNO3≥ SiO2 + H2 + 2NO2 (1.4)

SiO2 + 4HF ≥ SiF4↑ +2H2 (1.5)

Cazul SiF4 care se elimină în timpul reacției, are o culoare cafenie si este destul de toxic, de aceea este necesar de respectat toate regulile securității muncii. Timpul de corodare 5-7 min, în dependență de prospețimea corodantului. După spălarea plachetelor în trei băi cu apa curgătoare deionizată, plachetele în caseta de masă plastică se introduceau în centrifugă (viteza de rotație 3000 rot/min) și se uscau.

2. Hetearea impurităților

Orice medotă de heterare a împurităților și dezactivare a defectelor conține tratament termic, temperatura și timpul de tratare sunt îndeajuns pentru difuzia defectelor punctuale din regiunea de lucru a plachetelor către suprafața ei.

Metodele de heterare (anexa nr.1) pot fi împărțite în 3 grupe principate:

Heterarea cu ajutorul stratului defectat;

Heterarea cu ajutorul peliculelor depuse;

Prelucrarea termică în mediu special.

I. Heterarea cu ajutorul stratului defectat

Aceasta metodă se bazează pe faptul că suprafața care conține defecte structurale poate cumula defecte punctuale și impuritățile care se caracterizează printr-o mare valoare a coeficientului de difuzie (Au, Fe, Cu, Ni etc). Stratul defectat se poate obține prin prelucrarea mecanică( șlefuire cu prafuri cu diametrul ≥ 20µm) a suprafeței plachetei, pe care nu va fui confecționată n+ – p joncțiunea. Prelucrarea termică la temperatura 1000 oC timp de 1 oră majorează lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină minoritari în pSi de la 30µm până la 150µm. După heterare stratul defectat se înlătură.

II. Heterarea cu ajutorul peliculelor depuse

Pe suprafața plachetei de Si se depune o peliculă de Ni, Ga, Al, Zn, Pb-Sn. Impuritățile care au o valoare mare a coeficientului de difuzie, în timpul tratamentului termic se mișcă și sunt absorbite de această peliculă. Acest tratament dă posibilitatea de a majora numărul numărul diodelor cu curenți mici de inversie. Însă această metodă necesită mai mri cheltuieli, legate de depunerea peliculelor prin vaporizare termică sau pulverizare în plasmă.

III. Prelucrarea termică în mediu special.

Mai des se utilizează metoda de extragere a defectelor punctuale și impurităților prin tratament termic în faza gazoasă sau vid.

Prelucrarea termică la temperaturi de 900-1200 OC în atmosferă de argon micșorează densitatea defectelor în Si. Adaosul în faza gazoasă a unei cantități neînsemnate (01….6%) de clor sau a compușilor lui în atmosfera de oxidare duce la majorarea cu câteva ordine a timpului de viață a purtătorilor de sarcină minoritari. Însă clorul și acidul clorhidric se caractezirează printr-o mare viteză de reacție cu componentele instalației.

3. Texturarea suprafeței

Celulele solare cu suprafața texturată (fig.1.6) au un randament mai mare și nu necesită orientarea spre soare, asemenea ES cu suprafață netedă.

Fig.1.6. Drumul optic al radiației solare pe o suprafață texturizată

Sursa:

O asemenea celulă solară se realizează pe plachetele de p-Si (100). Cu scopul obținerii piramidelor cu înălțimea de ~1µm, a fost elaborat un vas ermetic, în care se turna propanol și 30%KOH. Corodarea plachetelor avea loc la temperatura 70 oC timp de 25 min.

Din fig.1.6 se poate observa că o parte din radiația incidentă se câștigă datorită refracției. Dacă pe această suprafață se mai depune și un strat antireflectant(SiO, ZnS ect.), atunci pierderile radiației incidente pot atinge valoarea de 4% față de 30% – pe suprafețele poleite. Din aceste considerente putem face concluzie că datoritî suprafeței texturate crește fotocurentul C*S, datorită minimizării reflexiei și nu sunt mari cerințe față de orientarea celulei solare spre soare.

4. Difuzia impurităților

Difuzia impurităților este necesară pentru formarea n+ – p – joncțiunii. De calitatea acestei joncțiuni, în mare măsură depind parametrii ES. Difuzia a fost efectuată într-un cuptor electric industrial CDO-125/4. În calitate de impuritate s-a folosit PCI3 care se introducea în reactor în atmosfera gazului N2 – împreună cu oxigen și vapori de apă. Difuzia impurităților se efectua în doua etape:

1. Predifuzia se efectua la T = 850 OC timp de 15 min. Ca rezultat pe suprafața plachetei datorită reacției chimice dintre POCl3 și O2 se forma sticlă fosforosilicată [(PSG-(SiO2) *(P2O5)1-x] cu grosimea ~ 1000Å. După avest interval de timp difuzantul a fost închis.

2. Difuzia propriu-zisă. Din stratul PSG are loc difuzia fosforului în Si la aceeași temperatură 850 OC timp de 20 min.

Cercetările distribuirii concentrației impurităților în adâncul plachetei de pSi au arătat:

Adâncimea n+ – p – joncțiunii -0,45÷0,5µm ;

Concentrația electronilor la suprafața 1019 cm-3 ;

Rezistivitatea stratului difuzat 20-30Ω/□

Elaborarea procesului de formare a contactelor la celule solare prin depunerea pastelor conductoare, către contactele ES sunt înaintate următoarele cerințe:

Contactul trebuie să fie ohmic;

Să aibă o aderență bumă față de suprafața siliciului;

Suprfața contactului să poată fi cositorită cu ajutorul aliajelor Pb*Sn;

ES să poată fi ușor conectate în panouri fotovoltaice;

Suprafața ocupată de grila de contact trebuie să fie minimizată.

Contactele clasice la ES, depuse prin vaporizarea termică în vid, adesea conțineau trei tipuri de pelicule:

Pentru formarea contactului ohmic (Al);

Pentru adeziunea ultimului strat, care ușor se cositorește (Ti,W);

Pelicula de Ni.

Datorită timpului îndelungat la depunerea acestor pelicule, se cheltuie multă energie electrică pentru funcționarea pompelor de vid.

Contactele ES formate pe baza pastelor Pb-Ag care sunt depuse cu ajutorul măștilor serigrafice direct în atmosferă, nu necesită cheltuieli mari de energie electrică

Fig.1.7. Construcțiile grilelor de contact la diferite tipuri de ES

Sursa:

Într-un panou fotovoltaic toate ES trebuie să se caracterizeze cu parametrii apropiați. Dacă un element are parametrii mai răi, atunci el influențează asupra tuturor elementelor.

Dispozitivul elaborat are menirea să automatizeze masurările caracteristicii curent-tensiune și calculul parametrilor elșementelor solare. Pentru realizarea acestui dispozitiv a fost elaborată următoarea schemă bloc (fig.1.8)

Fig.1.8. Schema bloc a dispozitivului

Sursa:

Schema bloc a dispozitivului constă din 3 părți: primul bloc reprezintă parta analogică a dispozitivului, care este dirijată de blocul central de comandă, blocul din centru este de comandă și dirijează partea analogică. Acesta colectează datele în urma măsurărilor și le transmite la al treilea bloc. Blocul de comunicare care prin interfața USB le transmite mai departe calculatorului pentru prelucrare. Versiunea inițială a proiectului constă în folosirea unui potențiometru digital, ănsă mai apoi sa hotărât ca să se folosească o altă construcție, în loc de potențiometru digital sa decis să se utilizeze o sursă de curent comandat de tensiune, din cauza că pe piață nu poate fi gasit un potențiometru digital care să reziste la curenți mari și să posede rezistența minimă 0Ω.

Un potențiometru digital poate fi construit din relee care scurtcircuitează un magazin de rezistență. Un avantaj este că dacă scurtcircuităm toate rezistențele obținute rezistența zero și putem măsura curentul de scurt circuit. Însă ca dezavantaj serveste timpul mare de comutare, dimensiunile mari a releelor, consumul mare de curent pentru comutarea și menținerea releelor. Consumul mare de curent a dispozitivului poate influența într-o oarecare măsură rezultatele măsurărilor.

În fig.1.8 este ilustart schema de principiu al unui potențiometru digital.

Fig.1.8. Schema de principiu a potențiometrului digital

Sursa:

Pentru realizarea blocului de comandă am folosit microcontrolerul AVR Atmega 16. Acest microcontroler are menirea să dirijeze cu partea analogică a dispozitivului și să convertească valorile tensiunii în semnale digitale care vor fi transmise unui calculator mai departe și cu ajutorului unui program special va afișa caracteristica de transfer și va calcula parametrii sus menționați. În schema de principiu a dispozitivului deosebim următoarele blocuri:

Blocul de alimentare a dispozitivului;

Partea analogica a dispozitivului- la care se atașează elementul solar cercetat;

Partea digitală a dispozitivului- care constă dintr-un microprocesor programabil care comanda valorile cuentului și convertește valorile analogice a tensiunii, după care le prelucrează și le transmite următorului bloc;

Blocul de transmisie a datelor spre calculator – care constă dintr-un circuit integrat care este destinat pentru comunicarea dispozitivului cu calculatorul.

Dispozitivul dat se va alimenta de la rețeaua electrică (fig.1.9). Blocul de alimentare constă din transformator care transformă tensiunea de rețea de 220V în tensiune mai mică aproximativ de 18V. La transformator se va mai conecta o singuranță fuzibilă și un întrerupător, punte cu diode destinat pentru redresarea curentului, condensatoare de capacități mari pentru nivelarea pulsațiilor tensiunii redresate, douastabilizatoare de tensiune, 7812 pentru tensiunea de 12V curent continuu pentru alimentarea părții digitale a dispozitivului. La intrarea și iețirea acestor stabilizatoare se mai conectează câte un condensator. La intrarea acestor stabilizatoare se va aplica o tensiune mai mare decât tensiunea de stabilizare cu cel puțin cu 2,5V pentru a avea la ieșire u coeficient de pulsație cât mai mic.

Fig. 1.9. Schema de alimentare a dispozitivului

Sursa:

Partea analogică a dispozitivului constă dintr-un amplificator operațional rail-to-rail OP495 de precizie înaltă destinat special pentru măsurări electronice. Acest circuit este constituit din 4 amplificatoare operaționale elementare, dintre care vom folosi numai doua, unul din el va fi folosit împreună cu doua rezistoare R8, R9 pentru aplificarea semnalului în tensiunea care vine de la elementul solar, cele doua rezistoare sunt destinate pentru crearea coeficientului de amplificare. Al doilea element DA3:A va fi folosit la formarea sursei de curent comandată prin tensiune împreună cu tranzitorul T de tip NMOS cu canal indus IRF7103, și un rezistor R9 de 1Ω. Polul pozitiv al elementului solar va fi aplicat la drena tranzitorului și la intrarea amplificatorului, polul negativ va fi conectat la masa dispozitivului. Sursa de curent va repeta tensiunea ce dă la intrarea lui pe rezistența de 1Ω, astfel prin circuitul închis format din element solar, drena- sursa tranzistorului și rezistor va curge un curent comandat care va fi egal cu tensiunea care cade pe rezistor raportat la rezistența acestuia. Pe tranzistor va cădea diferența dintre tensiunea generată de elementul solar și tensiunea care cade pe rezistor. Tensiunea care va comanda sursa de curent va fi generată de microcontroler cu ajutorul modulului PWM. Acest modul va genera impulsuri de o anumită frecvență și cu durata amplitudinii diferită, aceste impulsuri vor fi nivelate cu ajutorul unui integrator ( un rezistor și o capacitate), apoi aceasta tensiune se va micșora cu ajutorul unui divizor format din doua rezistențe, pentru a obține acea tensiune care va fi proporțională cu curentul comandat. Din cauza că rezistențele care formează rezistorul de tensiune nu sunt de precizie înaltă, și odată cu temperatura rezistența lor puțin variază.

Mai târziu s-a mai introdus un circuit care măsoară curentul, bazat pe un amplificator operațional LM358N. Schema de măsurare a curentului este prezentată în fig 1.10.

Fig.1.10. Schema de măsurare a curentului

Sursa:

Rezistența R5 reprezintă rezistența de șunt prin care trece curentul din circuitul bateriei solare. Căderea de tensiune pe această rezistență este măsurată de amplificator și care este direct proporțională cu curentul care trece prin rezistență conform legii lui Ohm. Ieșirea de la amplificatorul operațional se aplică direct la convectorul analog-digital al microprocesorului. Cel mai important element din partea digitală a dispozitivului îl constituie microprocesorul. Funcția lui este de a achiziționa și converti semnalul analogic, de a stabili tensiunea de comanda la sursa de curent cu ajutorul modeului PWM, de a prelucra datele obținute, de a le organiza în pachete și de a transmite blocului de transmise a datelor prin interfața USB.

Blocul de transmitere a datelor spre calculator este constituit dintr-un circuit integral FT232RL, care reprezintă un simplu convector USART-USB. Pe lângă acest circuit acest bloc mai are câteva capacități pentru stabilizarea tensiunii și filtrarea zgomotelor, doua rezistoare și doua leduri. Unul din leduri indică precum că are loc recepția datelor de la calculator, iar celălalt led indică transmiterea datelor spre calculator.

Convector de tensiune curent este destinată pentru asigurarea unei anumite valori a curentului pe o porțiune a circuitului, și nu depinde de valoarea tensiunii la ieșirea amplificatorului operațional ci numai de tensiunea de intrare a acestuia. Principiul de lucru este următorul. Amplificatorul operațional repetă valoarea tensiunii de intrare pe rezistorul R (fig.1.11).

Fig.1.11. Principiul de lucru a sursei de curent dirijate de tensiune

Sursa:

Curentul care va curge prin rezistorul R va fi egal conform legii lui Ohm cu raportul dintre tensiunea care cade pe acest rezistor și rezistența lui.

Il = (1.6)

Ur = Vin (1.7)

Rezistența RL este o rezistență foarte mare , valoarea căreia tinde spre infinit, astfel și coeficientul de amplificare va tinde spre infinit, în figura 1.12 această rezistență reprezintă rezistența dintre sursa și grila tranzistorului.

Fig.1.12. Schema sursei de curent cu tranzistor NMOS

Sursa:

Pentru că curentul care trebuie să-l stabilim este comparativ mare pentru al aplica la ieșirea amplificatorului operațional în loc de rezistorul RL se va folosi un tranzistor NMOS cu canal indus.

Pentru testarea dispozitivului s-au selectat câteva probe, elemente solare cu dimensiuni 2×2 cm cu caracteristici diferite. Parametrii acestor probe au fost determinată prin metoda tradițională. Pentru determinarea parametrilor elementelor solare sa utilizat instalația pentru imitarea luminii solare, schema acestei instalații este prezentată în fig.1.13, care constă din sursa de iluminare, concentrator, suport și un sistem de iluminare.

Fig.1.13. Schema instalației de iluminare artificială

Sursa:

Sursa de iluminare este formată dintr-o lampă halogenică cu puterea de 1000W, care se află într-un suport care din interior este acoperit cu un material reflectant pentru focusarea fluxului de lumină în jos. Concentratorul prin care liber trec razele UV, reprezintă o lupă mare de sticlă pentru focusarea unui flux omogen de lumină pe suportul unde se află proba supusă iluminării. Suportul nu reprezintă altceva decât o placă metalică, echipată jos cu un sistem de răcire. În urma iluminării continue a probei și a suportului are loc încălzirea acestora ca rezultat are loc schimbarea parametrilor probei din cauza temperaturii. Din această cauză se folosește un sistem de răcire care nu reprezintă altceva de cât un tub subțire care trece pe toată suprafața suportului și prin care circulă apă, răcind suportul împreună cu proba. Astfel parametrii probei se mențin constanți pe toată durata măsurărilor.

Schema de măsurare este reprezentată în fig. 1.14 în loc de rezistența variabilă la bornele elementului sa conectat un magazin de rezistențe precise, in paralel sa conectat un voltmetru iar în serie un amperimetru. Schimbînd treptat sarcina sau luat valorile curentului și tensiunii, apoi aceste valori sau introdus într-un tabel dupa care sa construit graficile caracteristicii curent-tensiune și sau calculat parametri respectivi. După aceasta aceste probe au fost cercetate cu dispozitivu propriu zis, graficile și parametrii obținuți au fost comparate cu cele care sau obținut anterior fără acest dispozitiv.

Fig.1.14. Schema de conectare pentru determinarea caracteristicii curent-tensiune, metoda tradițională

Sursa:

Înainte de a face careva concluzii asupra rezultatelor obținute prin metoda tradițională și cu ajutorul dispozitivului elaborat trebue sa tinem cont de următoarele lucruri :

Caracteristica obținută prin metoda tradițională a fost construită din aproximativ 20 de măsurari , ceia ce nu este de ajuns pentru a construi o caracteristică cît mai precisă , pe cînd cea obținută cu ajutorul dispozitivului este construită aproape din 200 de puncte aceasta oferind o precizie mai mare;

Eroarea aparatelor de măsură la metoda tradițională, și a convectorului ADC este diferită, de aceea este firesc ca parametri calculați vor fi și ei diferiți.

Fig.1.15. Caracteristica curent-tensiune obținută prin metoda tradițională

Caracteristicile obținute în urma masurărilor sunt reprezentate în fig. 1.15. Din aceste doua grafice observăm ca ele sunt asemănătoare, deci putem spune că dispozitivul funcționează.Ceilalți parametri la fel se aseamănă, însă parametri calculați manual sunt nu cu mult mai mici decît parametri calculați de dispozitiv. Acest fapt se poate explica prin ceea că caracteristica curent-tensiune manuală este constuită din mai puține puncte decît cea desenată de dispozitiv, ceea ce rezultă că puterea maximă poate fi calculată cu o oarecare eroare. În urma măsurarilor a unui element solar sau determinat urmatorii parametri:

Metoda tradițională

Puterea maximă:25mW

Randamentul: 6,2%

Factorul de umplere: 0,47

Metoda modernă

Puterea maximă:30mW

Randamentul: 7,4%

Factorul de umplere: 0,6

În ambele cazuri curentul de scurt circuit și tensiune mers în gol coincid, cu o mică eroare de 0,3%. Cu toate acestea putem spune rezultatele obținute cu acest dispozitiv sunt satisfăcătoare și pot fi folosite cu succes la cercetarea elementelor solare mici în condiții de laborator.

Procesul de confecționare a panourilor fotovoltaice cuprinde următoarele operațiuni:

Sortarea elementelor solare după parametrii de funcționare. Acest proces se îndeplinește cu ajutorul dispozitivului elaborat;

Umezirea cu cositor a grilei de contact și partea opusă a ES;

Conectarea elementelor solare în serie sau paralel în dependență de tensiunea și curentul de lucru necesar;

Fixarea cu ajutorul cleiului a ES pe suprafața plăcii din dielectric;

Ermetizarea cu ajutorul peliculei din etilenvinilacetat a ES în panou;

Confecționarea suportului din cornier de duraluminiu.

Pentru cositorirea grilei de contact și părții opuse a ES, a fost elaborată o instalație simplă ( fig.1.14) care conține o baie cu cositor Pb-Sn.

Fig.1.14. Schema bloc a instalației de cositorire

Sursa:

Bloc de reglare precisă a temperaturii

Baia, care reprezintă un încălzitor în care este un vas din Al(3) plin cu cositor.

Înainte de a introduce ES în baia cu cositor, suprafața contactelor se umezește cu glicerină. În dependență de cositorul utilizat și temperatura lui, depinde grosimea stratului de cositor, care ramâne pe suprafața grilei. Timpul de contact a ES cu cositorul din baie este ~ 15-20s. A fost optimizat procesul de cositorire în asa mod, ca grosimea cositorului pe grilă să fie uniformă. Procesul de cositorire se îndeplinea manual, însă după perfecționarea instalației se poate automatiza. Instalația de conectarea ES în serie reprezintă o masă pe suprafațacăreia se fixau elementele solare. La început se conecta o fâșie de contact din Cu pe partea opusă a ES. Conectarea are loc cu ajutorul unui ciocan de lipit, care funcționează un anumit interval de timp. Elementele sunt așesate pe masă în așa mod ca contactul de la regiunea ,,p,, să fie de-asupra grilei de contact (regiunea n+). Ciocanul de lipit își schimbă poziția automat în dependență de dimensiunea ES și are loc conectarea fâșiei metalice pe partea n+.

Schema bloc a dispozitivului este prezentată în figura 1.15 și constă din dispozitivul MPPT, panou fotovoltaic, acumulator și sarcina care se alimentează de la acumulator. La rândul său dispozitivul MPPT constă și el din doua blocuri principale, convectorul Boost și circuitul de control. Principiul de lucru constă în următoarele: panoul fotovoltaic iluminat de soare generează energie electrică care se aplică la intrarea dispozitivului și anume la convectorul Boost. Convectorul Boost la rândul său controlat de circuitul de control mărește tensiunea continuă de la panou și o aplică la bornele acumulatorului. Circuitul de control monitorizează ieșirea panoului fotovoltaic, măsoară tensiunea și curentul, calculează puterea curentă și ea decizii pentru generarea tensiunilor de referință, care respectiv aceste tensiuni se aplică la circuitul care comandă cu poarta tranzistorului de putere a convertorului Boost. Pe lângă aceasta, circuitul de control monitorizează și starea acumulatorului, dacă tensiunea la bornele acumulatorului este mai mică decât cea admisibilă, sarcinaeste deconectată de la acumulator pentru a preveni supra-descărcarea și ieșirea lui din funcție. Dacă la bornele acumulatorului tensiunea este mai mare decât cea stabilită, atunci circuitul de control deconectează convertorul Boost, astfel previne supraîncărcarea acumulatorului. La sarcina, circuitul de control monitorizează curentul ce curge spre sarcină, dacă valoarea lui este mai mare decât cea prestabilită, aceasta poate însemna scurt circuit sau este conectat un dispozitiv necorespunzător consumului de energie. În acest gaz circuitul de control va deconecta sarcina de la acumulator.

Fig.1.16. Schema bloc a dispozitivului

Ca acumulator sunt prevăzute acumulatoarele electrolitice de 12V, însă dacă este necesar această valoare poate fi micșorată sau mărită din programul controlerului în dependență de sistem și necesitate. Pentru a încărca acumulatoarele de tipul Li-In sau alcaline, este nevoie de un controler suplimentar, care ia în considerație nu numai tensiunea de la bornele acumulatorului, dar și temperatura și poate chiar și alti factori. Ca sarcină se poate folosi un invertor, un sistem de iluminare, un radio sau un alt dispozitiv electronic care poate fi alimentat de la tensiunea acumulatorului dat. Panoul fotovoltaic folosit pentru elaborarea dispozitivului dat este un ponou format dintr-o matrice de 40 elemente solare unite în serie, care în sumă dau la iluminarea completă aproximativ tensiunea maximă 18V și curent de până la 0,8A.