Conversia Energiei Solare In Energie Electrica

LUCRARE

DE LICENȚĂ

Conversia energiei solare în energie electrică

Cuprins

Capitolul I

1 Introducere

Capitolul II

2. Importanța surselor regenerabile

Capitolul III

3. Efectul fotoelectric

3.1 Conversia fotoelectrică energie solare

3.2 Electul fotoelectric în homojoncțiune p-n

3.3 Caracteristicile energetice ale fotocelulelor

3.4 Particularitățile heterojoncțiunilor semiconductoare

3.5 Particularitățile joncținilor metal-semiconductor

3.6 Factori limitativi ai eficienței celulelor solare

3.7 Pierderi de energie datorate recombinarii

3.8 Tipuri de celule solare

3.8.1 Celule solare cu siliciu

3.8.2 Celulele solare pe bază de sulfură de cadmiu

3.8.3 Celulele solare pe bază de GaAs

3.8.4 Celule fotovoltaice cu siliciu cristalin

3.8.5 Fotocelule cu siliciu amorf hidrogenat (a-Si:H)

3.8.6 Celule solare pe bază de CdS

3.8.7 Celule solare din GaAs

3.9 Noi tendințe in fabricația celulelor fotovoltaice

3.10 Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute prin efect fotovoltaic

3.11 Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu si alternative

3.12 Sistem hibrid pentru producerea și utilizarea simultană a curentului continuu și alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice

3.13 Sistem fotovoltaic racordat la rețea

Capitolul IV

4. Prezentarea instalației din laborator

4.1 Componentele principale

4.2 Sisteme conectate la linia electrică(conectate la rețea)

4.3 Curbele caracteristice a generatoarelor fotovoltaice

4.4 Modul de conectare a celor două module

4.5 Conexiunile electrice între module

4.6 Convenția semnelor privind curenții

4.7 Sistemul de control al transferului de putere între modulele fotovoltaice

4.8 Specificații electrice și curbele caracteristice

4.9 Diagrama electrică a interconexiunilor dintre celule

4.10 Determinări experimentale

4.10.1 Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic

4.10.2 Funcționarea în sarcină a instalației de conversie a radiației solare

Introducere

Energia primită de pământ de la soare a avut o importanța deosebită în apariția vieții. Lumina soarelui a remaniat atmosfera primitivă a pămantului saracind-o de dioxid de carbon și îmbogațind-o în oxigen. Prin fotosinteza, procesul în care lumina absorbită de clorofila este utilizată la sinteza unor compusi organici și eliberarea simultana de oxigen in atmosfera.

Locul și mareția soarelui în activitatea terestra sub toate formele sale, i-a conferit de-a lungul timpului statut de obiect venerat. Egiptenii antici aveau o concepție asupra lumii care plasa soarele în centrul universului. Ei adorau soarele cel mai presus zeu al lor, Ra, despre care afirmau ca a fost creatorul lumii. Aztecii și celelalte popoare din America Centrala au observat sistematic cerul si puteau să prevada eclipsele solare și lunare, ciclurile planetei Venus, miscarea aparenta a constelațiilor și alte eveniment ceresti. Înca din antichitate omul a utilizat energia solara : Heron din Alexandria a construit un dispozitiv pentru pomparea apei care folosea ca sursa primară de energie soarele ; despre Arhimede se spunea că a incendiat flota grecească folosind oglinzi care au concentrat razele soarelui pe panzele corabiilor. Castelul din Montezuma, din Arizona, construit în jurul anului 700 e.n. sub o intensa boltă de stancă, pare o constructie climatizata utilizând energia solara. Dar conceptul propriu-zis de energie termo – solara a aparut in 1787 cand omul de știinta elvetian Horace de Saaussure a inventat primul colector solar.

Deși efectul fotovoltaic a fost descoperit în anul 1839 de catre Edmond Becquerel și prima celula fotovoltaica a fost patentata in 1884 de un electrician din New York, Charles Edgard Fritts, istoria celulelor fotovoltaice moderne începe abia în anul 1954 cand, Bell Laboratories echipa Chapin, Fuell si Pearson construiesc prima celula fotovoltaica din siliciu. Primele celule fotovoltaice și-au gasit aplicație la alimentarea satelitilor artificiali. Aplicatiile terestre au urmat imediat : la început acestea au fost ce numim azi aplicatii profesionale, furnizand mici cantitați de energie unor echipamente de monitorizare si telecomunicații. Probabil una dintre cele mai atragatoare aplicații a aparut la sfarșitul secolului XX prin integrare celulelor fotovoltaice în elementele de acoperiș și fațada ale cladirilor, determinand o noua formă de centrala electrică și anume centrala distribuită.

Totuși este evident ca de-a lungul istoriei omenirea s-a orientat spre utilizarea altor surse de energie : lemn, apă, carbune, petrol. Acest fapt este explicabil datorită tehnologiilor simple și accesibile de exploatare a acestora. În plus și azi mai exista reticiente în a considera energia solară, sursa alternativă globală de energie.

Aparent, scepticii au argumente suficient de solide : dependența energiei solare de poziția geografică și esențial de condițiile climatice, discontinuitatea sursei datorită ciclului natural zi – noapte, dependenta de fenomene meteorologice aleatoare. Pe langă aceste fenomene naturale care nu pot fi influențate, exista o alta categorie de probleme legate de tehnologie care își asteaptă rezolvarea : randamentul nu poate fi ridicat de conversie a energiei solare în energie electrică ți problemă delicată a stocarii acesteia.

Ultimele decenii au dus o schimbare radicală în plan concepțional prin conștientizarea necesitații unei dezvoltari durabile a vieții economice și sociale, promovarea surselor regenerabile de energie fiind considerată un element cheie. Din aceste surse, electricitatea obținutâ prin conversia energiei solare pare una dintre cele mai promitatoare surse de energie.

În prezent, generatoarele fotovoltaice sunt o realitate, ele functionand pe întregul glob și chiar mai mult sunt unică sursă de energie a sateliților și Statiei Orbitale Internationale. De asemenea în multe țari se desfasoara programe ample de cercetare și subventionale pentru a determina preturi atractive de vanzare a energiei electrice obținute pe cale solara. Atât problema disponibilului de energie și implicit, a costului ei, cât și influența negativă a industriei energetice asupra naturii, au stimulat un intens efort de cercetare și inovare în acest domeniu de finalitate asupra solutiilor tehnice de producere și utilizare a energiei și în direcția implicarilor sociale și chiar etice a consumului de energie.

Unul din numeroasele aspecte, poate fi cel mai important, este utilizarea eficienta a energiei, procedeu garantat de reducere a cererii de energie raportată la dezvoltarea economică. Anii scurși de la prima manifestare cu caracter de criza din energetica mondiala – criza petrolului din 1973 – au fost bine folositi în acest sens de catre știința, care a reusit să pună la dispozitia consumatorilor tehnologii cu randament energetic sporit și cu consumuri specifice tot mai reduse. Aspectele enuntate doar, aici, cuprind, în fapt, o problematica foarte largă, complexa și importantă, care face obiectul stiintei energetice.

Energia este un factor indispensabil al oricarei activitați a omului în societate, este, în prezent mai scumpă și mai dificil de obținut decât în urmă cu un sfert de scol. Această realitate se manifestă, în condițiile complexe din lumea de azi, prin aspecte noi, atât cantitative, care privesc dimensiunile rezervelor de agenți energetici, cât și calitative, prin penetrarea unor surse de enrgie sau procedee de coversie a acesteia. Va puteți imagina viața fară televizor, automobil sau computer, fară posibilitatea de a va pregati zilnic hrana, fară încalzire în timpul rece al anului etc. ? Toate acestea sunt rezultatul activitații creative a savanților și inventatorilor, în special în ultimii 200 de ani. Toate acestea pot să dispară, pe parcursul primei jumatați a acestui secol, în urma epuizarii drastice a resurselor naturale de combustibili fosili.

Cresterea consumului de energie conduce la sporirea continuă a volumului extragerii combustibililor fosili, care asigura azi peste 85% din energia utilizată. În prezent, anual se consumă energie echivalenta a peste 11 miliarde tone de combustibil conventional sau 459 EJ (459 x 1018 J), din care doar 15,4% este de origine non fosilă. Deoarece populatia pe glob crește și concomitent, sporeste gradul de inzestrare cu energie a economiei, aceasta cifra este in continuă crestere, ceea ce va avea consecinte grave. Combustibilii cei mai acceptabili din punct de vedere economic – petrolul si gazele naturale – se presupune ca se vor epuiza în ccca 30-50.

Azi cea mai mare parte a energiei necesare pentru consumul zilnic este obtinută prin arderea combustibililor fosili – carbune, petrol și gaze naturale. Mai multe milioane de ani, descompunerea plantelor și animalelor a condus la formarea combustibililor fosili care, însa, practic s-au consumat pe parcursul doar a cca.200 de ani. Timp de milioane de ani, pe Terra s-a format atmosfera și întregul sistem vegetal și într-o perioadă tot de cca. 200 de ani, doar în special in 100 de ani, mediul a fost serios periclitat și s-a ajuns in pragul unei catasftrofe ecologice. În anul 1960 s-a produs și s-a consumat 3000 TWh de electricitate. În 1970 acesta a crescut pana la 6000 TWh. În anul 2000 au fost consumate 150000 TWh.

Chiar daca ar fi posibila reducerea la jumatatea a consumului de energie electrică în țarile industrial dezvoltate și creșterea, în același timp a consumului pe cap de locuitor în India, China ssa. Țari din lumea a 3-a doar cu 25%, cerere globală de energie electrică s-ar dubla fată de cea de azi. Ce surse de energie sunt necesare pentru a satisface aceste cerințe ? Creșterea producerii energiei electrice prin arderea combustibililor fosili tradiționali ar periclita și mai mult impactul ecologic. Speranța energeticienilor se bazează pe gasirea de noi soluții și procedee, care ar satisface necesitațile de energie ale omenirii în urmatoarele decenii sau secole. În prim plan au fost puse soluțiile legate de energia nucleară, însa, dupa avariile de la centralele Three Miles Island din SUA și Cernobil din Ucraina, s-a simțit necesitatea elaborarea unor soluții mai prietenoase mediului. Notiunea de eficiența energetică (sau optimizarea consumului de energie) a devenit la ora actuală, una din principalele preocupari ale omenirii la nivelul întregului mapamond. Odată cu prima criza petrolieră de la începutul anilor ’70.

Societatea umană a început să constientizeze din ce în ce mai mult necesitatea elaborarii unei strategii susținute de crestere a eficienței de utilizare a energiei și de implementare a programelor de eficiență energetica pe fondul diminuarii îngrijoratoare a rezervelor de combustibil fosili pe ale Terrei. Azi, putem vorbi de o politica energeticâ mondialâ și de o strategie concentrată de reducerea emisiilor poluante în atmosferă, fundamentate pe soluții tehnico-economice concrete de utilizare raționala a rezervelor de combustibili fosili (care dețin în continuare ponderea principală în producerea de energie) și de valorificare pe o scara tot mai larga a resurselor energetice regenerabile, așa numitele energii ‘’curate’’ sau energii neconvenționale, o alternativă la actualul sistem de valorificare energetica a resurselor combustibile ale Terra. Energiile regenerabile prietenoase mediului nu sunt azi în stare, însa, să acopere aceste necesitați mereu crescânde.

Aceste două probleme grave – criza energetica și impactul asupra mediului – reprezintă probleme globale ale omenirii, a caror solutionare cade pe umerii inginerilor. Pentru ca lumea este atât de dependentă de energie, pentru ca majoritatea populatiei Terrei folosește combustibili fosili pentru a-și satisface necesitațile energetice, fapt ce provoacă un grad înalt de poluare a mediului, apare strictă necesitate de a cauta surse noi de energie durabile și prietenoase mediului. Vor trebui găsite surse de energie care produc cea mai mica poluare posibilă. Deoarece sursele traditionale de energie utilizate poluează mediul ambiant, energiile regenerabile, practetenoase mediului. Notiunea de eficiența energetică (sau optimizarea consumului de energie) a devenit la ora actuală, una din principalele preocupari ale omenirii la nivelul întregului mapamond. Odată cu prima criza petrolieră de la începutul anilor ’70.

Societatea umană a început să constientizeze din ce în ce mai mult necesitatea elaborarii unei strategii susținute de crestere a eficienței de utilizare a energiei și de implementare a programelor de eficiență energetica pe fondul diminuarii îngrijoratoare a rezervelor de combustibil fosili pe ale Terrei. Azi, putem vorbi de o politica energeticâ mondialâ și de o strategie concentrată de reducerea emisiilor poluante în atmosferă, fundamentate pe soluții tehnico-economice concrete de utilizare raționala a rezervelor de combustibili fosili (care dețin în continuare ponderea principală în producerea de energie) și de valorificare pe o scara tot mai larga a resurselor energetice regenerabile, așa numitele energii ‘’curate’’ sau energii neconvenționale, o alternativă la actualul sistem de valorificare energetica a resurselor combustibile ale Terra. Energiile regenerabile prietenoase mediului nu sunt azi în stare, însa, să acopere aceste necesitați mereu crescânde.

Aceste două probleme grave – criza energetica și impactul asupra mediului – reprezintă probleme globale ale omenirii, a caror solutionare cade pe umerii inginerilor. Pentru ca lumea este atât de dependentă de energie, pentru ca majoritatea populatiei Terrei folosește combustibili fosili pentru a-și satisface necesitațile energetice, fapt ce provoacă un grad înalt de poluare a mediului, apare strictă necesitate de a cauta surse noi de energie durabile și prietenoase mediului. Vor trebui găsite surse de energie care produc cea mai mica poluare posibilă. Deoarece sursele traditionale de energie utilizate poluează mediul ambiant, energiile regenerabile, practic sunt lipsite de acest efect negativ de poluare al mediului.

Diversificare surselor de energie devine un imperativ economic si ecologic. Aceste energii alternative se numesc energii regenerabile. Sursele regenerabile de energie pot fi utilizate atât ca surse centralizate de energie, cât și, în mare parte descentralizate. Sursele descentralizate sunt deosebit de avantajoase, în special pentru consumatorii rurali sau izolati. În același timp conform informatiei ONU, cca. 2 miliarde de oameni nu au acces la energia electrică, iar cca. 40 de țari nu posedă rețele electrice nationale. De asemenea, costul retelei este mai mare în proporție de 4 : 1 sau mai mult fața de costul centralelor energetice. Din acest punct de vedere, propagarea surselor descentralizate de energie devine avantajoasă, fiind un element – cheie în programele de electrificare rurală și de reducere a saraciei în mediul rural.

Dintre dezavantajele sistemelor descentralizate de energie se numară instabilitatea functionarii acestor sisteme și imposibilitatea stocarii și redistribuirii energiei electrice, retele de distribuție avand și rolul de stocare a energiei electrice. Cu o faza clara a politicii și acțiunilor, prin contribuția expertilor internationali se configureaza tabloul statutului actual al impactului și potențialului de viitor al energiei regenerabile, care conține aspecte sociale, politice, economice, de mediu si tehnologice. O ațentie aparte se acorda potențialului energetic, istoriei dezvoltârii și elaborarii sistemelor de conversie a energiei regenerabile. Azi, Parlamentul European a declarat un semnal clar privind modul de promovare a energiilor regenerabile în UE până în anii 2020, pentru a atinge cota de 25% din energie primara. Privind în perspectivă Freeman Dyson de la Universitatea din Oxford argumentează că schimbarile tehnologice alterează fundamental aranjamentele noastre etice și sociale ca 3 tehnologii noi care se dezvoltă rapid energiile regenerabile, ingineria genetică și comunicarea globală – azi au potențialul de a crea o distribuție mai uniformă a sanătații globale.

Țarile în curs de dezvoltare care au surse reduse sau inadecvate de petrol și carbune care de asemenea, pentru rezolvarea unor probleme energetice au defrisat suprafețe întinse de paduri, sunt puse în situația de a utiliza resurse energetice neconvenționale ca cea solară, hidraulică, eoliană sau combinațe cu combustibili conventionali pentru o eficiența mai mare. Costul sporit asociat cu procurarea combustibilului, transportarea lui si mentenanța motoarelor, cuplate cu dificultatile de cuanticare a costurilor ecologice fac energiile regenerabile o alternativă atractivă la motoarele – generatoare bazate pe arderea combustibilului.

Eforturile cercetatorilor sunt orientate tot mai mult spre revitalizarea tehnologiilor existente cu scopul de a reduce consumul de energie și producerea deseurilor și de asemenea, utilizarea surselor neconventionale de energie acolo unde este posibil. Dorința de a avea procese de producere mai eficientă din punct de vedere a consumului de energie a apărut în special dupa criza energetică din 1970, care a condus la cresterea rapida a prețurilor. Pe parcursul a circa 200 de ani omenirea a creat un complex energetic grandios și greu de imaginat, care asigura serviciile fundamentale: iluminatul, încalzirea, refrigerarea, transportul, produsele tehnologice etc. Fără energie nu pot fi susținute standardele moderne de bunăstare, educație și sanatate. Totodată s-a recunoscut că energia modernă este vinovată de apariția a numeroase probleme de mediu. Va trebui gasit un compromis între cererea crescândă de servicii energetice și necesitatea acută de a proteja mediul ambiant. Este demonstrat că prin diverse procedee, cantitatea uriașă de energie, conținută în atomi și molecule poate fi eliberată și utilizată în diverse scopuri, iar în urma desfășurării acestor procese, materia utilizată ca “sursă de energie”, suferă transformări considerabile. Două dintre cele mai reprezentative exemple ale acestor genuri de transformări sunt producerea energiei electrice prin fisiune nucleară, respectiv explozia focoaselor nucleare, ambele procese reprezentând transformări ale materiei în cantități uriașe de energie.

În sistemele termodinamice, reprezentând tipul de sisteme care vor fi studiate în continuare, pot fi întâlnite mai multe forme de energie și numeroase tipuri de transformare a energiei dintr-o formă în alta. Cele mai importante surse de energie, utilizabile la ora actuală cu tehnologiile disponibile sunt reprezentate de combustibilii fosili, cele mai cunoscute tipuri de asemenea combustibili fiind petrolul și produsele obținute din acesta, gazele naturale și cărbunii. Disponibilitățile energetice actuale se pot împărți în două categorii și anume reserve energetice și resurse energetice. Rezervele energetice sunt surse de energie cunoscute, care pot fi exploatate în contiții de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente. Resursele energetice sunt surse de energie cunoscute, care însă nu pot fi exploatate în contiții de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente, dar care ar putea fi valorificate în viitor, dacă se vor dezvolta tehnologii adecvate, sau dacă vor deveni rentabile în urma creșterii prețului energiei.

Importanța surselor regenerabile

Energia este forța directoare a societații noastre. Problemele importante, precum schimbarile climatice, dependența sporită de petrol și de alți combustibili fosili și creșterea constantă a costurilor de energie determină întreaga civilizație să regândească modul în care se produce energia electrica și cum se consumă. Din acest punct de vedere, sursele de energie regenerabilă reprezintă o parte importantă a soluție pentru un viitor durabil al energiei.

Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăți umane, din ultimul secol, este creșterea tot mai pronunțată a consumurilor de energie, dar și dependența tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale și cărbuni. Energia solară este cea mai abundentă  resursă energetică de pe pământ și este disponibilă pentru utilizare în formele sale directe (radiație solară) și indirecte (vânt, biomasă, hidro etc.) Soarele emite energie la o rată de 3.8×1023 kW, din acest total doar o mică parte, aproximativ 1.8×1014 kW este interceptată de pământ care este situat la aproximativ 150 miloane kilometri față de soare. Despre 60% din această suma 1.08×1014 ajunge la suprafața pământului restul este reflectată înapoi în spațiu sau absorbite de atmosferă. Chiar dacă doar 0,1% din această energie ar putea fi convertite cu o eficiență de 0,10% patru ori capacitatea mondială de generare cu un total aproximati de 3000 GW. Privind la ea dintr-un alt mod, totalul anual de radiație ce cade pe pământ este mai mult de 7500 de ori din totalul anual de energie primară. Cu toate acestea, 80% din consum la nivel mondial este din combustibili fosili.

Fig. 2.1 Evoluția energiei la nivel mondial

Principalul avantaj al sistemelor de energie regenerabilă este contribuția intrinsecă nulă la extinderea gazelor cu efect de seră având în vedere că ele nu folosesc combustibili fosili.

Un avantaj suplimentar este ‘insensibilitatea’ la prețul combustibililor (“soarele răsare pentru nimic”). Această descrește costul de funcționare al sistemelor de energie regenerabile și reduce riscurile de funcționare. Chiar dacă prin ardere se biomasei elimină o cantitate de CO2, această cantitatea este absorbită de aceasta pe durata creșterii sale, bilantul fiind nul. În același timp aceste tehnologii nu produc deșeuri periculoase, iar demontarea lor la sfârșitul vieții , spre deosebire de instalațiile nucleare, este relativ simplă.

Dezavantajul major este investiția inițială în sistemele de energie regenerabile care adesea este mai mari decât pentru energie convențională. De exemplu, un sistem cu turbină cu gaz poate fi construit cu 500 EUR/kW, în timp ce pentru o turbină de vânt investiția este mai mare de 900 EUR/kW. Alte dezavantaje ale energiei regenerabile sunt cerințele specifice de nepredictabilitatea (imposibilitatea prognozării) puterii generate. Disponibilitatea energiei regenerabile (soare, vânt, apă) determină feazabilitatea sistemelor de energie regenerabilă. Impredictibilitatea resurse regenerabile implică costuri mai mari pentru echilibrarea rețelei electrice și menținerea rezervei de capacitate în eventualitatea că vântul scade sau crește brusc dincolo de zona de funcționare a turbinelor de vânt. Această problemă este deja întâlnită în zone cu un înalt nivel de penetrare, ca Germania și Danemarca. Un alt dezavantaj îl reprezintă impactul instalatiilor eoliene asupra peisajului, riscul de contaminare a solului și al scaparilor de metan la gazeificare, perturbarea echilibrului ecologic de către micro hidrocentrale sunt câteva dintre acestea. Cele mai discutate inconveniente sunt însa cele legate de suprafața de teren necesară și de intermitența și disponibilitatea lor.

În vara anului 2003, a fost una dintre cele mai secetoase verii europene, în ultimii ani mai multe operațiuni din centralele electrice, care funcționau pe bază de petrol și combustibil nuclear au fost puse în pericol din cauza lipsei de apă care folosea la racirea condesnsatoarelor. În alte parți ale lumii, uragane, tsunami pun în mare pericol centralele nucleare. Un caz concret este cel din 12 martie 2011 din Japonia, Fukushima când în urma cutremurului, sistemul de răcire al reactorului s-a avariat ce a produs întrerupt alimentarea cu energie electrică. Lipsa de petrol sau de gaze naturale poate iniția crize mondiale și conflicte în politica internațională.

Mai mult arederea combustibililor fosili de către omenire este cea mai importantă sursă a emisiilor de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care împiedică dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală.

Concentrația de CO2 din atmosferă este în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul de reținere a radiației solare, care va avea ca rezultat creșterea temperaturii medii a suprafeței terestre. Studiile oamenilor de știiță au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creștere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încalzire globală a atmosferei terestre de 2-60 C pâna la sfârsitul acestui secol, cu efecte dezastroase. Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă și oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creștere permanentă a concentrației de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm (parți la un milion) înainte de dezvoltarea industriala la 360 ppm în prezent. Estimând că la sfârșitul acestui secol populația globului va atinge circa 10 miliarde de locuitori, în condițiile unor drepturi de emisie uniforme pentru întreaga populație, pentru a nu depași concentrația de CO2 de 450 ppm în atmosfera, ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor sa se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru tarile dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră . Chiar și în ipoteza practic a dublării concentrației actuale de CO2 în atmosferă, pâna la 650 ppm, emisiile de CO2 în tarile dezvoltate ar trebui reduse de aproape 4 ori.

Doar o mică cantitate a combustibililor pe bază de hidrocarburi sunt biocombustibili, adică derivați din dioxidul de carbon din atmosferă, deci care nu contribuie, prin ardere, la creșterea cantității globale de dioxid de carbon. Întreaga lume este din ce în ce mai conștientă de riscurile produceri energiei din combustibili fosili încat este nevoie urgentă de a fundamentaliza bază durabilă. O contribuție majora la această transformare poate fi așteptată să vină de la radiația solară ca sursă primară în energetică. În mai multe regiuni ale lumi pot fi vazute aceste transformari posibile, nu numai la nivel tehnologic, dar de asemenea la nivelul politici. S-a efectuat o analiză de energie în conformitate cu nevoile și resursele de energie pe termen lung care indica faptul că în 2050 și 2100 o contribuție majoră în ponderea producerii energiei o aduce energie solară la nivel mondial. Acest scenariu se bazează pe recunoașterea faptului că este esențială mutarea pe lucruri de o durabiliate mare în înreaga lume, pentru a proteja sistemele naturale de viață. Desigur această nouă era solară poate fi imaginată în principal de progresele imense tehnologice facute în secolul trecut și cele în curs de desfașurare.

Până în 2100, petrol, gaze naturale, cărbunele și energia nucleară va oferi mai puțin de 15% din energie la nivel mondial, în timp timp ce consumul energiei termice solare și fotovoltaice va furniza aproximativ 70%. Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăți umane, din ultimul secol, este creșterea tot mai pronunțată a consumurilor de energie, dar și dependența tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale și cărbuni.

Având în vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe plan internațional au fost create numeroase organizații pentru studierea fenomenelor legate de evoluția consumurilor și rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioasă organizație de acest tip este The Association For The Study Of Peak Oil And Gas (ASPO). Asociația pentru Studiul Deficitului de Petrol și Gaze Naturale. Această asociație se autodefinește ca fiind rețea de oameni de stiință și alte categorii de persoane, interesați de identificarea informațiilor și impactului produs de deficitul petrolului și gazelor naturale. ASPO definește deficitul de petrol “peak oil” ca fiind diferența dintre cantitatea de petrol extrasă (producția) și cantitatea de petrol nou descoperită. Analog este definit deficitul de gaze naturale. În luna decembrie 2005, ASPO anunță că prin măsuri de reducere a consumurilor, respectiv a producției, nivelul deficitul de petrol înregistrat în anul 2004 mai poate fi menținut sub control o perioadă de numai 1-2 ani, dar este iminentă o criză ireversibilă a petrolului si a gazelor naturale.

Fig. 2.2 Evoluția producției de petrol si a noilor rezerve descoperite. ASPO 2004.

Destul de semnificativ, pentru deficitul actual al petrolului este faptul că în 10 noiembrie 2005 ASPO a anunțat că în Kuweit, după șase decenii de exploatare intensivă, cel mai important camp petrolier din această țară si al doilea din lume, a inceput să dea semne evidente de reducere a rezervelor de petrol pe care le conține. Acest fapt a fost recunoscut si de Kuweit, în martie 2006. Pentru a se putea continua exploatarea acestui al doilea zăcămant al lumii, s-a impus reducerea producției de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pe zi, după ce a trebuit abandonată o tentativa de a stabili nivelul producției la 1,9 milioane de barili pe zi, nivel al producției care s-a dovedit a fi prea ridicat.

Datorită existenței actualului deficit, pentru următoarea perioadă este estimată o reducere constantă a producției de petrol, începand cu anul 2010, așa cum este indicat în figura 2.2.

Creșterea consumului în perioada 2006 – 2010 poate fi explicată numai prin faptul că este necesar să treacă o perioadă de timp pană cand în economie, se vor putea lua măsuri eficiente de reducere a consumurilor.

2.3 Evoluția estimată a producției mondiale de petrol. ASPO 2006

În condițiile prezentate, apare ca explicabilă continuă creștere a prețului petrolului din ultima perioadă, așa cum se observă în figura de mai jos:

2.4 Evoluția prețului petrolului în perioada 1996 – 2005. ASPO 2006.

Spre deosebire de criza petrolului de la sfarșitul anilor ’70, încheiată cu scăderea prețului petrolului, se estimează că actuala tendință crescătoare a prețului este continuă și ireversibilă, iar impactul pe care acest preț îl va avea asupra economiei mondiale este dificil de estimat, dar va fi cu siguranță unul extrem de important. Analizand aceste estimări, se observă că timpul extrem de scurt, rămas pană la epuizarea resurselor existente, cel puțin in cazul petrolului și a gazelor naturale, impune găsirea unor soluții rapide și eficiente de înlocuire a energiei care se va putea produce pană atunci cu ajutorul acestor combustibili.

Aceste soluții sunt cu atât mai necesare cu cât consumurile de energie ale economiei mondiale sunt în continuă creștere și nu se estimează o reducere a acestor consumuri în viitorul apropiat. Pentru rezolvarea acestei probleme, singura soluție previzibilă este reprezentată de utilizarea energiilor regenerabile.

O altă problemă majoră a producerii energiei din combustibili convenționali, este reprezentată de nivelul ridicat al emisiilor de CO2, datorate proceselor de producere a energiei. Aceste emisii contribuie la accentuarea efectului de seră și la accelerarea modificărilor climatice conexe acestui fenomen. În figura 2.4, este prezentat nivelul acestor emisii.

Fig.2.5 Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferă

Analizând acest grafic, se observă că de la începutul epocii industriale, până în prezent, nivelul emisiilor de CO2, a crescut cu peste 30%. Pentru a justifica importanța problemei emisiilor de CO2, sunt prezentate în figura de mai jos valorile pagubelor produse din cauze naturale în perioada ianuarie – septembrie 2002, iar în figura 2.5, valorile pagubelor produse datorate modificărilor climatice, în perioada 1950 – 1999.

Fig.2.6 Valorile pagubelor produse din cauze naturale în ianuarie – septembrie 2002.

Se observă că pagubele produse de furtuni și inundații, care au legătură cu modificările climatice, sunt mult mai mari decat pagubele produse de cutremure, sau de alte evenimente. Este evident că modificările climatice din ultimii ani, caracterizați printr-un nivel crescut al emisiilor de CO2, au produs mult mai multe pagube decât în perioadele caracterizate de un nivel mult mai redus al poluării. Chiar daca nu demonstrează că emisiile de CO2 sunt responsabile de nivelul ridicat al pagubelor datorate modificărilor climatice, cele două grafice sugerează că este foarte posibil să existe o corelație între nivelul ridicat al emisiilor de CO2 și modificările climatice, cu impact negativ asupra mediului. Una din cele mai eficiente soluții pentru reducerea nivelului emisiilor de CO2, îl reprezintă utilizarea energiilor regenerabile, caracterizate printr-un nivel extrem de redus al acestor emisii.

Concomitent omenirea se confruntă cu alte probleme legate direct cu energetica – probleme ambientale sau de protecție a mediului. Mai întai criza ‘’Waldstreben’’ – moartea padurii, care a lovit europa începand cu anul 1982, cauzată mai cu seama de centrale termoelectrice, care ardeau carbuni. Poluarea atmosferei cu oxizi de azot NOx și de sulf SO2 provoaca așa – numitele ploi acide, care influențează negativ asupra padurilor. Apoi urmează în 1986 explozia de la centrala nucleară Cernobal din Ucraina, în urma careia un nor radioactiv se răspândește peste o mare parte din Europa. ‘’Sindromul Cernobil’’ a cauzat o revizuire a politicii în domeniul energeticii nucleare, urmează o stagnare și chiar o recesiune. În ianuarie 1999 sub presiunea Partidului Ecologist, Guvernul Germaniei elaboreaza un proiect de lege cu privire la închiderea tuturor stațiilor electrice nucleare. O relansare a sectorului energetic nuclear poate avea loc numai după o schimbare radicală a opiniei publice, majorarii fiabilitații reactoarelor și rezolvarii problemelor de reciclare a deseurilor radioactive. O alta realitate dură constă în poluarea atmosferei cu gaze cu efect de seră. Efectul de seră atmosferic este provocat de bioxidul de carbon, metan, vapori de apă și de alte gaze practic transparente la lumina vizibilă, dar absorbind radiațiile infraroșii, se comportă ca un filtru unidirectional – ele permit intrarea luminii vizibile, dar împiedică ieșirea radiațiilor infraroșii în direcția opusă, provocând o încalzire a suprafeței globului.

Acest fenomen nu are un caracter regional, ci global. Intamplator sau nu, dar în vara anului 1998 stațiile meteorologice ale SUA fixează cea mai mare temperatura a aerului din ultimii 123 de ani de când se efectuează masuratori meteorologice. Acest fenomen este fixat și în Romania – în august 1998 când se inregistrează cea mai înaltă temperatură în ultimii 112 ani – egală cu 380 C.

Evenimentele descrise mai sus demonstrează ca energia și mediul nu pot fi privite izolat și că protecția mediului este un criteriu de evaluare a politicilor energetice viitoare. Astfel apare ecuația celor 3 E : energy, economy, enviroment.

Rezolvarea reusită a acestei ecuații înseamnă o dezvoltare economică armonioasă și durabilă. Noțiunea dezvoltare economică durabila a intrat în uzajul contemporan la Conferinta De Janeiro în 1992, la care a fost adoptată Convenția Cadru asupra Schimbarilor de Climă. Convenția a fost semnată de mai bine de 160 de țari, inclusiv și Romania. Ea stipulează un șir de măsuri pentru a stabiliza concentratiile de gaze cu efect de seră în atmosfera și o eventuală o reducere a acestora. Prin dezvoltarea durabilă trebuie înteles un proces al dezvoltarii economice, care va avea ca rezultat o îmbunatațire a nivelului de viața al omenirii, fară a se deteriora ecosistemul planetei noastre. Aceasta înseamnă o folosire ordonată a resurselor naturale pentru care fiecare membru al omenirii sa aibă porția sa de mediul curat, precum și obligația sa de a se stradui, să-l îmbunatațească pentru a asigura copiilor săi o șansă decât a avut-o.

Componentele principale ale unei politici pentru o dezvoltare durabilă sunt clar definite :

reducerea dependenței de petrol ;

promovarea resurselor regenerabile de energie ;

conservarea solului ;

protejarea sistemelor biologice ale pământului ;

reciclarea materialelor.

La aceeași conferința de la Rio de Janeiro a fost pusă în discuție și problema costului poluarii mediului înconjurator. În vocabularul modern electro-energetic efectul de poluare a mediului a fost numit impact asupra mediului. Mai târziu, în decembrie 1995 la Lisabona în Protocolul Cartei Energiei privind eficiența energetică și aspecte asociate legate de mediu, impactul asupra mediului a fost definit astfel : ‘’impactul asupra mediului înseamna orice efect asupra mediului cauzat de o activitate data inclusiv asupra sanatații și sigurantei oamenilor, florei, faunei, solului, aerului, climatului, peisajului și monumentelor istorice sau al altor structuri fizice, sau asupra interacțiunii acestor factori; el include de asemena, efecte asupra moștenirii culturale sau condițiilor socio-economice rezultate din degradarea acestor factori’’. Costul pentru protecția mediului reflectă investițiile necesare pentru limitarea sau reducerea poluarii și se numesc costuri de mediu sau costuri externale.

Problemele legate de impactul asupra mediului devin obiectul discuțiilor la nivel mondial și regional. Pentru a evalua gravitatea problemei și pentru a ajuta pe cei care elaborează strategii în domeniul energiei ONU a format în anul 1988 Comisia Interguvernamentala pentru Modificarii Climaterice, care cuprinde mai mult de 150 de oameni de știința din toată lumea. Din cele mai importante rezultate ale lucrarilor mentionam adoptarea Protocolului un șir de state au luat angajamente de a limita sau micșora emisia de gaze cu efect de seră. Actiunea angajamentelor a intrat în vigoare începand cu anul 2008.

Avand în vedere că energia regenerabilă nu produce deloc poluare sau foarte puțin, utilizarea crescandă a resurselor regenerabile de energie va contribui atât la siguranța și diversificarea surselor de aprovizionare, cât și la protecția mediului.

Pe termen lung ele vor constitui sursa principală de energie care va fi mentinută. În prezent exista condiții de promovare a patrunderii surselor regenerabile de energie. Conversia, consumul și conservarea energiei. Una din legile fundamentale ale fizicii este legea conservarii energiei : în procesele fizice, energia nu poate fi distrusă sau diminuată, ea poate fi doar convertită (transformată) dintr-o formă de enegie în alta. În acest context apare întrebarea : ce este energia primară și consumul de energie? Consumul de energie presupune urmatoarele : se convertește energia chimică stocată în carbune, petrol, gaze naturale, lemne sau energia stocată în nucleul atomic, sau energia cinetică și gravitațională a apei, sau energia cinetică a vântului, sau energia radiației solare în caldură și lumina pentru locuințele noastre.

În energie electrică pentru a pune în mișcare mașinile, uneltele, în energie cinetică pentru a mișca vehiculele. Astfel spus consumul de energie este echivalent cu conversia energiei.

Conservarea energiei nu înseamnă altceva decât producerea mai multor bunuri materiale și prestarea mai multor servicii convertind o cantitate mai mică de resurse energetice primare în caldură, energie electică, lumina (energie electromagnetică) etc..

Cantitatea de energie primară este de circa 3 ori mai mare decât energia electrică produsă. Energia utilă este cu mult mai mică decât energia electrică produsă. Energia primară constituie toata energia conținută în sursa originală. În prezent sursele principale originale sunt combustibilii fosili (carbunele, petrolul și gazele naturale), biocombustibili – lemne de foc, deseuri lemnoase, deseuri agricole, balegar etc.. Aici se poate adauga energia hidraulică și geotermală și alte surse regenerabile de energie cum este cea solară și eoliană, precum și energia nucleară. Consumatorul este interesat în satisfacerea necesitaților energetice – să aiba energie termică pentru încalzire și prepararea bucatelor, energia electrică pentru iluminat, transport și producerea bunurilor materialelor.

Pentru un consumator este esentială cantitatea de energie livrată, forma de energie utilă de care are nevoie, valorile pierderilor de energie și costurile energiei livrate. Pentru sistemele bazate pe surse fosile de energie, cele mai mari pierderi se îinregistreaza la producerea energiei electrice (cca. 66%), urmate de pierderile în retelele de transport și distribuție și pierderile la consumator. Ultimele pot fi destul de mari, daca randamentul consumatorului este mic. De exemplu, pentru un bec cu incandeșcență, eficiența globala a conversiei energiei este egală doar cu 1,5% ; astfel spus, dintr-o sută de unitați de energie primară se folosesc util numai 1,5 unitati, celelalte 98,5 unitati provoaca poluare termică si cu gaze cu efect de sferă al atmosferei.

Statisticile naționale și internaționale publică date cu privire la producerea și consumul diferitelor tipuri de surse energetice. Datele sunt prezentate atat în unitați de masură naturale, cât și unitați de masură conventionale. La efectuarea calculelor economice, determinarea eficienței energetice și consumului specific de energie etc.. Se operează cu noțiunea ‘’consum de resurse primare de energie’’, care înclude toate formele de energie consumată – fie combustibil, energia electrică sau termică obținută din surse fosile, energia electrică nucleară sau hidraulică, energia diferitelor tipuri de biomasă, energia geotermală, solară, eoliană etc..

Pentru producerea energiei electrice în centralele electrice termice (CET : energia combustibului fosil se transforma în energie termică a aburului, apoi în energie mecanică și în sfarșit în energie electrică) se determină ca rezultat al înmultirii cantitații de energie electrică produsă la 3 sau al împarțirii la 0,33 care de fapt este randamentul mediu al CET-ului ; contribuția energiei primare hidraulice eoliene sau alte surse regenerabile la producerea energiei electrice se consideră echivalentă cu cantintatea de energie electrică. Alfel spus în cazul producerii energiei electrice din surse regenerabile nu se ia în consideratie randamentul procesului de conversie.

Evident, și în cazul al doilea, valoarea randamentului procesului de conversie al energiei solare are o importanța majoră. Cu cat este mai mare randamentul, cu atât costul unei unitați de energie electrică produsa va fi mai mic.

Și în acest caz, eficiența globală a conversiei energiei se determină ca fiind raportul dintre energia utilă și energia primară solară incidentă pe suprafața modulului celulei fotoelectrice. Energia utilă este relativ mai mare decât în cazul utilizarii energiei primare fosile. Convenția de tratare a noțiunii de energie primară acceptata mai sus urmarește să accentueze faptul că la producerea unei unitați de energie electrică dintr-o sursa regenerabilă, se va cheltui aceeași unitate de energie primară care circulă în mediul ambiant și care nu schimbă echilibrul natural.

Conform celor mai optimiste prognoze efectuate de Oil & Gas Jurnal, World Oil aceste rezerve de combustibil fosil vor ajunge pentru urmatoarele perioade : 32 de ani – petrol, 72 de ani – gas, 252 ani carbune. Calculele au fost efectuate pentru un consum zilnic constant de combustibili, raportat la anul 2002. Gazul natural este considerat cel mai favorabil mediu dintre combustibilii fosili si ar putea fi partial o solutie a problemei incalzirii climei si poluarii atmosferei.

Un domeniu de perspectiva privind utilizarea gazului natural in viitor ar putea fi obtinerea mai eficienta a hidrogenului din metan (CH4), necesar pentru functionarea pilelor de combustie, care vor inlocui treptat motoarele cu ardere interna.

Efectul fotoelectric

Efectul fotovoltaic constă în producerea unui curent electric ca urmare a absorbției radiației electromagnetice(fotoni). Acest efect cunoaște aplicații importante în semiconductori, unde generarea de purtatori de sarcină liberi (electroni, goluri) este semnificativă în raport cu numarul purtatorilor generați termic. Daca în semiconductor exista un câmp electric intens (ca în cazul jonctiunilor n-p în siliciu) atunci electronii generați ca urmare a absorbției radiației (fotoelectroni) vor fi condusi într-un circuit exterior, generându-se, astfel, energie electrică.

A. E. Becquerel descoperit efectul fotovoltaic în anul 1839, la iradierea unor electrozi de argint în electrolit, si descris de W. Adams si R. Day pentru electrozi de seleniu în 1877. Târziu, dupa descoperirea tranzistorului (1948) și elaborarea teoriei Shockley (1949), s-a realizat prima celulă solară cu randament de 6% (D.M. Chapin, C.S. Fuller si G.L. Pearson, de la Bell Laboratories – SUA, 1954). Pâna în anul 1973 (prima criză a petrolului) celulele solare s-au utilizat mai mult în aplicații spațiale. Pâna la începutul anilor ’90 producția mondială de celule solare (aproximativ 50 MW/an) era complet nesemnificativă la nivelul consumului de electricitate global. Materialele semiconductoare policristaline cu structura calcopiritica au o largă utilizare în heterojonctiuni pentru fabricarea celulelor solare. Interesul pentru acest tip de materiale a aparut datorită proprietaților lor optice – în special absorbția optică – astfel încât, grosimi de strat de ordinul a 1µm sunt suficiente pentru absorbția eficientă a luminii solare și pentru obținerea unor eficiențe de conversie comparabile cu cele ale celulelor solare cu siliciu monocristalin. Economia de material ce rezultă de aici, combinată cu procedee tehnologice pretabile la obținerea de suprafețe mari, duc la reduceri esențiale ale costurilor de fabricație pentru celulele și modulele solare, condiție obligatorie pentru aplicarea pe scară largă a conversiei fotovoltaice a energiei solare.

Exceptând sursele nucleare de energie, toate celelalte surse de energie de pe planeta noastră își au originea în energia solară. Centralele termice cu combustibili fosili, centralele hidroelectrice, generatoarele eoliene și centralele utilizând energia mărilor și oceanelor convertesc indirect energia solară în energie electrică.

Lumina directă a soarelui este cea mai abundentă sursă de energie de pe glob. O parte este absorbită de atmosferă și se regăsește sub forma energiei eoliene, dar în medie 1.353 kW/m2 din această energie cade pe suprafața pământului, bineînțeles cu valori mai mari la ecuator și în zone deșertice.

Utilizarea directă a energiei solare se face de mult timp folosind captatoare solare cu sau fără concentratoare pentru încălzirea apei, pentru încălzirea aerului, pentru topirea metalelor, pentru uscarea diferitelor produse agricole sau industriale și pentru producerea de energie electrică în centrale termice solare. Este cunoscută legenda cu oglinzile lui Arhimede, cu care ar fi incendiat corăbiile inamice.

Există state, Israelul, SUA, Australia și Japonia, care au montate milioane de captatoare solare fiecare, pentru producerea apei calde. Există multe central termice solare care produc energie electrică, cu puteri de sute de MW fiecare, dar costul energiei electrice produse nu a putut fi scăzut sub 10 cenți pe kWh față de 5 cenți în centralele electrice clasice

Dar cea mai interesantă cale de utilizare a energiei solare este conversia ei directă în energie electrică. Există mai multe modalități de utilizare directă a energiei solare: conversia fotovoltaică, conversia termoelectrică și conversia termoionică. Dintre acestea, conversia fotovoltaică se pare că are cele mai mari posibilități de a deveni o tehnologie alternativă la modul clasic de producere a energiei electrice în condițiile actualei crize energetice.

Celula fotovoltaică a fost salvată de la obscuritate de cursa spațială Statele Unite – Uniunea Sovietică din anii ’60. În scopul găsirii unui mod practic de alimentare cu energie electrică a sateliților, s-au alocat fonduri importante de cercetare și firme ca: Texas Instruments, RCA și Heliotek au reușit să scadă prețul acestor celule fotovoltaice de peste 10 ori.

Criza energetică din anii ’70 a adus multe miliarde de dolari în progresul acestei tehnologii fotovoltaice (FV), pentru a o folosi și în aplicații terestre. În anii ’80 erau larg răspândite în stații ți relee telefonice, în faruri izolate și cabine telefonice rutiere etc., deși costul unui kWh produs încă nu a scăzut sub 20 cenți. Au crescut vânzările de celule fotovoltaice de la 6 MW în 1980 la 29 MW în 1987 și 60 MW în 1983. În prezent marea majoritate a ceasurilor de mână și a calculatoarelor de buzunar din lume au o astfel de sursă de energie. Un nou avânt al acestei industrii este iminent: electrificarea rurală în țările lumii a treia. La Congresul Mondial al Energiei din 1995 de la Tokio s-a afirmat că 40% din populația actuală a lumii nu are nici un acces la o energie comercială, populație aflată în țările subdezvoltate ale lumii a treia. Guvernele acestor țări în loc să subvenționeze extinderea rețelelor electrice clasice spre zonele rurale, industria lor energetică nefiind competitivă cu a țărilor dezvoltate, ar putea găsi mai eficientă tehnologia FV, ceea ce ar echivala cu o revoluție în domeniul energetic. Există lanterne solare care folosesc un panou solar de 2.6 W pentru încărcarea unei baterii pe timpul zilei și care poate aprinde două lămpi fluorescente pe timpul nopții. Acest produs este accesibil ca preț și familiilor cele mai sărace.

Utilizarea sistemelor electrice solare în gospodăriile rurale crește și în țările industriale. Astfel un sistem FV de 2500W – suficient pentru a alimenta iluminatul, mașina de spălat, frigiderul, radioul, televizorul și computerul unei locuințe costă mai puțin de 15000 de dolari, inclusiv panoul fotovoltaic, becuri, cabluri, baterie de înmagazinare a energiei și instalația de reglare. Norvegia avea în 1993 peste 50000 de case rurale alimentate cu celule fotovoltaice și o situație similară se întâlnește în Japonia, Spania, Elveția și SUA.În Germania se derulează programul celor 100000 de acoperișuri solare. În Israel pot fi văzuți stâlpi de iluminat stradal echipați cu mici panouri solare, care ziua acumulează energie electrică și noaptea asigură iluminatul stradal. Japonia intenționează să asigure 30% din consumul rezidențial de instalații fotovoltaice (250 MW în anul 2000 și 4600MW în anul 2010), Germania 10% până în anul 2010, SUA 15% din consumul rezidențial până în 2010 și 100% în următorii 25-40 de ani după 2010. Reducerea costurilor celulelor fotovoltaice este așteptată în continuare și ca urmare o mai largă utilizare a acestei tehnologii.

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe material semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspandit în scoarța terestră, reprezentand cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantități suficiente, fiind astfel și ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.de valență pentru că acestia să devină liberi, adică pentru a putea trece pe banda de conducție.

Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiația solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum mai sunt numiți acestia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valență, energia necesară pentru a depăsi “bariera energetică” și a trece pe banda de conducție. Acest fenomen se produce in celulele fotovoltaice. Soarele reprezintă sursă de energie a Pamântului, contribuind la menținerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K întâlnită în spațiul interplanetar și este singura sursă de energie capabilă să întrețină viața pe Pământ. Soarele poate fi considerat ca o sferă având diametrul de cca. 1.4 milioane km aflată la o distanță de cca. 150 milioane km de Pământ. Această distanță este atât de mare încât două drepte care pornesc dintr-un punct de pe suprafața Pământului spre două puncte diametral opuse ale discului solar, formează un unghi de aproximativ o jumătate de grad. Cu toate că radiația solară este emisă în toate direcțiile, se poate considera că razele solare care ajung la suprafața Pământului sunt paralele. În miezul Soarelui se desfășoară în continuu reacții de fuziune nucleară, prin care hidrogenul este transformat în heliu.

În prezent compoziția masică a Soarelui este de cca. 78.5% hidrogen, 19.7% heliu, 0.86% oxigen și alte elemente în concentrații mai reduse. Viteza de conversie a hidrogenului în heliu este de cca. 4.26 milioane tone pe secundă.

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

Intensitatea radiației solare care ajunge la suprafața pământului este mai mică decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, chiar și în condiții de cer senin, intensitatea radiației solare este redusă treptat pe o direcție perpendiculară la suprafața Pământului, cu cca. 15…30% in funcție de perioada din an.

În anul 1921 fizicianul Compton a confirmat pe deplin teoria cuantelor de limină prin observarea fenomenului de difuzie a fotonilor din razele X pe electroni. În anul 1927 el a primit preminul Nobel în Fizică pentru descoperirea efectului cuantic care îi poartă numele. El a determinat mișcarea unui foton înainte și după ciocnirea lui cu un electron, arătând că fotonul are impuls și energie. Dispozitivul experimental utilizat de Compton, constă dintr-o sursă de raze X care emite radiație spre un bloc de grafit. Se obține o radiație difuzată sub un anumit unghi, θ, ce este captată de un detector. Razele incidente au lungimea de undă λ.

Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiației solare, la traversarea atmosferei, sunt în principal absorbția și difuzia. Modificările produse de atmosfera, asupra radiației solare, sunt sugerate în figura 3.1.

Fig 3.1 Schema interacțiunilor dintre energia solară și atmosfera, respectiv suprafața terestră

Chiar și în condiții de cer senin, radiația care ajunge la suprafața Pământului, din toate direcțiile în urma fenomenului de difuzie, denumită și radiație difuză, reprezintă 5…15% din valoarea fluxului de radiație solară care ajunge la suprafața Pământului fără a fi afectată de acest fenomen, denumită radiație directă. Împreună, radiația directă și cea difuză, reprezintă așa numita radiație totală. În timp ce traverseză atmosfera, radiația solară este parțial absorbită de anumite gaze coponente ale acesteia, în special pe anumite lungimi de undă.

Difuzia este fenomenul fizic în urma căruia, anumite forme de radiație, cum sunt lumina, sunetul sau particule în mișcare, sunt determinate să devieze de la traiectoria rectilinie, de una sau mai multe neuniformități (imporități) localizate în mediul pe care acestea îl traversează. Uzual, radiația difuză include și radiația deviată față de unghiul determinat de legile reflexiei. Radiația Rayleigh (denumită astfel după fizicianul englez Lordul Rayleigh) este difuzia elastică a luminii sau altor forme de radiație electromagnetică, determinată de particule cu dimensiunea mult mai mică decât lungimea de undă a acelei radiații, care pot fi reprezentate de atomi sau molecule individual.

Acest tip de difuzie se poate manifesta când lumina traversează solide și lichide, dar este cel mai adesea întâlnită în gaz.

Radiația Rayleigh este influențată de polarizarea electrică a particulelor. Difuzia Rayleigh produsă de atmosferă asupra radiației solare, este responsabilă de culoarea albastră a atmosferei. Difuzia Rayleigh împreună cu difuzia datorată norilor, reprezintă componente ale radiației difuze. Radiația directă este acea componentă a radiației totale care ajunge la suprafața pământului, fără a fi afectată de fenomenele de difuzie.

Atmsofera terestră absoarbe aproape complet radiația X și o mare partye din radiația ultraviolet (UV). Unele componente ale atmosferei (vapori de apă, O2, CO2, și alte gaze) contribuie la absorbția parțială a radiației solare. În general, radiația absorbită este transformată în căldură, care este retransmisă în atmosferă sub formă de radiație difuză, în toate direcțiile. Prin acest proces, atmosfera se încălzește și produce la rândul ei o radiație cu lungime de undă mare, denumită radiație atmosferică sau radiația bolții cerești.

În figura 3.2 sunt prezente variația intensității radiației totale, respectiv a componentelor directă și difuză, măsurate la Cluj-Napoca, în data de 17 octombrie 2010, în condiții de cer senin.

Fig. 3.2 Variația intensității radiației totale

Pe lângă cele două fenomene de difuzie și absorbție, o parte a radiației solare este reflectată de atmosferă sau de unele componente ale acesteia (molecule de aer sau anumite tipuri de nori). În urma reflexiei, o altă parte a radiației solare este disipată prin mecanismul difuziei Rayleigh.

Datorită mecanismelor de difuzie, absorbție și reflexie prezentate, în condiții de cer senin și fară poluare, în zonele din Europa de vest, centrală și de est, de regulă valoarea radiației solare măsurate în plan orizontal nu depășește 1000 W/m2.

Intensitatea radiației solare este influențată de următorii parametrii importanți: poziția Soarelui pe cer (unghiul dintre razele solare și planul orizontal), unghiul de înclinare a axei Pământului, modificarea distanței dintre Pământ și Soare.

În figura de mai jos este reprezentată variația intensității radiației solare în funcție de poziția Soarelui, adică unghiul format de direcția razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situații atmosferice.

Fig.3.3 Variația intensității radiației solare în funcție de direcția razelor solare, pentru diferite situații atmosferice

3.1 Conversia fotoelectrica a energiei solare:

Transformarea directă a energiei radiate solare în energie electrică are loc prin intermediul unor fenomene care se produc în structura cristalină a unor corpuri solide, în urma absorbției fotonilor care compun radiația incidenă, fenomene care constituie efectul fotoelectric, se deosebesc:

Efectul fotoelectric intern, manifestat la unele metale, constand în extragerea electronilor de conducție din metal

Efectul fotoelectric intern, contretizat în generarea de purtători de sarcina (electroni și goluri) în interiorul unor material semiconductoare.

Cercetările teoretice și experimentale au aratat că, pentru conversia energiei la scară mare, prezintă interes numai efectul fotoelectric intern. Dispozitivele realizate pentru utilizarea acestui fenomen se numesc celule solare(fotoelectrice, fotovoltaic). Din punct de vedere structural, celulele fotoelectrice sunt formate din două zone, realizănd o jonctiune, care poate fi de mai multe tipuri:

homojoncțiune, în care cele două zone sunt formate din accelaș material semiconductor, avănd tipuri de conducție diferiteș;

heterojoncțiune, în care cele doua zone sunt formate din material semiconductor diferite, avănd de asemenea tipuri de conductive diferite:

joncțiune metal-semiconductor(celulă Schottky)

jonctiune electrolid-semiconductor.

Principalele fenomene care formează conversia fotoelectrică se pot explica cel mai simplu în cazul homojoncțiuni semiconductoare.

3.2 Electul fotoelectric în homojoncțiune p-n:

Se consideră o structură formată din două zone, cu conducție de tip p și n. Deși ambele zone, în ansamblu, sunt neutre din punct de vedere electric, ele conțin purtători de sarcină liberi, de ambele semene, dar în proportii diferite, purtătorii majoritari atribuind si denumirea zonei respective (electroni pentru zona n și golurile pentru zona p). Datorită agitației termice, purtătorii de sarcină difuzează, trecănd prin joncțiune, ceea ce este echivalent cu circulația unor curenți prin aceasta.

Difuzia purtătorilor majoritari crează, pe o anumită distanță de la joncțiune, căte un strat de sarcini electrice de aceleași semn (- în zona p si + în zona n), numit strat de baraj, ca urmare aparănd o barieră de potențial de înalțime Ei și un camp electric orientat în n spre p.

Acest camp electric frănează difuzia în continuare a purtătorilor majoritari și favorizează circulația purtătorilor minoritari. În prezența barierei de potențial, intensitățile curenților care circulă prin joncțiune se pot exprima, în principiu:

curentul de electroni din zona p catre zona n: I1=k1n1 (3.1)

curentul de goluri din zona n catre p: I2=k2n2 (3.2)

curentul de electroni din zona n catre zona p:I3=k3n3.e-qEi/KT (3.3)

curentul de goluri din zona p catre zona n: I4=k4n4.e-qEi/KT (3.4)

Fig. 3.4 Structura, circulația de curenți și benzile energetice pentru homojoncțiunea p-n.

În care … sunt constant, iar … sunt concentrațiile purtatorilor de sarcină respectivi. Curentul total prin joncțiune:

I= -(+)+(+) e-qEi/KT (3.5)

în echilibru trebuie sa fie nul. Deci: += (+)e-qEi/KT (3.6)

Dacă joncțiunii i se aplică o tensiune exterioară, U, în sens direct(+ la p și – la n), înalțimea barierei de potențial se reduce cu mărimea tensiunii aplicate, ceea ce favorizează circulația purtătorilor de sarcină majoritari. Curentul prin joncțiune, în cazul polarizarii directe se poate scrie:

I0=-(+)= (+)e-qEi/KT (3.7)

În cazul polarizării inverse, înalțimea barierei de potențial crește, ceea ce împedica circulația purtătorilor de sarcină majoritari și de asemenea nu afectează circulația purtătorilor minoritari. Pentru polarizări inverse mari, circulația purtătorilor majoritari dispare, rămânand numai un curent invers al purtătorilor minoritari.

= + (3.8)

Ținand seama de egalitatea: (3.6), curentul prin joncțiune, în cazul polarizarii directe, devine:

=I0 . (-1) (3.9)

În continuare, considerând joncțiunea nepolarizată, dar supusă unei radiații monocromatice, avand cuanta de energie a fotonilor mai mare decăt înaltimea zonei interzise a semiconductorului , în celulă ce generează perechi de purtători de sarcină liberi, electron-gol. Dacă acestea sunt generate în zona de influență a cămpului electric intern sau pe distanța cel mult egală cu lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină, ei vor putea fi dirijați către campul intern astfel:

golurile catre regiunea p

electronii catre regiunea n

Prezența electronilor suplimentari în regiunea n și p a golurilor suplimentare în regiunea p produce o micsoare a barierei de potențial cu o cantitate egală cu tensiunea fotoelectrică, analog polarizari directe a joncțiunii aflate la întuneric. Ca urmare, prin joncțiune va trece curentul de diodă într-un sens și curentul de iluminare în sens contrar, astfel încat curentul total în acest regim va fi:

=(-1)- (3.10)

În această expresie, U este tensiunea fotoelectrică, care se stabilește la bornele celulei, polarizând-o în sens direct. În cazul ideal, valoarea maximă a acesteia(la mersul în gol) ar corespunde dispariției totale a barierei de potențial, iar tensiunea de mers în gol ar fi cu atât mai mare cu cât doparea semiconductorului ar fi mai mare. În realitate, în toate cazurile U0<Eq și în cele mai bune situații U0 ≈2/3 Eq. Aceasta se întâmplă din cauza că, la dopări prea mari, curentul invers crește pe seama efectului tunel.

Din expresia curentului (3.10) rezultă că, în regim de iluminare, caracteristica U – I a fotocelulei se obține deplasând de jos caracteristica diodei polarizate direct la intuneric cu mărimea . Aparea astfel în cadranul IV o porțiune a caracteristici pentru care P=U*I<0 ceea ce, conform convenției din termodinamică, înseamnă că celula este generatoare de energie.

Pe baza expresiei (3.10) se poate stabili schema echivalentă a unei fotocelule, ca în figura 3.5. Schema cuprinde o sursă de curent constant IL (pentru o iluminare constantă), care debitează pe rezistență neliniară a joncțiuni p-n, polarizată direct și pe rezistența de sarcina R.

Fig.3.5 Schemele electrice echivalente ale fotocelulelor

O schemă mai exactă curinde, în plus, două rezistențe: Rp- rezistență în paralel, care reprezintă rezistența dintre contactele celulei pe suprafața acesteia și o rezistență serie Rs, care modelează rezistența internă a celulei, datoarată în special zonelor în care purtătorii generați de lumină nu sunt dirijați de catre câmpul intern al celulei.

3.3 Caracteristicile energetice ale fotocelulelor

a) Intensitatea curetului de scurtcircuit (petru U=0)

Isc=IL (3.11)

Curentul de scurtcircuit este determinat de numarul purtătorilor de sarcină generați prin absorbția luminii, care pot ajunge pănă la joncțiune. Acest numar poate fi exprimat ca o fracțiune y din numarul total de fotoni incidenți, astfel că:

= ye(3.12)

Fig. 3.6 Caracteristicile externe pentru homojoncțiunea

p-n polarizată direct (1) și iluminată(2)

Rezulă ca intensitatea curentului de scurtcircuit este direct proporțională cu intensitatea radiației luminoase incidente.

b) Tensiunea de mers in gol (pentru =0)

Din relația se obține:=(-1)=,=/,astfel că: (3.13)

Această relație arată ca tesiunea de mers în gol variază logaritmic radiației incidente, astfel încât manifestă o tendință de încetinire a creșterii (similar cu o saturare).

c) Puterea debitată de celulă se exprimă ca:

P=U=U [-(-1)] (3.14)

Și reprezintă, în fig. 3.6 aria dreptungiului corespuzător coordonatelor punctului de funcționare. Pentru un anumit punct de funționare M, această arie este maximă. Parametrii corespuzători punctului M se determină astfel:

Tensiunea UM, din condiția dP/dU=0. Rezultă o ecuație implicită, care se rezolvă numeric, cu aproximare.

– (-1)-U =0, +-(1+)

/+1=(1+qu/kT), ln(+1)=qU/kT+ln(1+qU/kT)

(3.15)

Curentul corespunzător puterii maxime se determină introducând rezultatul (3.15) în (3.10)

=-(=[

Rezultă în final: =+) (3.16) iar puterea maximă debitată de celula va fi:

(3.17)

d) Factorul de umplere al fotocelulei f= p/ UI. Se obține :

(3.18)

Cu cât acest factor este mai apropiat de unitate, caracteristică externă a celulei este mai rectangulară, ceea ce este mai util în expluatare, pastrandu-se constantă tensiunea pentru diferiții curenți de sarcină.

e) Randametul celulei(eficiența energetica) se definește ca raportul dintre puterea furnizată(electrică) și puterea incidentă(radiată).

Puterea incidentă pe unitate de suprafață se poate exprima:

P= (3.19)

în care:

este fluxul de fotoni(fot./m2s), =n;

em este energia media a unui foton;

n este voncentrația fotonilor (fot./m3)

c este viteza de deplasare a fotonilor(m/s).

În cazul puterii furnizate maxime (3.16), rezultă:

(3.20)

Eficiența energetică a fotocelulelor depinde de lărgimea zonei interzise a semiconductorului, Eg Numărul de fotoni din spectrul solar având energii hυ> Eg scade pe masură ce Eg crește, iar ca urmare, IL scade. Pe de altă parte, UM crește pe măsura creșterii lărgimii zonei interzise, în principal datorită cresterii tensiunii de mers în gol, dar și prin scăderea curentului invers. Datorită acestor două efecte contrare, eficiența maximă a celulei, în funcție de Eg va trece printr-un maxim, pentru un anumit conținut spectral al radiației incidente.

Luând în considerare spectrul energetic solar rezultă, teoretic, că eficiența maximă a fotocelulelor se poate obține, la 00C, pentru semiconductoarele care prezintă 1,1< Eg <1,9 eV. Cele mai potrivite materiale, din acest punct de vedere sunt date mai jos:

Tab.3.1

Cu cât temperatura crește, maximul ficienței se deplasează către valori Eg mai mari, cu toate că, în ansamblu, eficința scade. Curentul invers crește exponențial cu temperature, iar tensiunea de mers în gol variază invers proporțional cu aceasta. Influența temperaturii este cu atât mai mare, cu cât Eg este mai mic.

3.4 Particularitățile heterojoncțiunilor semiconductoare

Heterojoncțiunile se formează prin contactul a două materiale semiconductoare diferite atât ca natură cât și prin tipul de conducție. Datorită materialelor diferite, diferă lărgimile zonelor interzise în cele două materiale ca și alți parametri fizici precum constantele rețeleor cristaline, coeficienții de dilatare termică, afinitățile electronice, costantele dielectrice, etc.. Datorită lungimii diferite a zonelor interzis, în regiunea de contact apar discontinuităția la benzilor energetice de conducție și de valență.Bariera de potențial pentru goluri este diferită de accea pentru electroni. În general, barierele de potențial pot avea forme mai complicate (cu vârfuri și văi). Din aceste motive predomină curentul datorat unui singur tip de purtători. În cazul heterojoncțiunilor înalțimea barierei de potențial este limitată la o fracțiune din Eg,deoarece se adauga și contribuția dicontinuităților din zona de contact.

Ca urmare tesiunea de mers în gol va putea fi mai mare, ceea ce constituie un mare avantaj. Prezența unor fenomene care coduc la creșterea curentului invers (efect tunel) face ca marirea randamentului să nu se facă în aceeași măsură. Totuși, cele mai mari randamente teoretice și practice s-au obținut în cazul heterojoncțiunilor.

Tab. 3.2 Randamentul fotocelulelor cu heterojoncțiuni

3.5 Particularitățile joncținilor metal-semiconductor:

Formarea stratrului de baraj, care imprimă comportamentul de diodă redreseoare acestei joncțiuni se doreste, în acest caz, efectul de emisie teromoelectrică a celor două materiale. Petru a se realiza acest strat, trebuie îndeplinite anumite condiții cu privire la marimile lucrului de ieșire al electronlui din metal (Lm), respectiv din semiconductor (Ls). Astfel:

în cazul joncțiunii metal-semiconductor(n), trebuie ca:

Lm > Ls

Astfel încât unii electroni din semiconductor să treacă în metal, formându-se în semiconductor un strat de sarcină pozitivă, iar materialul încarcandu-se negativ. Astfel apare campul electric intern, care se opune trecerii electronilor prin joncțiune, stabilindu-se starea de echilibru.

în cazul joncțiunii metal-semiconductor(p) se cere ca:

Lm < Ls

Astfel că prin trecerea unor electroni din metal în semiconductor se formează în acesta un strat de sarcini negative, metalul rămânând cu sarcină rezultantă pozitivă. De asemenea are loc apariția câmpului electric intern, care se opune trecerii în continuare a electronilor către semiconductor.

În cazul ambelor joncțiuni menționate, dacă inegalitățile respective nu sunt repectare, nu se va crea stratul de baraj, obținâdu-se un comportament de contact electric între metal și semiconductor. În regim de iluminare a unei asemenea fotocelule, rolul principal îl joaca zona semiconductoare, deoarece stratul de metal depus pe suprafața semiconductorului trebuie sa fie atât de subțire încât să permită trecerea luminii prin el. Eficiența de colectare a purtătorilor generați în stratul de baraj este foarte mare astfel încât desitatea curetululi de scurtcircuit rezultă mai mare decât alte fotocelule. Având însă tensiuni de mers în gol mai reduse, randamentul este mai scăzut.

Mărirea tensiunii de mers în gol se poate realiza prin intercalarea între metal și semiconductor a unui strat foarte subțire din material izolant sau oxid, cu ajutorul caruia se mărește înălțimea barierei de potenția, fără a introduce o rezistență serie important. Astfel, infulența asupra curetului de scurtcircuit este redusă.

3.6 Factori limitativi ai eficienței celulelor solare

O fotocelulă transformă în energie electrică numai o poarte din energia radiată incidentă. Pierderile apar în mai multe moduri:

în faza în care energie este în formă de radiație, perderii prin reflexie pe suprafața celulei, prin absorbție fără generare de sarcini electrice libere și prin transmisie către electrodul posterior.

după crearea sarcinilor electrice libere în semiconductor, pierderi prin recombinarea sarcililor libere, înainte de atingerea joncțiunii și pe rezistența interna a celulei.

Pentru fiecare dintre aceste procese se poate stabili o eficiență parțială. Produsul acestora dă eficiență totală a celulei, întrucât procesele enumerate se desfășoară succesiv.

Reflexia luminii la suprafața celulei

Energie incidentă corespunzătoare unui interval de lungimi de undă de lățime dλ se poate scrie ελdλ. Din aceasta, o parte Rλελdλ este reflectată, iar restul, (l-Rλ) ελdλ, este absorbită de către fotocelulă. Factorul de reflexie Rλ depinde de lungimea de undă λ, de calitatea suprafeței și de indicele de refracție al cristalului.

Eficiența de pătrundere a luminii în fotocelulă se poate scrie:

(3.21)

Factorul de reflexie Rλ în domeniul vizibil are valori de 0,3-0,4 petru semiconductor având lărgimea benzi interzise între 1,1 și 1,5 eV. Petru micșorarea lui, pe suprafața celulei de depun straturi antireflectante.

Absorbția incompletă a radiației

O parte din radiația pătrunsă în celulă, este transmisă catre electrodul opus, fără a produce sarcini electrice libere. Aceste pierderi se pot caracteriza prin coeficientul de absorbție e ; ele variază exponential cu grosimea de material strabatută, putându-se exprima energia radiației dupa traversarea celulei prin multiplicarea cu factorul e-d, a energiei patrunse în celulă.

Rezultă că energia absorbită efectiv este parte (1-e-e.d) din energie patrunsă în celulă. Eficienta absorbtiei se poate scrie :

(3.22)

Reducerea acestei pierderi se poate obține prin dimensionarea corectă a grosimii celulei, pentru a absorbi cât mai complet energia incidentă.Generarea purtatorilor liberi de sarcină

O parte dintre fotonii absorbiți realizează doar excitarea atomilor, fără a elibera electroni sau amplifica vibrațiile atomilor în nodul rețelei cristaline, provocând creșterea temperaturii celulei.

Daca se notează cu ηλ randamentul cuantic, definit ca raportul dintre:

numarul perechilor de sarcini libere create

numarul de fotoni absorbiti, atunci eficiența generarii de sarcini se scrie :

(3.23)

3.7 Pierderi de energie datorate recombinarii

Dintre toți purtatorii de sarcină creați în semiconductor, participă la curentul debitat de celula numai cei care se gasesc, față de jonctiune. La o distanță mai mica decât lungimea de difuzie Ln pentru electroni, respectiv Lp pentru goluri. Celelalte sarcini se recombină , ceea ce reprezintă pierderi din energie absorbită de catre celulă.

Notânda cu A fracțiunea de purtatori separați de campuri intern, eficiența limitată de recombinare se poate scrie :

(3.24)

e) Pierderi de tensiunea

Fotonii având o energie hυ >Eq generează sarcini libere a caror energie depășeste energia medie a purtătorilor, la temperatură de echilibru. Surplusul de enegie este disipat prin ciocniri cu atomii retelei, ceea ce reprezintă pierderi pe rezistența interna a celulei. Pierderea de tensiunea fotovoltaica asociată tranzitiei unui electron, este egală cu raportul:

qU/ =qUλ/hc.

Dintre energia consumată pentru transportul unitatii de sarcină prin circuit și energia fotonului incident. Eficiența condiționată de acest tip de pierdere este:

(3.25)

În total eficiența fotocelulelor se scrie :

(3.26)

3.8 Tipuri de celule solare

3.8.1 Celule solare cu siliciu

Tehnlogiile actuale utilizează siliciu în trei forme : monocristal, policristalin și amorf hidrogenat. Pe langă avantajul materiei prime disponibile în mari cantități, celulele de siliciu prezintă stabilitate funcțională deosebită și randamente relativ bune.

Realizarea unei fotocelule cu siliciu presupune parcurgerea urmatoarelor etape :

producerea plachetei semiconductoare

realizarea celulei propriu-zise

încapsularea

În prima etapă au loc urmatoarele operatiuni: obținerea din cuarț a siliciului metalurgic, rafinarea Si metalurgic pentru obținerea purității necesare semiconductorului ; obținerea monocristalului de Si sub formă prismatică sau de panglică (având grosimea plachetei) ; taierea plachetelor (folosind un disc diamantat) urmată de corodarea chimică, pentru înlaturarea defectelor de suprafață. În vederea scaderii costului celulelor cu siliciu, în această etapă există urmatoarele posibilitați: renunțarea la puritatea de tip ‘’semiconductor’’.

Prin admiterea unui anumit procent de impurități scaderea randamentului fotocelulelor este neînsemnată, însa costul prelucrarii scade mult. Acest grad de puritate se numeste ‘’solar’’; folosirea Si policristalin care se obține prin turnare în lingouri și racire controlată ; deși randamentul celulelor obtinute va fi mai mic, eliminarea formarii monocristalului are efect economic mai mare ; folosirea Si amorf hidrogenat. Placheta de Si obținută în această faza poseda conducție de tip ‘’P’’ realizată în fază de topitură.

Etapa realizarii celulei cuprinmai redus și cu conducție electrică cât mai bună. Pe suprafața iluminată se pune o grilă opturând inevitabil o parte din suprafața celulei. Pe partea opusă se poate pune un strat continuu de metal.

De exemplu pe partea iluminata se folosește Ag, iar pe partea opusa aluminiu aliat cu Pd. Depunerea stratului antireflectant, care trebuie sa aiba indice de refracție 2 și să fie transparent la spectrul solar. Se folosesc TiO2, Ta2O5 în grosimi de 800-1000A.

Etapa de încapsulare constă în urmatoarele: realizarea conexiunilor dintre plachetele dintr-o capsulă, pentru a obține parametri externi doriți ; asamblarea într-o structura sandwich , cu alte straturi de protecție.

Scopul acestei operațiuni este asigurarea protecției fotocelulei împotriva umiditații, poluarii și a deteriorarii metalice. Repartiția costului total al fotcelulei pe cele trei etape este aproximativ : 40% realizarea plachetei, 30% realizarea celulei și 30% asamblarea în carcasă.

Deși randamentul teoretic maxim al fotocelulei cu Si monocristalin atinge 22%, celulele realizate potrivit tehnologiilor descrise, au un randament de cel mult 14%. Posibilitățile de mărire a randamentului în continuare sunt :

reducerea grosimii stratului n la cca. 0,3- randament 16%

texturarea suprafeței pentru reducerea pierderilor prin reflexie, randament 17% ;

celulele cu straturi multiple, randament până la 19,5%

Datorită creșterii temperaturii celulei în asemenea situație, crește rezistenta serie, deci pierderile interne în celulă. De aceea trebuie asigurată racirea celulelor, ceea ce implică un consum de energie din exterior.

Pentru marirea eficienței în aceste condiții de concentrare a radiației, se pot folosi celule de concentrație specială la care dispunerea contactelor are loc astfel încat să se folosească toată suprafața iluminată. Performanțele obținute sunt date în tabelul 3.3

Tab. 3.3 Celule solare cu siliciu amorf hidrogenat

Proprietațiile siliciului amorf hidrogenat rezultă atât din diferențele dintre Si amorf și Si monocristal cât și din diferențele dintre Si amorf hidrogenat și Si amorf pur. Si monocristalin este un semiconductor cu benzile energetice de valența și conducție clar delimitate, în care purtatorii de sarcină au mobilitați mari în capul electric. Acesta permite ca sarcinele libere sa difuzeze pe distanța de 200-300 n, iar controlul conductibilității prin impurificare sa fie eficient.

Din cauza dezordinii structurale, care împlică mulți atomi cu legaturi covalente rupte, în Si amorf pur, benzile de conducție și de valante se prelungesc una către cealaltă, acoperind intervalul dintre ele cu straturi energetice, din ce în ce mai puține catre mijlocul intervalului. Numarul mare de straturi energetice din zona interzisă, face posibilă controlarea prin dopare a timpului de conducție și asigura o mare probabilitate de recombinare a purtatorilor de sarcini generați de lumină. Acest fapt asociat cu mobilitatea redusă a sarcinilor libere în acest caz, face ca efectul fotoelectric sa fie neglijabil în Si amorf.

Siliciu amorf hidrogenat este un aliaj Si-H conținând hidrogen în proporție de până la 30%. Circa 1% din hidrogen compensează legaturile covalente rupte dintre atomii de Si ai rețelei dezordonate, iar restul realizaeză noi legaturi Si-H, care atenuează abaterile de la ordinea locală. Rezultatul este că, ramanand amorf, Si-H se apropie de caracterul de semiconductor ideal și al Si monocristalin. Densitatea de straturi energetice ocupate în interiorul benzii interzise, scade cu trei ordine de marime, ceea ce face posiblul controlul conducției prin dopare.

Cercetarile din acest domeniu sunt foarte intense în vederea simplificarii tehnologiei și reducerii substanțiale a pretului. Eficientă realizată în faza de producție industriala se apropie de 7% ; în condiții de laborator s-au obținut și 12%.

3.8.2 Celulele solare pe bază de sulfură de cadmiu

Pornind de la materialul de bază, CdS, se pot realiza mai multe tipuri de celule solare, CdS – Cu2S, CdS- CuInSe, CdS – CdTe și altele. CdS se foloseste sub formă policristalină. Fară de Si acest material prezintă o absorbție mai rapidă a radiației solare ; totodată lungimea de difuzie a purtatorilor de sarcină liberi este mult mai redusă, astfel încât stratul de bază poate avea o grosime mai mică (numai 25m în loc de 200m la Si). Cu2S are bandă interzisă mai îngustă; deoarece acest strat absoarbe cea mai mare parte a spectrului solar în grosimi foarte mici, grosimea lui este de numai 0,1-0,2 m. Acest material nu se poate obține decât ca semiconductor de tip ‘’p’’. Cea mai simplă cale de realizare a acestui strat este schimbul de ioni într-o soluție electronică cu ioni de Cu.

Tehnologiile de realizare a unor asemenea celule cu straturi subțiri policristaline sunt mai simple decât la Si, permițând prețuri mult mai reduse : metoda pulverizarii, metoda evaporarii în vid, metoda serigrafica. Deși metodele enumerate au particularitați de realizare, diferențele de performanța ale celulelor obținute nu sunt relevante.

Structura unei celule cu straturi subtiri de tip CdS/Cu2S poate fi, în principiu de două feluri, în funcție de modul de iluminare. În cazul iluminarii posterioare, CdS având bandă interzisă larga, permite trecerea celulei mai mari parți a luminii catre Cu2S unde este absorbită.

De aceea contactul superior trebuie sa fie transparent.Performanțele celulelor CdS sunt, în privința eficienței teoretice, de ordinul a 15%, iar în faza industrială de 6-8%.

3.8.3 Celulele solare pe bază de GaAs

GaAs este unul dintre materialele cele mai potrivite pentru conversia fotoelectrică a energiei solare datorită faptului că, având o largime a benzii interzise de 1,39 eV se situează pe maximul curbei de eficiență a conversiei în funcție de Eg.

3.8.4 Celule fotovoltaice cu siliciu cristalin

Germaniul nu se folosește la realizarea fotocelulelor din cauza slabei sale rezistențe la temperaturi ridicate. Siliciul domină piața mondială a celulelor fotovoltaice ( peste 50%), din cel puțin trei motive: stabilitate funcțională și randamente bune, tehnologii bine puse la punct în alte domenii ale electronicii, el fiind și unul din cele mai abundente materiale din natură. Tehnologiile actuale utilizează siliciul sub trei forme: monocristal, policristalin și amorf hidrogenat. Dezavantajul major al acestor tipuri de fotocelule este costul încă ridicat.

Tehnologia cu siliciu monocristalin tipică are trei etape distincte: producerea plachetei (40% din cost), producerea celulei (40% din cost), asamblarea și încapsularea (20%). În prima etapă, nisipul sau cuarțul este transformat în siliciu de grad metallurgic (99% puritate). Materialul este purificat în continuare în siliciu de grad semiconductor. După purificare siliciul este topit, se dopează corespunzător și este tras apoi în monocristal. Materialul este tăiat apoi în plachete de 0.3 mm grosime, ce se polizează pentru îndepărtarea defectelor de tăiere. In etapa de producere a celulei, placheta se dopează din nou pentru a forma o pătură superficială de conductivitate opusă plachetei de bază. Se atașează apoi contactele metalice pe cele două fețe și adăugarea unui strat antireflectant pe fața luminată definitivează celula.

Celulele sunt apoi interconectate și încapsulate transparent sticlă sau plastic. Pentru reducerea costurilor se admite un nivel de purificare intermediar între siliciul metalurgic și cel semiconductor și anume siliciul de tip solar, nivel care nu afectează semnificativ randamentul celulei solare. S-a dezvoltat o tehnologie de producere a unei panglici de siliciu monocristalin, obținându-se siliciu de grad solar, eliminând etapele de tăiere și polizare.

Panglica se obține prin ridicarea siliciului în stare topită prin efect capilar într-o matriță din grafit cu fantă dreptunghiulară (firma Mobile Tyco-SUA). Renunțarea completă la siliciul monocristalin în favoarea celui policristalin antrenează o scădere considerabilă a prețurilor, deși randamentul este mai slab.

Siliciul de grad solar se toarnă în lingouri paralelipipedice urmată de tăierea și prelucrarea mecanică. Doparea finală a plachetelor se face prin difuzie din fază gazoasă sau solidă și prin implantare ionică cu atomi de fosfor (placheta fiind de tip p).

Difuzia din stare gazoasă nu este recomandată deoarece se dopează plachetele pe ambele fețe și o joncțiune va trebui înlăturată. Difuzia din stare solidă se face prin depunere chimică din stare de vapori (), pulverizare și serigrafiere.

Cea mai utilizată este tehnologia prin serigrafiere. O pastă cu fosfor este întinde pe plachetă printr-o sită serigrafică. apoi plachetele sunt arse la 900ºC într-un cuptor tunel, sunt corodate și se obține joncțiunea. Implantarea ionică produce o dopare foarte bine controlată, dar echipamentul este cam scump și nu se justifică pentru celule solare, care nu au cerințe deosebite privind controlul dopării.

În figura 3.7 este prezentată structura unei celule fotoelectrice normale cu siliciu cristalin

3.8.5 Fotocelule cu siliciu amorf hidrogenat (a-Si:H)

Din cauza ordinii structurale, siliciul monocristalin (c-Si), are benzi de conducție și de valență clar delimitate, în care purtătorii de sarcină au mobilități mari, deci este un semiconductor cu proprietăți controlabile prin dopare controlată. Nu același lucru se poate spune despre siliciul amorf pur (a-Si). Acesta, din cauza dezordinii structurale, are mulți atomi cu legături rupte.

Acestea fac ca să existe un număr mare de stări energetice, iar purtătorii de sarcină să posede mobilități scăzute. Toate acestea fac imposibilă controlarea prin dopare a tipului de conducție și în final conduc la o fotoconducție neglijabilă.

Dacă, prin procesul de preparare al siliciului amorf, în acesta se incorporează și hidrogen, rezultă siliciul amorf hidrogenat (a-Si:H), care este de fapt un aliaj siliciu-hidrogencu hidrogen în proporție de până la 30%. Circa 1% din acest hidrogen compensează majoritatea legăturilor rupte din atomii de siliciu ai rețelei dezordonate, iar restul hidrogenului realizează legături siliciu-hidrogen care relaxează în continuare tensiunile și abaterile de la ordinea locală, impuse de necesitatea interconectării atomilor într-o rețea care rămâne totuși dezordonată.

În final, numărul de stări energetice se reduce și se obține un semiconductor amorf cu proprietăți asemănătoare celui cristalin și care are proprietăți fotovoltaice controlabile prin dopare controlată.

Cea mai utilizată metodă de preparare a a-Si:H este metoda descărcării luminescente sau GD (glow discharge) într-o atmosferă de silan-SiH4, un compus gazos al siliciului figura de mai jos . Stratul de a-Si:H se depune pe un suport din sticlă, metal sau chiar plastic, plasat într-un reactor de depunere. În reactor, racordat la o instalație de vidare, se introduce un debit controlat de SiH4, în care se amorsează o descărcare electric luminescentă prin aplicarea unei tensiuni de radiofrecvență. În plasma descărcării , SiH4 se descompune în grupuri SiH3 , SiH2 , SiH, pe suport depunându-se în final un strat de a-Si:H.

Acesta este un semiconductor cvasi intrinsec cu un slab caracter n. Proprietățile stratului se controlează prin temperatura suportului, debitul și presiunea gazului și tensiunea de radiofrecvență aplicată.

Fig. 3.8 Instalație de depunere a siliciului amorf hidrogenat (a-Si:H) prin descărcare luminescentă în plasmă de silan

Straturi de a-Si:H cu dopare controlată se obțin cu mici adaosuri de fosfină (PH3 dopare n) sau diboran (B2 H7 – dopare p), procente de debit în general sub 1% din debitul de silan.

Avantajele tehnologice și economice sunt evidente: prin controlul simplu al duratei de depunere și al debitelor se pot realiza în mod controlat, pe suporți ieftini, structuri complexe p-n, p-i-n, p-p+ etc., din compuși gazoși ai siliciului și la temperaturi scăzute (3000 C).

Aceste celule au lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină foarte redusă și efectul fotovoltaic ar fi neglijabil dacă siliciul amorf nu ar avea un coeficient de absorbție a radiațiilor solare mult mai bun (cu un ordin de mărime) decât cel cristalin. Rezultă că sunt necesare grosimi de câțiva microni față de sute de micron la cele cu siliciu cristalin . Din acest motiv un strat suplimentar de circa 0.7 µm de tip i, adică cu conducție intrinsecă, este binevenit, această regiune devenind regiune de barieră cu câmp electric ridicat.

3.8.6 Celule solare pe bază de CdS

Aceste celule solare sunt de tipul heterojoncțiune obținute în tehnologie cu straturi subțiri policristaline. Stratul de bază (stratul n) este întotdeauna sulfura de cadmiu CdS, dar stratul p poate fi realizat în mai multe moduri: din sulfură de cupru Cu2 S, telurură de cadmiu CdTe sau CuInSe2. Există mai multe tehnologii de realizare a acestor celule solare: metoda pulverizării pirolitice din soluție (spray), metoda evaporării termice în vid și metoda serigrafică. Metoda evaporării în vid, se pare că este cea mai folosită și va fi prezentată în continuare. Tehnologia evaporării în vid este bine cunoscută, fiind folosită pe scară largă în industria dispozitivelor semiconductoare, deci este accesibilă întreaga gamă de utilaje necesare.

Celulele CdS-Cu2S au intrat în atenția cercetătorilor deoarece pot fi obținute cu straturi subțiri policristaline, deci consum redus de materiale semiconductoare și cu tehnologii de mare serie.

O asemenea asociere a fost determinată de doi factori:

sulfura cuproasă, care este semiconductorul cu banda interzisă îngustă și în care are loc absorbția celei mai mari părți din lumina spectrului solar, nu poate fi obținută decât sub formă de semiconductor de tip p, și ca atare s-a ales un alt semiconductor de tip n având proprietăți ale rețelei potrivite cu ale ei;

sulfura cuproasă poate fi obținută printr-o reacție chimică direct pe stratul de CdS.

Există două tipuri posibile de structuri: cu iluminarea joncțiunii dinspre partea de CdS și cu iluminarea dinspre partea de Cu2S. Ultima soluție este cea mai folosită deoarece permite folosirea unor benzi metalice netransparente în calitate de contacte la stratul de CdS.

O asemenea structură este prezentată fig. 3.9.1. În calitate de substraturi sefolosesc în special plăci de sticlă ordinară sau folii subțiri de cupru (0.035 mm). În primul caz, în calitate de contact reflectant se utilizează un strat de argint obținut prin evaporare în vid. În al doilea caz folia de cupru este zincată și ca urmare a tratamentelor termice rezultă un strat de alamă care este reflectant, zincul din compoziția ei asigurând contactul ohmic la CdS.

Pulberea presată de CdS este încălzită indirect într-un creuzet de cuarț, în vid, de la un încălzitor de grafit. Substratul este încălzit tot indirect în aceeași incintă vidată până la 2000C. Viteza de evaporare asigură o depunere de circa 1µm/min. Se depune un strat de 15-30µm.

Fig. 3.9.1 Celulă solară CdS-Cu2S obținută prin metoda evaporării în vid.

Stratul de Cu2S se obține prin reacția chimică a sulfurii de cadmiu cu o clorură cuproasă în așa fel încât atomii de Cu îi înlocuiesc pe cei de Cd în matricea cristalină a sulfurii de cadmiu. Acest proces poartă denumirea de topotaxie. El se realizează fie prin scufundarea (dipping) stratului de CdS într-o soluție de CuCl la 990C fie prin depunerea în vid a unui strat de CuCl urmată de un tratament termic de reacție.

3.8.7 Celule solare din GaAs:

Utilizarea acestui tip de semiconductor la realizarea celulelor solare ar avea , în raport cu siliciul, următoarele avantaje:

este cel mai eficient material semiconductor în conversia energiei solare în energie electrică prin fenomene fotovoltaice (eficiență maximă 26%);

poate funcționa la temperaturi superioare siliciului, permițând realizarea de celule solare cu concentrarea 1000 față de concentrarea 100 cât permit cele de siliciu;

coeficient de absorbție mai ridicat, ceea ce permite folosirea structurilor foarte subțiri.

Ele au și dezavantaje, din care cauză încă nu au cunoscut o mare răspândire. Astfel, acest material semiconductor este mai scump de vreo 10 ori decât siliciul. Tehnologia de realizare a acestor fotocelule este cea a creșterii epitaxiale, care de asemenea este mai scumpă de circa 10 ori decât celelalte tehnologii utilizate în cazul siliciului.

Ținând cont și de avantaje și de dezavantaje, cele două direcții sunt comparabile între ele, așa că multe firme din lume produc astfel de celule. O structură tipică este prezentată în fig. 3.9.2.

Straturile se obțin prin creștere epitaxială. Stratul p are trei substraturi. Stratul AlGaAs-p acționează ca un contact aproape transparent pentru stratul p, iar ultimul strat GaAs-p are rolul de a asigura valori reduse pentru rezistența de contact metalsemiconductor.

Fig. 3.9.2 Structura tipică a unei celule cu strat fereastră din AlGaAs

Și în România s-au realizat astfel de celule, încapsulate în capsule de tranzistoare de putere tip TO3, capabile să producă 3.4 W la o concentrare a radiației solare de 500.

3.9 Noi tendințe in fabricația celulelor fotovoltaice:

La ora actuală, toți producătorii de celule fotovoltaice caută soluții pentru îmbunătățirea performanțelor celulelor fotovoltaice și pentru reducerea costurilor de fabricație a acestora, respectiv a panourilor care le conțin. Cateva dintre aceste tendințe sunt prezentate în continuare.

Realizarea de suprafețe cu pierderi prin reflexie minime. Astfel de cellule fotovoltaice au suprafața realizată într-o structură piramidală, pentru ca lumina incidentă să lovească de mai multe ori suprafața celulei.

Utilizarea unor materiale noi, cum sunt: Galiu-Arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu (Cd-Te) sau Cupru-Indiu-Seleniu (CuInSe2).

Realizarea unor celule fotovoltaice tandem, construite din material semiconductoare diferite asezate unul deasupra celuilalt, cu scopul de a capta energia luminoasă intr-un domeniu de lungimi de undă cat mai larg.

Utilizarea unor concentratori de lumină, realizați dintr-un sistem de oglinzi, care pe de-o parte să mărească intensitatea radiației luminoase si pe de altă parte să poată

urmări deplasarea Soarelui pe cer. Producerea campului electric intern prin realizarea unei joncțiuni intre un strat subțire de oxid si un semiconductor, această soluție fiind mai eficientă decat joncțiunea pn. Utilizarea celulelor Gratzel, care sunt celule fotovoltaice cu lichid electrochimic si utilizează dioxid de titan ca electrolit si o vopsea specială, pentru a imbunătăți procesul de absorbție a luminii.

3.10 Sisteme de utilizare a energiei electrice obținute prin efect fotovoltaic:

În figura 3.9.3 este prezentat un sistem de producere și utilizare a curentului continuu cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Fig. 3.9.3 Sistem cu panou fotovoltaic pentru producerea curentului continuu

Acest tip de aplicație poate să permită de exemplu asigurarea iluminatului electric, cu becuri de curent continuu, în imobile situate în zone izolate și neelectrificate.

Se observă că panoul fotovoltaic nu este singurul component al sistemului. Deoarece momentul în care este nevoie de energie electrică, nu coincide cu cel în care este prezentă radiația solară, energia electrică furnizată de panou este acumulată într-una sau mai multe baterii pentru a fi utilizată la nevoie.

Între panoul fotovoltaic și baterie este intercalat un regulator de încărcare deoarece parametrii curentului electric la ieșirea din panou sunt variabili, în funcție cel puțin de intensitatea radiației solare, iar parametrii curentului electric utilizat la încărcarea bateriei trebuie să fie constanți. Consumatorii alimentați cu curent continuu, sunt conectați tot la bornele de iesire ale regulatorului, pentru a fi alimentați cu curent electric avand parametrii constanți.

3.11 Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu și alternative:

Avand în vedere că un asemenea sistem are nevoie de o putere electrică mai mare, specifică de regulă consumatorilor de curent continuu, este nevoie de utilizarea unui număr mai mare de panouri fotovoltaice, iar numărul bateriilor este de asemenea mai mare, pentru că sistemul să poată asigura puterea electrică maximă, pentru un timp cat mai lung, înainte ca bateria să se descarce. Trebuie menționată prezența obligatorie în sistem a unui echipament denumit invertor, care transformă curentul continuu în curent alternativ.

În figura 3.9.4 este prezentat un sistem de producere și utilizare simultană a curentului continuu și alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

3.12 Sistem hibrid pentru producerea și utilizarea simultană a curentului continuu și alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Tehnologia sistemelor hibride este o nouă apropiere către electrificarea descentralizată. Aceste sisteme în cele mai multe cazuri sunt proiectate în micro-rețele monofazate sau trifazate, care alimentează în general consumatori casnici.

De foarte multe ori într-un astfel de sistem, pe lângă sursele regenerabile de energie, sunt cuplate și surse de energie clasice cum sunt generatoarele cu motoare diesel. Acestea sunt utilizate în cazurile în care cererea de energie depășește capacitatea surselor regenerabile, în anumite momente ale zilei si/sau ale anului.

Un sistem hibrid petru producerea energiei electrice înglobeaza mai multe surse de energie și poate alimenta consumatorii fară întreruperi chiar dacă una dintre surse nu functionează. Majoritatea sistemelor hibride sunt sisteme off-grid, adică nu sunt conectate la rețea, având acumulatori în alcatuirea lor. Aceste sisteme sunt folosite în zone izolate unde conectarea la reteaua electrica este imposibilă sau foarte scumpă. Sistemele hibride au capacitate limitata din cauza generatoarelor de energie electrica instalate și a capacitații acumulatorilor. Dimensiunea sistemului de acumulatori poate sa fie foarte mare, pana la 100.000Ah, numai că prețul este destul de mare.

Din acest motiv se dorește o eficentizare a producției și a consumului de energie electrică. Utilizatorii unui sistem off-grid trebuie să învețe să folosească eficient sistemul  de energie electrică în intervalul acestor limitari. Atunci când nu este soare generatorul diesel pornește automat astfel încât să asigurere necesarul energetic fără bătăi de cap. Astfel se evită riscul de a rămâne fără energie.

Dezavantajul major al sistemelor hibride este faptul că acestea pot fi influențate foarte ușor de sarcinile conectate, curbele de sarcină având variații foarte accentuate chiar și într-un interval de câteva minute. Acest lucru duce la necesitatea implementării unor dispozitive de control care să răspundă rapid la modificările din sistem.

Problema stocării într-un sistem energetic autonom este foarte importanța, deoarece utilizarea dispozitivelor de stocare poate duce la obținerea unui randament ridicat al sistemului, și poate contribui la îmbunătățirea parametrilor energiei din sistem.

În figura 3.9.5 este prezentat un sistem hibrid pentru producerea și utilizarea simultană a curentului continuu și alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Față de sistemul prezentat anterior, acest sistem hibrid are în componență și un generator electric acționat de un motor cu ardere internă de tip diesel. Acest generator, care poate să producă atât curent continuu cât și curent alternativ, are rolul de a asigura puterea electrică necesară în perioadele de varf de sarcină, sau în perioadele în care radiația solară nu este suficient de intensă.

3.13 Sistem fotovoltaic racordat la rețea:

Nu sunt folosite  baterii pentru stocarea energiei electrice produse. Alimentarea consumatorilor se face în curent  alternativ, excesul de energie electrică produsă în timpul zilei este vandută rețelei electrice de transport. Capacitatea sistemelor pot ajunge la sute și mii de kilowați dar pot fi folosite și configuratii cu capacitate mică. Avantajele centralelor fotovoltaice racordate la rețea sunt generate de lipsa acumulatoarelor din aceste sisteme. În acest caz stocarea energiei neconsumate se realizează în reteaua electrică, care joacă rolul unui acumulator cu capacitatea de stocare "infinită".

În figura de mai jos este prezentat un sistem pentru producerea și utilizarea curentului alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice, racordat la rețeaua locală de alimentare cu energie electrică.

Figura 3.9.6

Un asemenea sistem pentru producerea curentului electric alternativ, cu ajutorul panourilor fotovoltaice, permite utilizarea directă a curentului electric produs de sistemul fotovoltaic, dar și furnizarea acestuia în rețeaua locală de alimentare cu energie electrică, acest sistem fiind furnizor de energie electrică.

Este evident că imobilele prevăzute cu un asemenea sistem de alimentare cu energie electrică, trebuie să fie prevăzute cu câte un dispozitiv de măsură care să contorizeze energia electrică furnizată în rețea, dar și cu un contor pentru măsurarea consumului de energie electrică absorbită din rețea.

Avantajele utilizării acestor sisteme fața de sistemele fotovoltaice independente sunt: exploatarea integrala a energiei fotovoltaice furnizate de panouri; stocarea fiind de capacitate infinita în retea, economie de cca. 40% din investitie (lipsa bateriilor), mentenanța minimă (bateriile sunt cele care cer cea mai mare atenție), durată de viața prelungită a sistemului, energie pură datorită eliminarii reciclarii bateriilor

Prezentarea instalației din laborator

Programul care se folosește pentru a studia panourile fotovoltaice este PM/EV, simulând comportamentul unui generator fotovoltaic, în general este alcătuit dintr-un panou fotovoltaic, un panou de instrucție pentru evaluarea parametrilor principali a sistemului, cum ar fi parametrii electrici generați în diverse ramuri ale circuitului, în current continuu și current alternativ, și dintr-o structură computerizată pentru analiza operațiilor efectuate de sistem prin intermediul unui PC.

Sistemul reprezintă configurația unei centrale de sine stătătoare, cu baterii pentru stocare energiei și invertor, energie asigurată de panou sau baterie ce poate fi folosită la alimentarea unor lămpi sau dispozitive externe (PC, sarcini rezistive,etc.).

4.1 Componentele principale

Un panou fotovoltaic, alcătuit din două module independente formate din 36(4×9) celule fiecare, fabricate din siliciu monocristal, și o structură suport ce asigură urmărirea soarelui, care poate deplasa panoul pe două axe, referitor la unghiul înălțimii soarelui și a unghiului azimutal, pentru a optimiza expunerea către soare;

un solarimetru, montat pe suprafața plană a panoului, pentru măsurarea radiației solare incidente;

un regulator de sarcină, care optimizează fluxul de putere ce tranzitează panoul fotovoltaic, bateria și invertorul;

o baterie de stocare, care determină funcționarea centralei șî în lipsa radiațiilor;

un invertor, care convertește variabilele electrice, la ieșirea din baterie sau panou fotovoltaicm din c.c. în c.a.;

un voltmetru, pentru măsurarea tensiunii în diferitele ramuri ale circuitului;

un ampermetru, pentru măsurarea curenților în diferitele ramuri ale circuitului;

un analizator al variabilelor electrci în c.a.;

un dispozitiv sinoptic,ce concentrează modurile de conexiune a diferitelor componente ale centralei;

un încărcător de baterie auxiliar;

un sistem de control la distanță cu PC-ul, care permite afișarea și înregistrarea parametrilo electric curent generaț

Figura 4.1 Prezintă o vedere de ansamblu a instalației de laborator

Pentru a evalua radiația incidentă panoului fotovoltaic, se folosește un instrument denumit solarimetru care măsoară radiația pe o suprafață plană (Watt/m2). Radiația măsurată este suma radaiției directe emisă de soare, a radiației difuze și a radiației reflectate (radiația totală se cuprinde în gama spectral 0.3μm-3 μm). Instrumentul este conform standardului ISO 9060 si apaține clasei 2.

Solarimetrul LP PYRA 03 se bazează pe senzorul unei pile termoelectrice. Suprafața sensibilă a pilei termoelectrice este acoperită cu vopsea neagră opacă care permite solarimetrului să fie neselectiv la lungimi de undă diferite. Gama spectrală a solarimetrului este determinată de transmisia celor cuple de sticlă de tip K5.

Energia radiantă este absorbită de suprafața înegrită de pila termoelectrică, în acest fel creându-se o diferență de temperatură între centrul pilei termoelectrice (îmbinare caldă) și corpul solarimetrului (îmbinare rece). Diferența de temperatură între îmbinarea caldă și cea rece este convertită într-o diferență de potențial mulțumită efectului Seebeck.

Solarimetrul LP PYRA 0.3 are în componență cu o cupolă ce are diametrul extern de 32mm și grosimea de 4mm, pentru a garanta izolția termică a pilei termoelectrice împotriva vântului, și pentru a reduce sensibilitatea la radiația termală. Cupelele protejează pila termoelectrică de praful care dacă se depozitează pe partea înegrită ar pute schimba gama spectrală.

Trebuie menționat și faptul că performanțele panourilor fotovoltaice sunt dependente de temperatură. Astfel cu cât crește temperatura, cu atât scade și eficiența panourilor fotovoltaice de a converti energia radiației solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o reducere a eficienței panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creștere a temperaturii. De regulă performanțele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie electrică este realizată în spațiul cosmic, unde temperatura este apropiată de 0K.

Figura 4.2 Panoul fotovoltaic

Sistemele autonome sunt cele la care energia electrică care este produsă în exces în ceea ce privește încărcarea electrică, este acumulată în interiorul bateriilor, pentru a fi folosită în cazul locațiilor izolate sau întuneric. Acest tip de sistem poate fi folosit în cazul emițătoarelor radio, consumatorilor izolați, celulelor fotovoltaice etc..

utilitate: include acele aplicații care au consum mic de putere și servicii izolate de linia principală cum ar fi pomparea cantităților mici de apă pentru utilizare în scop sanitar, alimentarea telefoanelor și a emițătoarelor radio, încărcarea bateriilor ambarcațiunilor de agrement, rulote etc.

consumatori izolați: în general de tipul celor ce sunt identificați ca fiind casnici care au alimentarea cu energie electrică în curent continuu, sau pentru cei cu cerințe de putere mai mare, în curent alternativ cum ar fi montante, case secundare etc..

linii mini-izolate: acestea constau în centrale fotovoltaice cu puteri instalate de câțiva zeci de kW, distribuția se realizează în curent alternativ de cele mai multe ori trifazat și cu generatoarea de rezervă a unei instalații de tip diesel-electric, ce sunt folosite la alimentarea satelor sau a comunităților izolate de linia de distribuție. Prezența instalației diesel, care poate fi parte integrantă a procesului de generare a electricității face ca aceste sisteme să poartă denumirea de sisteme hibride.

Module fotovoltaice: au cu puteri cuprinse între 20 și 100 W, putere de vârf, alimentate în condiții de iluminare nominală. Panourile trebuie orinetate către sud, cu o înclinație,în grade, în conformitate cu planul orizontal, egal cu latitudinea acelei locații. Luând în considerare faptul că intensitatea luminoasă a soarelui se modifică în decursul zilei și a lunilor anului, putem spune că puterea medie generată de un panou de 1 m este în jur de 450 Watt-oră/zi;

Invertorul: curentul generat de panoul fotovoltaic este de tip continu; luând în considerare ca marea majoritate a aparaturii necesită curent alternativ ca să funcționeze, se va folosi un echipament electric, invertorul, care poate să transforme puterea electrică din continuu în alternativ;

Sistemul de acumulare a energiei electrice: este un sistem de control pentru sarcina din acumulatori care se utilizează la prevenirea avarierii din cazua defectelor sau a excesului de sarcina (suprasarcinii).

4.2 Sisteme conectate la linia electrică(conectate la rețea)

În cazul sistemelor conectate la rețea, energia produsă este convertită în curent alternativ, și în cazul în care aceasta nu este folosită, este injectată în Sistemul Energetic Național și contorizată cu un contor dublu, care contorlează curentul de intrare și cel de ieșire.

acoperișuri fotovoltaice: centrale electreice autonome (câțiva kW) injectează energia produsă în rețelele de alimentare cu electricitate principale și sunt instalate în spații periferice(cum ar fi acoperișurile clădirilor)

centrale fotovoltaice: cu o putere instalată considerabilă , dimensionate modular;acestea sunt compuse din mai multe unități de generare (subzone) cu puteri până la 500 kW;

Fig 4.3 Diagramă electrică simplificată a sistemului conectat la linia de 3 kW, pentru consumatori casnici

4.3 Curbele caracteristice a generatoarelor fotovoltaice

Comportamentul din punct de vedere electric al unei celule (sau a unui modul, panou, câmp) este reprezentat cu ajutorul curbelor caracteristice numite Caracteristici I-V ale generatorului. Valorile extreme alte tensiunii și a curentului sunt tensiunea de mers în gol Voc (în conformitate cu un curent nul) și curentul de scurtcircuit Icc (în conformitate cu o tensiune nulă).

Curba caracteristică a unui modul, pentru o anumită temperatură de funcționare a celuleor și fiind dată o valoarea a radiațiilor solare. Curba puterii de ieșire este:

P=U. I (4.1)

Care este egală cu produsul dintre tensiune și curent. Este egală cu suprafața dreptunghiului a cărui margini sunt axele x și y a punctului de operare. Se poate observa existența unui punct de operare ce corespunde puterii maxime.

De obicei generatoarele panourile fotovoltaice sunt dotate cu un dispozitiv, numit detector de putere maximă, care poate face ca generatorul să opereze constant în apropierea acestui punct(regimul optim de funcționare a celulei)

(4.2)

Tabelul 4.1 indică, pentru o celulă monocristalină de siliciu cu un diametru de 4 inch, care corespunde unei arii de 78.5 mm2 , un curent de scurtcircuit Isco și o tensiune de funcționare la gol Voco precum și valorile curentului Imp și Vmp în raport cu puterea maximă de funcționare dependente de condițiile TR= 298 K(25°C) și G=1000w/m2.

Eficiența maximă a celulei în cazul acestor condiții este de forma:

(4.3)

în care:

G – puterea radiată care în condițiile date este egală cu 1000(W/m2);

Acel -suprafața celulei(cm2);

Vmp- reprezintă tensiunea în punctul maxim de putere(V);

Imp – reprezintă curentul în punctul maxim de putere(A).

Tabelul 4.1 Date caracteristice a unei celule fotoelectrice de siliciu și condiții de referință

Performanțele unui dispozitiv fotovoltaic depinde de mai multe variabile, printre care cele mai importante sunt: radiația solară, temperatura celulelor, spectrul de radiație solară incident.

Fig 4.4 Prezintă cum variază o caracteristică I-V a unei celule dacă se modifică radiația solară și temperatura celulei.

După cum se poate observa în graficul din stânga, curentul scade când scade radiația, în timp ce tensiune rămâne aproape constantă.O creștere a temperaturii celulei în schimb, graficul din dreapta, are un efect destul de redus asupra curentului de scurtcircuit(această creștere este egală cu aproximativ 0.2%/°C), în timp ce acest lucru influențează negativ tensiunea de mers în gol, cu o scădere de aproximativ 2.2mV/°C(aceste variații pot fi luate ca referințe în intervalul de temperaturi 0-60°C).

Fig 4.5 prezintă, ca exemplu, comportamentul curbelor caracteristice a celulei monocristal de siliciu 4", prezentată în tabelul 3.2, la variații a radiației solare.

A se remarca cum cele două fenomene, deși sunt de semn contrar, determină o scădere a puterii date de punctul de funcționare maxim, care poate fi măsurat între 6-7% pentru fiecare creștere cu 10°C a temperaturii celulei.

Următoarea figură indică, în termeni calitativi, o corelațiile între puterea maximă Pmax, temperatura celulei Tc și puterea solară incidentă G, figura 3.19 prezintă curentul de scurtcircuit, comportamentul tensiunei de mers în gol și a puterii maxime, la variații a temperaturii celulei, odată ce puterea incidentă s-a stabilizat.

Figura 4.6

Deci, deoarce performanțele unui dispozitiv fotovoltaic depind, în particular, de radiațiile solare, temperatura celulelor și spectrul solar de radiații incidente, pentru a le defini este necesar să fixăm valorile de referință pentru acești parametri.Valorile utilizate, la nivel internațional, ce reprezintă condiții de testare pentru celule și module fotovoltaice, denumite și condiții standard sunt:

radiația = 1000W/m2;

temperatura celulelor = 25°C;

spectrul solar = AM 1,5.

A se remarca cum puterea maximă a unei celule, a unui modul. sau a unui sistem fotovoltaic, indicată de producători ca putere de vârf, este în funcție de condițiile standard; astfel de valori, luând în considerare condițiile de exploatare reale, pot fi atinse doar pentru perioade scurte în timpul funcționării sistemului.

După cum s-a spus deja, celule sunt ansamblate în module, în care se pot conecta în serie sau în paralel pentru a obține tensiunea necesară. Pentru module identice (sau celule) conectate în serie, tensiunile sunt auxiliare, când modulele sunt conectate în paralel, curenții sunt auxiliari.

A se ține minte un parametru care este des folosit pentru a evalua calitatea unei celule fotovoltaice: "factorul de umplere", care este dat de raportul dintre puterea maximă și produsul Vac . Idc:

(4.4)

Factorul de umplere ar fi egal cu 1 dacă curba I-V ar fi un dreptunghi cu marginile Idc și Vac; pentru celule de siliciu obișnuite produse curent, acesta variază între 0.75 și 0.80.Valorile ridicate ale acestui parametru ne indică de obicei o performanță superioară.

Factorul de umplere a modulelor folosite în programul de pregătire PM/EV este egal cu 0.72 considerând că Vm=17V, Im=6.47a, Vac=21V, Idc=7.22A.

4.4 Modul de conectare a celor două modul

După cum s-a mai spus, panoul prevăzut cu programul de instruire PM/EV este alcătuit din două module independente, a căror cabluri electrice ajung la panoul de instruire într-un mod separat; după cum se prezintă în figura 4.7, contactele electrice ale celor două module sunt amplasate pe partea dreapta a panoului.

Fig 4.7 Contactele electrice ale celor două module fotovoltaice

După cum sunt prezentate contactele, este posibilă să excludem modulul superior, să excludem modulul inferior, să conectăm cele două module în serie sau în paralel.

Tabelul 4.2 Însumează diferitele combinații ce se pot utiliza.

4.5 Conexiunile electrice între module

Configurația externă a modulelor fotovoltaice este aceea de componente cu două terminale, a căror curbe caracteristice de funcționare tensiune-curent au același comportament ca și celulel care compun modulul dar cu excepția că valorile tensiunii sunt proporționale cu numărul de celule înseriate.

Considerând funcționarea setului de celule șî ținând minte că aceste celule sunt dispozitive semiconductoare, se poate observa faptul că atunci când o celulă este umbrită, aceasta încetează să funcționeze ca un generator, ea funcționând în schimb ca o diodă polarizată invers: aceasta înseamnă realizarea unui blocaj a curentului generat care anulează puterea produsă de tot lanțul, de exemplu de tot modulul. În cazul în care, una din celule va fi parțial umbrită, curentul prin modul va fi egal cu cel produs de o singură celulă.

Deci, este important ca aceste module fotovoltaice, în timpul funcționării să fie umbrite cât mai puțin, chiar și parțial, deoarce fiecare modul se comportă ca și cum celule ce îl alcătuiesc ar primi radiație solară egală cu cea a celulei care este cel mai puțin expusă; aceasta ar însemna o reducere a puterii produse proporțională cu suprafața umbrită. Este important să se studieze dacă într-un grup constituit din mai multe celule(mai multe module conectate în serie)și dacă una este umbrită, iar între timp, electrozii sunt scurtcircuitați sau la o tensiune foarte scăzută, apare fenomenul de punct fierbinte. Celula umbrită, în acest caz polarizată invers cu o tensiune egală sau foarte apropiată de tensiunea de mers în gol a celulelor înseriate rămase, este expusă pericolului de a intra în conducție inversă.

În acest caz, celula în cauză este obligată sa disipe putere generată de celelalte celule ale modulului, lucru care ar duce la o creștere locală a temperaturii (punct fierbinte), ceea ce poate determina, chiar în cazul valorilor modeste a radiației solare, distrugerea celulei prin supratemperatură. Pentru a rezolva aceste probleme, multe module de pe piață au montate, în placa cu borne, niște diode denumite de diode de mers în gol (by-pass), cu scopul de a scurtcircuita și astfel să izoleze modulul în cazul unui defect.

Modulele fotovoltaice, sunt alcătuite din celule; aspectul modular al sistemului fotovoltaic indică faptul că modulul face parte dintr-un sistem mai mare denumit lanț, de exemplu o serie de module conectate în serie. Acest lanțuri, sunt la rândul lor conectate în paralel pentru a crea un câmp sau un generator fotovoltaic. Numărul de module care sunt conectate în serie în fiecare lanț depinde de ansamblul care urmează să fie alimentat de generatorul fotvoltaic și de tensiunea de ieșire care se poate obține; în același fel, numărul de lanțuri conectate în paralel pot furniza puterea cerută. Pentru folosirea actuală a celulelor fotovoltaice, baterii și a lămpilor este necesar ca toate jumperele din circuitul electric sa fie amplasate. Când se calculează caracteristicile panoului fotovoltaic este necesar să se înlăture toate jumperele și să se conecteze ieșirea panoului fotovoltaic la o sarcină rezistivă variabilă.

4.6 Convenția semnelor privind curenții

Semnul curenților indică direcția de parcurgere în raport cu nodul centra, stabilindu-se următoarele:

Pozitiv:

curentul de ieșire al generatorului fotovoltaic;

curentul de ieșire al baterie;

curentul de intrare al invertorului.

Negativ:

curentul de intrare al generatorului fotovoltaic;

curentul de intrare al bateriei;

curentul de ieșire al invertorului.

4.7 Sistemul de control al transferului de putere între modulele fotovoltaice

În acest subcapitol, se analizează pe scurt, două componente foarte importante și anume: sistemul de control al transferului de putere de la panou la baterii sau consumatori (regulator de sarcină); creșterea puterii cedate de modulul fotovoltaic (dispozitiv de urmărie a poziției soarelui).

Trebuie menționat un lucru în privința echipamentelor de control a puterii condiționate și a sarcinii. Astfel de dispozitive includ o serie de echipamente care optimizează cuplare între sistemul fotovoltaic și echipamentele de după acesta, de exemplu baterii, invertoare și consumatorii.

Un dispozitiv tipic de control, de exemplu regulatorul de sarcină, este acel dispozitiv care întrerupe circulația puterilor spre baterii atunci când tensiune între terminale depășește valoarea maximă fixată și resetează această circulație atunci când aceeași tensiune scade sub o valoare minimă fixată.

Regulatorul de sarcină folosit este de tip serie, cu reglajul sarcinii prin intermediul impulsurilor de modulație, dotat cu sondă de măsurare a temperaturii interioare care compensează limitele de tensiune. Sistemul, are o structură solidă (fară releu), diodele de blocaj fiind amplaste în interior pentru blocare circulației inverse a curentului pe timp de noapte. Panoul fotovoltaic furnizat împreună cu programul de instrucție PM/EV este compus din două module independente, care la rândul lor sunt alcătuite din 36 de celule de eficiență maximă, construite din siliciu monocristal.

4.8 Specificații electrice și curbele caracteristice

Tabelul 4.3 Prezintă specificațiile electrice ale modulelor fotovoltaice

Fig.4.8 Curba caracteristică modulelor fotovoltaice

4.9 Diagrama electrică a interconexiunilor dintre celule

Din diagram de mai jos se poate observa cum cele patru " rânduri" de celule, alcătuite din câte nouă celule fiecare, sunt conectate în serie, și cum sunt conectate în paralel cu aceste rânduri,două celule de mers în gol, cuplate în pereche.În acest fel, dacă cele două rânduri care se află la bază sunt umbrite, este posibilă generare de putere chiar dacă în proporții mai reduse.De obervat faptul că este suficient să umbrim o singură celulă pentru ca celule de pe două linii adiacente să nu mai contribuie la generare de putere.

4.9 Diagrama electrică a interconexiunilor

Celule sunt laminate în permanență între straturi de acetat de vinil, sticla călită (semisecurizată) și tedlar alb pentru a le oferi o protecție ideală împotriva umidității și coroziunii. Sticla semisecurizate, caracterizată de transparență ridicată la lumină directă sau difuză, este fixată pe cadru cu silicon pentru a asigura o protecție eficentă împotriva solicitărilor mecanice și ambientale. Izolația ridicată dintre cadru și celule, reduce probabilitate de dispersie a curentului, care este în general principala cauză a pierderilor de putere din instalațiile fotovoltaice de tensiune înaltă.

4.10 Date experimentale

4.10.1 Caracteristica curent-tensiune

Montajul experimental realizat în cadrul lucrării de licență este reprezentată schematic în Figura 4.10 și conține panoul experimental, un ampermetru (A), un voltmetru (V) și o rezistență de sarcină, notată R. Astfel, trebuie menționat faptul că panoul experimental este format dintr-un panou fotovoltaic de la care sunt achiziționate informațiile pentru prelucrare și un modul pentru modelarea acestor date (informații).

Pentru o variație a parametrilor caracteristici panoului fotovoltaic (tensiune, curent), a fost utilizată o rezistență variabilă R de circa 0 ÷ 8 Ω, înseriată la modulul. Datele au fost extrase cu ajutorul ampermetrului și voltmetrului reprezentat în figura 4.10.

Figura 4.10

Panoul fotovoltaic cuprinde prezintă două module:

modulul superior;

modulul inferior.

Modul de lucru: s-a urmărit trasarea curbelor U-I pentru fiecare modul al panoului fotovoltaic ca și pentru conctarea în serie și respectiv în paralel a celor două module. În fiecare caz, s-a modificat sarcina reprezentată de rezistorul R între 0 și 8 Ω; de asemenea s-a realizat și regimul de mers la gol. Rezultatele sunt prezentate în tabele și grafice, după cum urmează:

4.10.1.Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic

Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic

pentru cazul modulului superior:

Tabelul 4.4

Figura 4.11

Caracteristica curent tensiune a panoului fotovoltaic

pentru cazul modulului inferior:

Tabelul 4.5

Figura 4.12

Din figurile prezentate anterior, pentru cazurile celor două module separate, se observă cu ușurință că în cazul creșterii curentului, tensiune scade, cu particularizare la modulul superior când de la o valoare a curentului de circa 4.5 A, tensiunea scade considerabil.

Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic pentru cazul când

cele două module sunt conectate în paralel:

Tabelul 4.6

Figura 4.13

Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic pentru cazul când

cele două module sunt conectate în serie:

Tabelul 4.7

Figura 4.14

4.10.2 Funcționarea în sarcină a instalației de conversie a radiației solare

Figura 4.15

De asemenea, în lucrare au fost conectate un număr de cinci lămpi, așa cum este reprezentat în Figura 4.15. Mai mult decât atât, între toate echipamentele prezentate anterior, sunt montate pentru vizualizarea parametrilor (tensiune și curent), ampermetre și voltmetre, cum ar fi:

V1 = tensiunea la iesirea din panoul fotovoltaic

A1 = curentul la iesirea din panoul fotovoltaic

V2 = tensiunea la intrarea în baterie

A2 = curentul la intrarea în baterie

A3 = curentul la intrarea în invertor

V3 = tensiunea la intrarea in invertor

Ținând seama că panoul fotovoltaic conține un modul superior și un modul inferior au fost considerate patru variante de analiză:

Modul inferior

Modul superior

Modulul inferior și superior conectate în paralel

Modulul inferior și superior conectate în serie

Astfel, în continuare sunt prezentate cele patru variante, începând mai întai cu cele separate (modul superior, respectiv inferior) apoi urmând celelalte două cazuri, când modulele sunt conectate serie sau paralel.

În cazul conectării celor două module în serie au în paralel se observă că, similar celor două module separate, tensiune scade odată cu creșterea curentului, plecand în toate cele patru cazuri de la circa 19 V.

Următoarele tabele prezintă datele obținute în funcție de sarcina electrică aplicată prin introducerea celor cinci lămpi reprezentate în Figura 4.15.

Rezultatele obținute în urma măsurătorilor de laborator (încercărilor), cu ajutorul rezistenței de reglare și a aparatelor de măsură (Ampermetru, Voltmetru), pentru cele patru cazuri prezentate anterior, sunt descries în cele ce urmează, fiecare din cazuri având particularități caracteristice, și anume:

Pentru cazul când cele două module superior și inferior sunt conectate în serie:

Tabelul 4.8

Tabelul 4.8 arată că puterea furnizată de generator este suficentă până când se aprind două lămpi în același timp (A2 pentru două lămpi -2.1); În cazul aprinderii a unei a treia lampi, puterea este asigurată de baterie (A2 cu “+” curent care circulă dinspre baterie).

De asemenea, introducerea a unei a cincea lămpi va conduce la deconectarea invertorului datorită alimentării reduse a bateriei și a puterii modeste furnizate de generator. În speță, invertorul, când tensiunea V3 scade sub 10.6V emite un semnal de alarmă după care se deconectează automat, iar sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la parametrii inițiali.

Se observă că la conectarea, în această variantă, în același timp a 4 lămpi, curentul I crește până la 0,7 A, iar tensiunea scade sub 230 V. În speță tot în acest caz și tensiunile V1, V2, si V3 sunt de valori mai mici spre deosebire de cazul conectării unei lămpi, respectiv două sau chiar trei.

Pentru cazul când cele două module superior și inferior sunt conectate în paralel:

Tabelul 4.9

În cazul modulelor conectate în parelel, spre deosebire de cele menționate la tabelul de mai sus, cînd cele două module au fost conectate în serie, tabelul 4.9 arată că puterea furnizată de generator este suficentă până când se aprind trei lămpi în același timp (A2 pentru trei lămpi – 1,6), iar ăn cazul aprinderii a unei a patra lampi, puterea este asigurată de baterie.

Introducerea unei a cincea lămpi va conduce la deconectarea invertorului datorită alimentării slabe a bateriei și a puterii modeste furnizate de generator similar cazului prezentat anterior. În speță, invertorul, când tensiunea V3 va scade corespunzător, acesta va emite un semnal de alarmă după care se deconectează automat, iar sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la parametrii inițiali.

În această variantă, spre deosebire de conectarea în serie a modulelor, la utilizarea în același timp a 4 lămpi, curentul I crește până la 0,7 A , dar tensiunea V nu mai scade sub 230 V, ci dimpotrivă atinge o valoare maximă (raportat la tensiunea în cazul utilizării concomitent a 1, 2, 3, 4 sau 5 lămpi), iar totodată, și tensiunile V1, V2, si V3 nu se mai modifică la valori mai mari spre deosebire de cazul conectării unei lămpi, respectiv două sau chiar trei.

Pentru cazul când modulului superior :

Tabelul 4.10

Tabelul 4.10 arată că puterea furnizată de generator este suficentă până când se aprind două lămpi în același timp (A2 pentru două lămpi -2.5); În cazul aprinderii a unei a treia lampi, puterea integratoare este asigurată de baterie. Introducerea a unei a cincea lămpi va conduce la deconectarea invertorului datorită alimentării slabe a bateriei și a puterii modeste furnizate de generator. În consecință, invertorul, când tensiunea V3 scade sub 10.5V emite un semnal de alarmă după care se deconectează automat, iar sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la parametrii inițiali.

Se observă că la conectarea, în această variantă, în același timp a 4 lămpi, curentul I crește până la 0,7 A, iar tensiunea atinge circa 237 V.

Pentru cazul când modulului inferior :

Tabelul 4.11

Tabelul 4.11 demonstrează că puterea furnizată de generator este suficentă până când se aprind două lămpi în același timp (A2 cu semn negativ înseamnă curent care încarcă bateria);dacă se aprinde o a treia lampă. puterea integratoare este asigurată de baterie (A2 cu semn pozitiv înseamnă curent care circulă dinspre baterie). În plus. introducerea a unei a cincea lămpi va conduce la deconectarea invertorului datorită alimentării slabe a bateriei și a puterii modeste furnizate de generator

De fapt. invertorul. atunci când tensiunea V3 scade sub 10.5V. emite un semnal de alarmă după care se deconectează automat. sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la parametrii inițiali.

Randamentul invertorului:

unde: P = puterea consumată de becuri

A3 = curentul la intrarea în invertor

V3 = tensiunea la intrarea in invertor

Tabelul 4.12

Astfel, pe baza relației de mai sus s-au calculat randamentele invertorului în toare cele patru cazuri prezentate anterior (pentru conectarea concomitentă a 1, 2, 3, 4 sau 5 lămpi).

Din tabelul 4.12 reiese, în mod cert, că randamentul invertorului este aproximativ pentru cazurile celor două module conectate atât în serie, cât și în paralel, în cazul când se aprind două lămpi în același timp, În condițiile în care este aprinsă doar o lampă, respectiv cazul cu trei sau patru lămpi aprinse concomitent, se observă o diferență sensibilă între randamentele invertorului și în cazul conectării în serie și/sau parallel și în cazul modului superior și inferior.

Mai mult decât atât, în mod general, chiar dacă la funcționarea a două lămpi rezultă randamente ale invertorului apropiate, maximul randamentului este atins pentru utilizarea a patru lămpi în același timp, iar minimul sau deconectarea invertorului (cazul cel mai nefavorabil) se regăsește odată cu funcționarea a 5 lămpi în toate cazurile prezentate în tabel.

În particular, pe baza celor prezentate în table, se observă că randamentul maxim al invertorului este la varianta conectării în paralel a celor două module, având conectate un număr de patru lâmpi, iar minimul rezultă la conectarea modulelor în serie și care prezintă o singură lampă conectată.

Randamentul panoului solar:

unde: E = intensitatea radiației luminoase

S = suprafața panoului fotovoltaic

V1 = tensiunea la iesirea din panoul fotovoltaic

A1 = curentul la iesirea din panoul fotovoltaic

Tabelul 4.13

Din tabelul 4.13 se observă că randamentul panoului solar prezintă un maxim ân cazul utilizării unei singure lămpi, iar modulele sunt conectate în serie. În cazul conectării acestora în paralel randamentul panoului amintit anterior este foarte mic.

Se poate face o analogie cu cele menționate anterior, și similar randamentului invertorului, în cazul conectării a 5 lămpi randamentul se reduce considerabil, și tinde spre pragul minim. Deși în cazurile conectării lămpilor 1, 2, 3 sau 4, pentru modul Superior și Inferior, randamentele panoului solar pentru fiecare din cele 4 variante, sunt sensibil apropiate ca mărime, se poate observa că valoarea acestora este mică, ceea ce conduce la o funcționare necorespunzătoare a panoului.

Totodată se poate observa că dacă randamentul maxim este rezultat în cazul conectării celor două module în serie cu o singură lampă conectată și randamentul minim este întâlnit tot în această variantă dar la utilizarea a 4 lămpi concomitent.

Bibliografie

Mircea Gușă. Energetică generala. Editura Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iași. . 1993.

F.T Tanasescu. D. Moraru. C.I. Popescu. C. Popescu. Converia Energiei. Editura Tehnică. București. 1986.

I.Bostan. V. Dulgheru. I. Sobor. V Bostan. A. Sochirean. Sisteme de conversie a energiilor regenerabile. Editura Univ. Tehn. a Moldovei.- Chișinău.: „Tehnica-Info". 2007.

Laurențiu Fara. Sisteme fotovoltaice. Editura Matrix Rom. București. 2005.

Lucian Ciobanu. Surse de energie electrică. Editura Matrix Rom. București. 2010.

Tudor Ambros. I. Sobor. V. Arion. P. Todos. A. Gutu. Editura Univ. Tehn. a Moldovei.- Chișinău. 2000.

M. Paulescu. Algoritmi de estimare a energiei solare. Editura Matrix Rom. București. 2007.

Bibliografie

Mircea Gușă. Energetică generala. Editura Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iași. . 1993.

F.T Tanasescu. D. Moraru. C.I. Popescu. C. Popescu. Converia Energiei. Editura Tehnică. București. 1986.

I.Bostan. V. Dulgheru. I. Sobor. V Bostan. A. Sochirean. Sisteme de conversie a energiilor regenerabile. Editura Univ. Tehn. a Moldovei.- Chișinău.: „Tehnica-Info". 2007.

Laurențiu Fara. Sisteme fotovoltaice. Editura Matrix Rom. București. 2005.

Lucian Ciobanu. Surse de energie electrică. Editura Matrix Rom. București. 2010.

Tudor Ambros. I. Sobor. V. Arion. P. Todos. A. Gutu. Editura Univ. Tehn. a Moldovei.- Chișinău. 2000.

M. Paulescu. Algoritmi de estimare a energiei solare. Editura Matrix Rom. București. 2007.