Energii Regenerabile – Sistemele Fotovoltaice Si Modelarea Lor
Cuprins
CAP 1. INTRODUCERE ÎN LUMEA FOTOVOLTAICĂ
1.1Evoluție și energie
1.2 Energia solară
1.2.1 Utilizări ale energiei solare
1.2.2 Probleme actuale
1.2.3 Instalații fotovoltaice
1.2.3.1 Panourile fotovoltaice
1.2.3.2 Avantajele utilizării panourilor fotovoltaice
1.2.3.3 Dezavantajele panourilor fotovoltaice
1.3 Celula și sistemele fotovoltaice
1.3.1 Materialul semiconductor
1.3.1.1 Modelul de legatură
1.3.1.2 Modelul de bandă
1.3.1.3 Dopajul
1.3.1.4 Performanțe și recoltă energetică
1.4 Fotovoltaicele în țară
1.5 Ce doresc să realizez?
CAP 2. TEHNOLOGIA FOTOVOLTAICĂ – DETALII
2.1 Efectul fotovoltaic
2.2 Eficiența tehnologiei fotovoltaice
2.2.1 Expunerea optimală la radiația solară
2.2.3. Calculul parametrilor electrici ai panourilor fotovoltaice
2.3 Urmărirea punctului de putere maximă – MPPT
CAP 3. STUDIU DE CAZ
3.1 Prezentarea mediului de lucru și a problemei
3.2 Ecuația de ieșire a celulei fotovoltaice
3.3 Ecuația de ieșire a unui panou fotovoltaic
3.4 Parametrii modelului
3.5 Modelarea celulei
3.6 Modelarea celulei (varianta 2)
CAP 4. REZULTATE ȘI CONCLUZII
4.1 Rezultatele simulării
4.2 Concluzii
BIBLIOGRAFIE
CAP 1. INTRODUCERE ÎN LUMEA FOTOVOLTAICĂ
Evoluție și energie
Umanitatea nu și-a descoperit cu adevărat menirea pe această lume. Filozofii au apărut, altele sunt pe cale să fie exprimate. Unul dintre scopurile omului este considerată a fi evoluția și creația, lupta pentru a face o schimbare, lupta de a duce omenirea către perfecțiune. De la foc la roată, la tehnologia aburului, la industrie, la explorarea spațiului, omul întotdeauna a încercat să își depășească limitele pentru a-și crea un mod de trai mult mai bun și pentru a se îndrepta către noi înălțimi.
Omul și-a dat seama din timpuri străvechi că are nevoie de energie, chiar dacă nu s-a gândit atât de direct la concept. El știa că are nevoie de foc pentru a se încălzi, pentru a-și găti mâncarea, modela metalul; avea nevoie de vânt pentru a-și propulsa corăbiile. Una dintre energiile de care omul se temea, încă din momentul în care a apărut omul pe acest pământ, a fost electricitatea, manifestată sub forma fulgerelor. Omul a încercat să cunoască acest fenomen, dar nici în zilele noastre nu este cunoscut pe deplin. Tipul de energie generat de acest fenomen a început procesul de a fi cunoscut abia în secolul 15 și prin sfârșitul secolului 18 s-a descoperit sarcina electrică negativă și pozitivă.
În 1831, Faraday arată după o serie de experimentări că electricitatea se obține prin inducție, prin frecare, pe cale chimică sau termoelectrică, și mai târziu descoperă principiul cuștii Faraday. În anul 1832 constructorul francez de instrumente electrice Antoine-Hippolyte Pixii, a realizat prima mașina magneto-electrică, fiind vorba de un generator de curent continuu cu magneți permanenți.
Mai târziu în anul 1859, fizicianul italian Antonio Pacinotti, a realizat prima mașină electrică de curent continuu cu indusul având înfășurarea în inel, crestături și colector. Importante contribuții la dezvoltarea generatorului de curent continuu au avut și electrotehnicianul belgian Gramme, precum și inginerul și industriașul german Siemens, acesta fiind și cel care a experimentat în anul 1879 la Berlin prima linie de tramvai. Existența generatoarelor de curent continuu au impulsionat cercetările din domeniul iluminatului electric, rezultând astfel lampa electrică cu filament de cărbune, aparate pentru conectare, măsurare și protecție, toate acestea invenții ale lui Edison. Tot sub conducerea lui, în anul 1882, la New York, s-a construit prima centrală electrică din lume, cu ajutorul căreia s-a realizat iluminatul stradal. Însă curentul continuu utilizat de Edison, nu era potrivit transportului la mare distanță.
Descoperirea utilității curentului electric a dus la un boom economico-industrial, un impuls puternic pentru om, determinând o accelerare puternică în evoluția omului. În ultimul secol au apărut sute de invenții pe bază electrică care au schimbat complet modul de viață al omului.
Energia solară stă la baza majorității surselor de energie folosite în prezent de om. Chiar și procesele fundamentale ale vieții, precum fotosinteza și ciclul natural al apei, folosesc energia venită de la soare. Chiar dacă beneficiile energiei solare sunt cunoscute de secole doar în ultimii 50 de ani au fost create tehnologii specializate pentru valorificarea acesteia ca o formă alternative de energie fiindcă nu are nevoie de combustibili pentru producerea energiei și nu prezintă un pericol pentru mediul înconjurător.
Marea parte a centralelor electrice sunt din păcate pe bază termică. Mai exact, arderi care produc în principal dioxid de carbon și alți poluanți. Principalul dăunător este momentan dioxidul, care a determinat în ultimii ani, cea mai mare problemă a omeniei, chiar dacă marea majoritate a oamenilor nu conștientizează asta.
Problema constă în încălzirea globală datorită efectului de seră. Încălzirea globală are efecte profunde în cele mai diferite domenii. Ea determină ridicarea nivelului mării, extreme climatice, topirea ghețarilor, extincția a numeroase specii și schimbări privind sănătatea oamenilor. Împotriva efectelor încălzirii globale se duce o luptă insuficient de intensă, al cărei aspect central este ratificarea de către guverne a Protocolului de la Kyoto privind reducerea emisiei poluanților care influențează viteza încălzirii. Datorită oamenilor de știință cu spirit ecologist, care au trăit și trăiesc cu frica că familiile lor vor avea de suferit datorită acestui fenomen, s-au căutat metode de generare a energiei electrice și de propulsare a mijloacelor de transport fără a se produce cantități imense de poluanți.
S-au încercat multe metode, multe sunt folosite, multe nu. Ce-a mai încercată și nereușită variantă este dezvoltarea unui principiu de perpetuum-mobile, care în definiție este un dispozitiv care își menține o mișcare ciclică permanentă încălcând legile de conservare acceptate, sau încălcând ireversibilitatea fenomenelor din natură, ireversibilitate de asemenea acceptată. există diverse perpetuum-mobile, numai că sunt dispozitive care nu funcționează:roata dezechilibrată, planuri înclinate, cupa lui Boyle, etc.
Fig. 1.2 : Exemple de perpetuum mobile
În paralel cu aceste încercări de a păcăli fizica, s-au creat și metode de generare a energiei mai ușor de convertit și folosit, energia electrică. Hidrocentralele sunt cele mai răspândite la momentul actual, dar râurile sunt cam saturate deja. O altă variantă este centrala nucleară, care produce, din păcate, resturi poluante extrem de periculoase, dar totuși în cantități mici, care amplasate corect și etanșare nu afectează nici o ființă vie. Problema cu aceste centrale este că sunt greu controlabile, stingerea/aprinderea ține cam o lună, și în caz de urgență devine instabilă și reamintește de dezastrul de la Cernobîl, care după 24 de ani, încă își lasă simțită prezența.
S-a trecut în ultimii ani la resurse regenerabile de energie: puterea vântului prin centrale eoliene, puterea valurilor, puterea căldurii interne a pământului, puterea soarelui, alte resurse regenerabile. Una dintre centralele interesante este cea pe bază de gunoi menajer, despre care în 2008 s-a anunțat că și România va avea o astfel de centrală, planul era ca pe sfârșitul anului 2009 să fie funcționabilă.
1.2 Energia solară
Soarele reprezintă sursa de energie a Pământului, contribuind la menținerea temperaturii planetei. Fără acesta, pământul ar avea o temperatură de aproape 0 grade Kelvin, temperatură la care încetează orice mișcare (inclusiv a electronilor).
Soarele este o sursă, aproape inepuizabilă, de energie, în sens că radiația soarelui ne va mai încălzi și oferi energie încă 4-5 miliarde de ani de acum încolo. într-un singur an, el trimite spre pământ de 20.000 de ori energia necesară întregii populații a globului, mai exact, primim de la soare anual o cantitate de energie de 15177*1014 kWh.
Fig. 1.3 Interacțiunile dintre energia solară, atmosferă și suprafața terestră
Soarele produce energie prin fuziunea nucleară a hidrogenului producând heliu. Radiația solară, odată ajunsă pe planeta noastră, este folosită de plante, care prin fotosinteză, transformă această energie în energie chimică. La origine, toate formele de energie au origine solară. Sursele de energie de origine fosilă: țițeiul, cărbunele, gazul natural au fost inițial produse prin procese fotosintetice iar apoi fiind supuse unor temperaturi și presiuni mari pentru o perioadă îndelungată de timp s-au transformat în ceea ce sunt astăzi. Vântul este o consecință a iradierii neuniforme a suprafeței terestre, fiind cauzat de diferențele de temperatură dintre diferite regiuni.
Durata de viață a astrului solar este de 5 miliarde de ani, ceea ce conduce la concluzia că, pe scara noastră a timpului, el reprezintă o energie inepuizabilă și deci regenerabilă. Energia totală captată de scoarța terestră este de 720*106 TWh pe an. Energia solară se referă la o sursă de energie reînnoibilă care este direct produsă prin lumină și radiație solară.
În drumul spre atmosferă, radiația solară este modificată de următoarele procese:
împrăștierea Rayleigh, care este responsabilă de culoarea albastră a cerului;
benzile de absorbție ale componentelor atmosferei (oxigen, ozon, azot). Aproape toată radiația cu λ < 0,29 μm este absorbită de ozon;
absorbția moleculară a H2O și a CO2 . Aproape toată radiația solară cu λ >3 μm este absorbită de apă și bioxid de carbon, cu excepția așa-numitelor ferestre atmosferice care sunt situate la lungimi de undă mult mai mari;
împrăștierea datorată aerosolilor și altor particule din atmosferă, care are loc la lungimi de undă foarte mici;
refracția și turbulența datorate variației indicelui de refracție cu temperatura și presiunea.
La radiația solară directă, se adaugă componenta difuză provenită de la bolta cerească, care depinde de conținutul de aerosoli, nori și de reflexia datorată caracteristicilor suprafeței terestre în locul dat. Radiația difuză are maximul în regiunea albastră a spectrului și contribuie cu 8-10% la radiația totală.
Spectrul solar în afara atmosferei este AM0 și se apropie mult de radiția corpului negru la 5800oK, radiația fiind de 1366 W/m2 . La AM1 ( incidența normală), radiația scade de la valoarea de 1366 W/m2 la valoarea de 925 W/m2 , iar la AM1,5 (adică soarele la45o ) radiația este de 844 W/m2 .
De-a lungul unei zile, unghiul zenital variază continuu, deci conținutul spectral al radiației solare, AM, variază continuu. Media radiației solare pe 24h este aproximativ 0,2 din valoarea maximă a acestei radiații, în sursul zilei, dar acest coeficient depinde puternic de factorii locali. AM se apropie de unitate în condiții atmosferice perfecte, la z=0. Spectrele (AM1,5 sau AM2 ) sunt valori aproximative ale mediei diurne a spectrului, folosite la definirea eficienței de conversie a dispozitivelor de conversie a energiei solare.
Intensitatea și compoziția spectrală a radiației solare care ajung la suprafața pământului depind de compoziția atmosferei terestre și de lungimea drumului parcurs la suprafața Pământului. Cei mai importanți parametri ai atmosferei care au impact asupra radiației solare sunt :
conținutul de apă
turbiditatea, ca expresie a transparenței și a împrăștierii radiației
conținutul de ozon
existența norilor
reflexia suprafeței terestre
Din cauza variațiilor mari ale radiației solare și a condițiilor mediului ambiant, s-au definit condiții de testare și de calificare ale dispozitivelor de conversie a energiei solare, acceptate ca norme de către producătorii și utilizatorii de sisteme de conversie a energiei soarelui în energie electrică și/sau termică. Comitetul Electrotehnic Internațional (CEI) , în speță, Grupul de lucru TC 82, se ocupă de standardizarea în acest domeniu, implicând în această activitate specialiști cu bogată experiență practicăe apropie de unitate în condiții atmosferice perfecte, la z=0. Spectrele (AM1,5 sau AM2 ) sunt valori aproximative ale mediei diurne a spectrului, folosite la definirea eficienței de conversie a dispozitivelor de conversie a energiei solare.
Intensitatea și compoziția spectrală a radiației solare care ajung la suprafața pământului depind de compoziția atmosferei terestre și de lungimea drumului parcurs la suprafața Pământului. Cei mai importanți parametri ai atmosferei care au impact asupra radiației solare sunt :
conținutul de apă
turbiditatea, ca expresie a transparenței și a împrăștierii radiației
conținutul de ozon
existența norilor
reflexia suprafeței terestre
Din cauza variațiilor mari ale radiației solare și a condițiilor mediului ambiant, s-au definit condiții de testare și de calificare ale dispozitivelor de conversie a energiei solare, acceptate ca norme de către producătorii și utilizatorii de sisteme de conversie a energiei soarelui în energie electrică și/sau termică. Comitetul Electrotehnic Internațional (CEI) , în speță, Grupul de lucru TC 82, se ocupă de standardizarea în acest domeniu, implicând în această activitate specialiști cu bogată experiență practică în conversia energiei solare.
Una din utilizările radiației solare o constituie transformarea acesteia în electricitate prin intermediul procesului fotoelectric.Efectul fotoelectric, respectiv, transformarea energiei solare („foton”) în energie elecrică („volt”) a fost descoperit în 1839 de fizicianul A. Becquerel.
Vaporii de apă, bioxidul de carbon și alte gaze existente în atmosferă, contribuie la absorbția radiației solare. Prin absorbție energia se transformă în căldură, iar radiația difuză este retrimisă în toate direcțiile.
Fig. 1.4 Diferența dintre radiația difuză și directă (la sol)
Interesant este faptul că radiația difuză are o pondere mai mare decât cea directă, din radiația totala ajunsă la sol. Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeței Pământului, perpendicular pe direcția razelor solare, pentru condițiile în care cerul este perfect senin și lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale și Europei de Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m2 . Această valoare reprezintă suma dintre radiația directă și difuză.
Fig. 1.5 Cantitatea de radiații solare care ajung la sol și ar putea fi colectate de panourile solare
Radiația solară este influențată de modificarea unghiului format de direcția razelor soarelui cu planul orizontal, unghiul de înclinare a axei Pământului și latitudinea geografică.
După cum se vede în figura 1.4, radiația solară diferă semnificativ de la o zonă geografică la alta. Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta, de la o zi la alta, diferă din oră în oră, în aceeași localitate și cu atât mai mult de la o localitate la alta. În Europa, radiația solară medie anuală variază între 800kWh/m2 în zonele nordice îndepărtate și ajunge până la 2200kWh/m2 în zonele sudice ale Spaniei, În Malta, Sicilia, Creta. După cum se vede, zona ideală în Europa pentru construirea unei centrale electrice fotovoltaice este jumătatea sudică a Spaniei, unde radiația solară este între 1900-2200 kWh/m2.
Radiația solară este influențată de modificarea permanentă a câtorva parametrii importanți, cum sunt:
Înălțimea soarelui pe cer (unghiul format de direcția razelor soarelui cu planul orizontal)
Unghiul de înclinare a axei Pământului;
Modificarea distanței Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe o traiectorie eliptică, ușor excentrică.)
• Latitudinea geografică
Aceștia sunt factori care influențează însorirea la nivel generalisim/global. Sunt și factori care influențează la nivel local. Gradul de poluare a zonei respective determină gradul de însorire a zonei respective. Poluarea este un factor puternic în difuzia luminii și în reflexia acesteia. Claritatea aerului și gradul de seninătate a cerului influențează iarăși scăderea radiației directe.
Fig. 1.6 Variația radiației solare în funcție de direcția razelor solare
pentru diferite situații atmosferice
România este o țară cu un potențial energetic solar acceptabil. Există zone în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450… 1600kWh/m2/an, în zona litoralului Mării Negre și Dobrogea, ca și în majoritatea zonelor sudice. În majoritatea regiunilor țării, fluxul energetic solar anual, depășește 1250…1350kWh/m2/an.
Aceasta indică un potențial energetic care ar justifica folosirea energiei solare pentru a produce energie utilizabilă. Mai exact, s-ar merita construirea unor centrale electrice solare. În figura 1.7este prezentată schematic repartizarea energiei solare care ajunge la suprafața solului în țara noastră. Din această cauză s-au început câteva proiecte în vederea folosirii acestei energii, unul dinte ele fiind Casa verde, care a fost programat să înceapă în 01.06.2010.
Fig. 1.7 Harta schematică a radiației solare în România
1.2.1 Utilizări ale energiei solare
Utilizarea energiei solare în clădiri are la bază două concepte:
utilizarea pasivă a energiei solare, care se realizează fără mijloace mecanice de conversie a energiei. Elementele de conversie și de stocare fiind practic toate materialele de constucție folosite, făcându-se apel doar la mijloace de conversie temică
utilizarea activă a energiei solare, care folosește convertoare special concepute pentru a mări cantitatea de energie solară colectată. În acest caz, se utilizează două procedee de conversie: termică si fotovoltaică.
1.2.2 Probleme actuale
Impactul factorilor de mediu, sociali, economici și tehnici a dus la o dezvoltare accelerată a tehnologiilor ce stau la baza producerii de energie regenerabilă. Încorporarea acestora în sistemul existent de producere și transport al energiei reprezintă o necesitate globală a societății actuale. În secolul precedent cea mai mare parte a energiei a fost produsă cu ajutorul combustibililor fosili. Cererea de produse petroliere este în continuă creștere. Aceeași este și situația cu prețul lor. Pe lângă acestea resursele sunt limitate. Dacă economia mondială continuă săa crească la fel se va intâmpla și cu cererea de energie electrică. Tehnologiile energiei regenerabile sunt capabile să facă față creșterii continue a cererii de energie electrică la un preț apropiat, sau chiar mai mic, decât al energiilor convenționale. Această perspectivă promițătoare reflectă progresul tehnic ce a avut loc în ultimele două decenii în domeniile electronicii, biotehnologiei, știința materialelor și alte domenii.
Un alt avantaj major al echipamentelor folosite pentru producerea energiei regenerabile este dimensiunea mică și construirea rapidă a facilităților. Cea mai mare parte a echipamentului pentru energii regenerabile este contruit în fabrici, unde cu ajutorul tehnicilor moderne de manufactură costurile sunt considerabil reduse. Aceasta este în contrast cu uzinele de producere a energiei convenționale ce necesită o construire extensivă și necesită mai mult timp de la stadiul de proiect până la punerea în funcțiune.
Componenta de bază a unui sistem fotovoltaic este celula solară. Dacă lumina comportă energia necesară la impactul cu materialul semiconductor, aranjat sub forma unei joncțiuni p-n, se vor produce electroni liberi în apropierea joncțiun2. Electronii eliberați se mișcă prin celulă până la suprafață de unde intră într-un circuit electric prin conductorii metalici atașați suprafeței celulei.
1.2.3 Instalații fotovoltaice
Prin intermediul tehnicii fotovoltaice (FV) are loc o conversie directă a luminii solare în energia electric. În acest scop se folosește efectul fotovoltaic în căruia sarcinile anumitor semiconductori (siliciu) sunt eliberate sub acțiunea energiei luminii. În țările sau comunitățile unde se acordă bonificații superioare prețului actual al energiei electrice la introducerea în rețea a energiei electrice fotovoltaice, instalația fotovoltaică este direct conectată la rețeaua public și toată energia electric astfel produsă este introdusă in rețea. Dimensiunea instalației nu depinde ăn consecință de consumul de energie electrică ci numai de posibilitățile financiare sau de suprafața disponibilă pentru instalarea panourilor fotovoltaice.
O instalație fotovoltaică conectată la rețea se compune din următoarele componente:
generator fotovoltaic
circuit, cablaj de curent continuu
invertor (transformă curentul continuu în curent alternativ)
protecții si contor
consumator, rețeaua casei
1.2.3.1 Panourile fotovoltaice
Transformă radiația solară în energie electrică. Un panou fotovoltaic este compus din mai multe celule solare legate în serie sau paralel. Randamentul unor asemenea panouri este cuprins între 8-20%, în funcție de gradul de absorbție a radiației solare. Eficiența destul de scazută a panourilor fotovoltaice actuale este în principal datorată faptului că din spectrul solar vizibil doar o mică parte de frecvențe de undă a radiațiilor luminoase sunt transformate în electricitate.
Panourile fotovoltaice generează curent continuu, cu parametri variabili, inadecvați încărcării unor acumulatori. Din acest motiv este nevoie de un convertor care să transforme energia electrică produsă de panurile fotovoltaice în energie electrică cu parametri bine determinați. Acest convertor are și diverse funcții de protecție a acumulatorilor și a panoului fotovoltaic.
Un panou solar fotovoltaic spre deosebire de un panou solar termic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie electrică. Componentele principale ale panoului solar reprezintă celulele solare.
Pentru a îndeplini condițiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se vor asambla în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura:
protecție transparentă împotriva radiațiilor și intemperiilor
legături electrice robuste
protecția celulelor solare rigide de acțiuni mecanice
protecția celulelor solare și a legăturilor electrice de umiditate
asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare
proteția împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate
posibilitatea manipulării și montării ușoare
1.2.3.2 Avantajele utilizării panourilor fotovoltaice
Avantajul este reprezentat în primul rând de posibilitatea asigurării energiei electrice în locații izolate care nu au acces la rețeaua de furnizare de energie electrică.Un astfel de sistem este ușor de instalat, nu necesită cunoștințe speciale în domeniul energetic, întreținerea panourilor este facilă, acestea nu necesită decât curățarea de impuritățile ce se atașează pe suprafața acestora.
Durata medie de utilizare a acestor panouri este de 20-25 ani, singura componentă care necesită o atenție mai sporită și a cărei durată de viață este mai scurtă în cazul sistemelor insulare sunt bateriile.
Un alt avantaj considerabil al acestor sisteme este că se pot extinde în cazul apariției unor consumatori electrici suplimentari. Alt avantaj al panourilor fotovoltaice este acela că sunt prietenoase cu mediul înconjurator. Acest lucru este valabil mai ales pentru panourile monocristline care nu conțin materiale toxice și , de asemenea, oferă posibilitatea de a conserva combustibilii fosili și nu emit gaze nocive pentru mediu.
1.2.3.3 Dezavantajele panourilor fotovoltaice
Răspândirea foarte limitată a utilizării terhnologiei pentru captarea energiei solare are foarte multe cauze.
În primul rând, tehnologia de captare a energiei solare este încă la început și este costisitoare. Prețul producerii unui WATT în prezent, prin intermediul celulelor fotovoltaice este de 6-7 ori mai mare decât al producerii sale în termocentrale. De aceea investiția inițială într-un sistem de producere a energieiprin captarea razelor solare este mare, chiar dacă amortizarea se produce în timp, sistemele fiind în general foarte fiabile și putând funcționa 10-25 de ani fără mari costuri de întreținere.
În plus, panourile solare au un randament foarte scăzut dacă raportăm cantitatea de energie produsă la dimensiunea lor ; pentru acoperirea necesităților unei locuințe fiind necesare panouri solare de câteva zeci de metri pătrați. Dar și acest lucru se va schimba pe măsură ce tehnologia evoluează.
Cel mai mare dezavantaj este însă acela că energia solară este dependentă de razele soarelui, cu alte cuvinte de cantitatea de radiații solare care ajung pe Pământ. Iar aceasta este variabilă, în funcție de oră, de perioadă a anului, de condițiile atmosferice, etc. Și nu în ultimul rând, randamentul sistemelor solare depinde în mare măsură de unghiul sub care cade raza de soare pe panoul solar, așadar de poziția pe glob. Energia solară este cu siguranță o alternativă, la fel ca și energia eoliană sau marină pentru că în condițiile actuale, necesarul eneregetic al Terrei are nevoie de existența centralelor pe bază de cărbune sau nucleare. Dar în viitor , acest fapt se va schimba cu siguranță.
Un alt dezavantaj al energiei solare este acela că nu este o energie concentrată precum combustibilii fosili. Prin urmare, utilizarea ei în cazul automobilelor sau altor forme mecanizate este dificilă, daca luăm în considerare rezultatul energetic. Decizia alegerii unui astfel de sistem depinde de necesitățile și posibilitățile fiecărei persoane în parte, de locația în care se află și mai ales de banii de care dispune fiecare. Este o investiție folositoare, dar și costisitoare și în nici un caz nu este una care face minuni.
1.3 Celula și sistemele fotovoltaice
Fenomenul de apariție a unei tensiuni electromotoare în materiale solide, sub acțiunea energiei solare este denumit efect fotovoltaic. Acesta a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839. Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafața acestuia interacționează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acțiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele, a căror funcționare se bazează pe efectul fotovoltaic, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Materialul cel mai utilizat pentru fabricarea de celule solare pe bază de semiconductori este Siliciul. Dacă la început pentru producerea celulelor solare se utilizau deșeuri rezultate din alte procese tehnologice pe bază de semiconductori, astăzi se apelează la materiale special în acest scop fabricate. Pentru industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape ideal. Este ieftin, se poate produce întru-un singur cristal la un înalt grad de puritate, și se poate impurifica (dopa) în semiconductor de tip “n” sau “p”. Prin simpla oxidare se pot crea straturi izolatoare subțiri.
Totuși lărgimea zonei interzise fac siliciul mai puțin potrivit pentru exploatarea directă a efectului fotoelectric. Celule solare pe bază pe siliciu cristalin necesită o grosime de strat de cel puțin 100μm pentru a putea absorbi lumina solară eficient. La celulele cu strat subțire de tip semiconductor direct, ca de exemplu, GaAs sau chiar siliciu cu structură cristalină puternic perturbată, sunt suficiente 10μm.
Siliciu este al doilea element chimic din compoziția scoarței terestre în privința cantității. Se regăsește în compuși chimici cu alte elemente formând silicat sau cuarț. Siliciul brut numit și siliciu metalurgic se obține din cuarț prin topire în furnal. Reducerea siliciului se petrece cu ajutorul carbonului la o temperatura de cca 1700°C, rezultând la fiecare tonă de siliciu metalurgic de puritate de cca 98-99 % în jur de 1,5 tone de CO2. Prin acest procedeu în 2002 s-au produs 4,1 tone de siliciu. Mare parte din acesta este utilizat de industrie la fabricare a oțelului și în industria chimică și numai o mică parte în microelectronică și la fabricarea de celule fotovoltaice.
Deoarece între timp, consumul de siliciu de înaltă puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a întrecut pe cel pentru microelectronică, actualmente se fac cercetări intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai ieftine optimizate pentru celule solare.
Cu toate că procesul de producție a siliciului pur este foarte energofag (consumatoare de multă energie), energia consumată la fabricarea celulelor solare, în funcție de tehnologia utilizată, se poate recupera în 1,5 până la 7 ani. Dacă se ia în considerare că durata de viață a panourilor solare este de peste 20 ani, bilanțul energetic rezultat este pozitiv.
Siliciul pur, în continuare, poate fi prelucrat în mai multe feluri, în urmă căreia, rezultă diferite aspecte, eficiențe, costuri finale. Se disting 3 tipuri principale de celule fotovoltaice pe bază de siliciu, folosite la scară mare din punct de vedere comercial:
– monocristaline;
– policristaline;
– amorfe
Monocristalinele se obțin sub formă de bară prin turnarea siliciului pur. Aceste bare sunt feliate în plăci foarte subțiri cu un fierăstrău special constând dintr-o sârmă lungă pe care s-au aplicat particule de diamant și care este înfășurată pe cilindri ce se rotesc. Un bloc este complet secționat în plăcuțe de cca 0,18…0,28 mm la o singură trecere. Praful rezultat în urma debitării este inutilizabil și reprezintă până la 50 % din material. Acest proces tehnologic asigură cel mai ridicat nivel de eficiență a conversiei fotoelectrice, dar este și cea mai costisitoare variantă. Pentru obținerea de plăcuțe de siliciu la început se utiliza materia primă excedentară rezultată din fabricarea de circuite integrate, care nu corespundea calitativ dar era potrivită pentru fabricarea celulelor solare. Datorită cererii mult crescute a producției de panouri solare, această sursă are o importanță nesemnificativă. Celulele monocristaline prezintă o suprafață omogenă.
Fig. 1.8 Celulă din siliciu monocristalin
Policristalinele se obțin în urma unui proces de producție mai puțin ieftin. Siliciul pur se topește într-un cuptor cu inducție după care se toarnă într-un recipient de formă pătrată în care se supune la un proces de răcire cât mai lent posibil în cursul căruia vor apare cristale cât mai mari posibil. Recipientul are dimensiunile 50*50 cm, masa solidificată având înălțimea de 30 cm. Blocul, astfel solidificat, se taie în mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. La marginea cristalelor se poate observa unele defecte, diferențe între cristale. Ca urmare a acestor defecte, celulele fotovoltaice fabricate prin această metodă sunt mai puțin eficiente decât cele monocristaline, cel puțin teoretic.
Un alt mod reprezintă turnarea continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe suport la dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminarea pierderilor rezultate din tăiere. Procedeul numit după Percy Williams Bridgman este aplicat în procesul de fabricare a siliciului policristalin. Siliciul pur se topește tot într-un cuptor cu inducție dar procesul de răcire în urma căruia în masa topită se formează mari zone ocupate de câte un cristal are loc chiar în cuptor. Materialul se supune unei încălziri progresive pornind de la bază astfel încât în momentul topirii stratului superior, la bază deja se produce întărirea materialului.
Dimensiunile blocurilor obținute sunt mai mari (60*60 cm –70*70 cm) cu înălțimea de 20-25 cm, și se procedează la tăierea lor în blocuri mai mici având lungimea de 20-25 cm.
Fig. 1.9 Celulă din siliciu policristalin
Structura amorfă se obține prin depunerea unui film extrem de subțire de siliciu pe o suprafață de sticlă, sau pe un substrat realizat dintr-un alt material. În acest caz, solidificarea atomilor nu se realizează într-o structură cristalină ci sub forma unei rețele atomice cu dispunere neregulată, denumită structură amorfă. În această rețea atomică apar și numeroase defecte, care diminuează performanțele electrice ale materialului. Grosimea stratului amorf de siliciu, obținut prin această metodă este mai mică de 1μm. Pentru comparație grosimea unui fir de păr uman este de 50…100μm. Costurile de fabricație ale siliciului amorf sunt foarte reduse, datorită cantității extrem de reduse de material utilizat, dar eficiența celulelor fotovoltaice care utilizează siliciu amorf este mult mai redusă decât a celor care utilizează structuri cristaline de material.
Datorită costului redus, celulele fotovoltaice cu siliciu amorf se utilizează preponderent la fabricarea echipamentelor cu putere redusă, cum sunt ceasurile sau, calculatoare de buzunar. Aceste celule ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25 % în primul an de funcționare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din documentele de însoțire nu se dă puterea atinsă la fabricație ci puterea de după procesul de îmbătrânire.
Ca urmare, acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumpărare decât cele din documente. Îmbătrânirea se produce sub acțiunea luminii și este rezultatul așa numitului efect Staebler-Wronski (SWE). În cadrul acestuia, siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H) metastabil trece printr-o fază de creștere concentrației defectelor cu un ordin de mărime, paralel cu scăderea conductivității și deplasarea nivelului Fermi către mijlocul distanței dintre banda de valență și banda de conducție. După circa 1000 ore de expunere la soare, celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.
Fig. 1.10 Celulă din siliciu amorf
Celulele cu GaAs (GaliuArseniu) au randament mare, care este foarte stabil la schimbările de temperatură, la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu. Este robust vizavi de radiația ultravioletă. Este totuși o tehnologie mai scumpă și din această cauză este utilizează de obicei în industria spațială.
Celulele cu CdTe utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD (depunere de staturi subțiri pe suprafețe mari în mediu cu pH , temperatură și concentrație de reagent controlate).
Alte tehnologii : CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs de firma Würth Solar în Marbach am Neckar, Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell în Berlin, CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în stație pilot în Uppsala/Suedia.
Fig. 1.11 Tipuri de celule fotovoltaice des folosite și randamentele lor
Celulele fotovoltaice au de obicei o suprafață foarte mică. Curentul și tensiunea generate de o singură celulă sunt mici. Celulele fotovoltaice sunt conectate în serie pentru a genera o tensiune suficient de mare pentru a se putea lucra ușor cu ele, astfel formând module fotovoltaice. Acestea sunt legate la rândul lor în paralel pentru a genera curenți cât mai mari.
Mai multe module formează un panou fotovoltaic. Un panou fotovoltaic poate ajunge să genereze puteri de ordinul waților la ordinul sutelor de wați, în funcție de numărul de celule și de eficiența tehnologiei folosite. Cele mai utilizate/comercializate panouri fotovoltaice sunt cele cu 36-38 celule în total. Acestea generează în general o tensiune de între 12-24V. Aceste panouri sunt ușor utilizabile datorită faptului că trebuie doar stabilizată tensiunea și astfel se stochează ușor în baterii.
Acesta trebuie să facă față unor condiții de lucru neprielnice, pentru aceasta, panourile sunt încapsulate în materiale rezistente la condiții meteo neplăcute, ceea ce înseamnă totul de la îngheț la încălzire extremă, ploaie și grindină. Aceste sisteme sunt componentele de bază ale instalațiilor, adică, de obicei se cumpără panouri individuale, mai repede decât module sau celule individuale.
Fig. 1.12 Panouri fotovoltaice formând o matrice de panouri
În figura 1.13 este prezentat un sistem clasic complet fotovoltaic insular, mai exact, întregul sistem electric, alimentat strict fotovoltaic, al casei este complet izolat de rețeaua electrică națională.
Sistemul este alcătuit din următoarele componente:
• panouri fotovoltaice
• regulatorul de încărcare al bateriilor (convertor Buck sau Boost)
• grupul de baterii de 12, 24 sau 48 V
• invertor, ce transformă curentul continuu CC in curent alternativ CA, și conține și un transformator pentru a obține 220V.
• consumator CC
• consumator CA
Fig. 1.13 Sistem fotovoltaic insular complet și izolat
Aceasta configurație este destul de complexă. Sunt folosite baterii pentru stocarea energiei electrice produse in timpul zilei. Alimentarea consumatorilor se face direct in curent continuu si alternativ in mod permanent zi si noapte, datorită rețelei de CC și invertorului. Capacitatea sistemelor pot atinge ușor valori de zeci de kilowați.
Situațiile unde s-ar putea folosi acest tip de sistem sunt:
• unele case
• cabane turistice
• aplicații industriale, comerciale, agricultură, alimentare stații izolate cu diverse destinații
• iluminat public
• alimentare panouri publicitare
Materialul semiconductor
Semiconductorii sunt materiale ce la temperaturi scăzute se comportă ca un izolator iar când este disponibilă energia se comportă precum un conductor. Proprietățile electrice pot fi explicate folosind două metode: cel de legătură și cel de bandă.
1.3.1.1 Modelul de legatură
Modelul de legatură folosește legăturile covalente ale atomilor de siliciu pentru a descrie comportamentul semiconductor. Figura 1.14 ilustrează legăturile și mișcarea atomilor în rețeaua cristalină a siliciului. La temperaturi scăzute legaturile sunt intacte iar siliciul se comportă ca un izolator.
La temperaturi mai ridicate unele legături se rup iar conducția poate avea loc prin două procese:
electronii din legături devin liberi să se deplaseze
electronii din legăturile vecine se pot deplasa într-un gol format de o legătură ruptă, permițând golului sa se comporte ca un purtător de sarcină pozitivă.
Fig 1.14
1.3.1.2 Modelul de bandă
Modelul de bandă descrie comportamentul semiconductor în termeni de nivele de energie între benzile de valență și cele de conducție. Acest lucru este ilustrat în Figura 1.15 . Electronii din benzile covalente au energii ce corespund cu cele din banda de valență.
În banda de conducție electronii sunt liberi. Banda interzisă corespunde energiei minime necesare eliberării unui electron dintr-o legatură covalentă în banda de conducție unde poate conduce un curent. Golurile rămase conduc în direcția opusă, dar în banda de valență , după cum e descris în modelul de legatură.
Fig 1.15
Dopajul
Este posibilă schimbarea echilibrului de electroni și goluri într-o rețea de siliciu prin dopajul cu alți atomi. Atomii cu un electron de valență în plus față de materialul semiconductor sunt folosiți pentru a produce semiconductorul de tip n. Atomii cu un electron de valență în minus sunt folosiți pentru a obține semiconductorul de tip p.
Performanțe și recoltă energetică
O instalație fotovoltaică necesită pentru o putere de vârf de un kW o suprafață de acoperiș de cca. 10m2 ( dacă se folosesc celule fotovoltaice mono sau policristaline). Cantitatea cea mai mare de curent solar este produsă dacă acoperișul este orientat spre sud și are o inclinare de 30o. O orientare a instalației fotovoltaice spre sud-vest sau sud-est reduce recolta energetică cu mai puțin de 10%. Aceeași afirmație este valabilă și pentru înclinări ale acoperișului de 10 și respectiv 60o.
Recolta energetică a unei instalații fotovoltaice orientată spre sud este , rotunjit, 750 până la 850 kWh pentru fiecare kW de vârf, kWPeak , în sudul Germaniei, în condiții optime se pot recolta peste 900 kWh pentru fiecare kWPeak. O umbrire a intalației fotovoltaice de către copaci sau hornuri trebuie să fie evitată, deoarece în caz contrar recolta energetică este redusă.
1.4 Fotovoltaicele în țară
La noi în țară conceptul de alimentarea locuințelor sau întreprinderilor prin intermediul panourilor fotovoltaice nu este nou. În schimb nu am reușit până acum să construim o centrală care să folosească această tehnologie.
S-a propus acum ceva timp în parlament începerea unui proiect de subvenții provenite din buget care se alocau celor care doreau să achiziționeze sisteme ecologice de generare a curentului electric, statul achitând (prin subvenții) în jur de 70-80% din costurile totale.
Potențialul energetic cel mai mare în tara noastră o au zonele sudice și zonele sud-estice: Dobrogea, Câmpia Română. Cu toate acestea, recent s-au demarat mai multe proiecte de amplasare a unor centrale fotovoltaice prin întreaga țară.
1.5 Ce doresc să realizez?
Teoretic, urmăresc să realizez o centrală electrică, într-un viitor, sper, nu foarte îndepărtat. Pentru această lucrare îmi propun să o iau pas cu pas și să modelez o celulă fotovoltaică și funcționarea acesteia, în mediul de lucru Matlab/Simulink. Problema de bază în modelările în acest mediu este lipsa unui bloc care să integreze funcționarea unei celule.
Eu îmi propun să încerc să modelez:
– un panou fotovoltaic cu Ns celule legate în serie și Np legate in paralel
Dacă voi reuși, voi avea un model folosibil a unei celule fotovoltaice care să mă ajute pe viitor în simulările ce vor urma în ceea ce privește reîncărcarea unui acumulator de autovehicul electric.
CAP 2. TEHNOLOGIA FOTOVOLTAICĂ – DETALII
2.1 Efectul fotovoltaic
Def. Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare într-un material solid aflat sub acțiunea luminii este denumit efect fotovoltaic.
Numele efectului provine de la termenul grecesc phos (lumină) și de la numele fizicianului care a realizat prima baterie electrică din lume, Allesandro Volta. Datorită polarizării electrice a materialului, în urma eliberării de electroni și goluri, ce are loc odată cu expunerea la lumină, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis.
Fig. 2.1 : Structura energetică a materialelor semiconductoare
Electronii se învârt în jurul nucleelor atomilor la diferite nivele energetice. Nivelele se numesc benzi sau straturi. Acestea sunt nivele sunt accesibile pentru electroni în orice moment, dar sunt separate de către alte benzi energice „interzise”, aceste zone fiind recunoscute ca „bariere energetice” pentru electroni. Una dintre benzile accesibile se numește banda de valență. Următorul nivel accesibil, dar în general goală, este banda de conducție. Fiecare material are nivele energetice diferite la banda de valență, banda de conducție și implicit la bariera energetică. Diferența dintre valorile energiilor benzilor ΔE reprezintă valoarea energetică a barierei energetice dintre cele două benzi.
ΔE=EC−EV
Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzisă ΔE are valori între 0,2 și 2,3 eV. Pentru siliciul monocristalin, valoarea lui ΔE este aproximativ 1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la 1,7eV, din această cauză, siliciul amorf este mai puțin eficient, electronii necesitând o energie mai mare pentru a devenii conductor.
Energia undelor electromagnetice este:
E = h∗ν
h – constanta universala a lui Plank h = 6,626 * 10-34 Js
ν – frecvența de oscilație a luminii, care reiese din:
𝑐= λ ∗ ν
λ – lungimea de undă a luminii
c – viteza luminii, 299.792.458 m/s
Folosind un sistem de 2 ecuații cu o necunoscută, se poate determina că pentru intervalului energetic 0,2 – 2,3 eV îi corespunde intervalul de lungimi de undă 6,2 – 0,5 μm, deci fotonii din domeniul vizibil și infraroșu sunt cei ce determină tranziția. Aceste valori ale barierei energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valență pentru ca aceștia să devină liberi, în urma trecerii lor pe banda de conducție. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiația solară, fotonii, sau cuantele de lumină, pot transmite electronilor de pe banda de valență, energia necesară ΔE pentru a depăși bariera energetică și a trece pe banda de conducție.
Acest fenomen este esențial pentru funcționarea celulelor fotovoltaice. În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, siliciul pur, sub diverse forme și tipuri de cristale, este dopat cu diferite elemente chimice pentru a duce la creșterea numărului de sarcini electrice negative (electroni) sau pozitive (goluri). Se obțin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice care predomină. Siliciul dopat este un semiconductor mai bun decât cel pur. Doparea cu Fosfor, spre exemplu, induce în siliciu sarcini suplimentare negative, siliciul astfel dopat devenind siliciu tip n ( Fosforul are valența 5 și siliciul are valența 4, astfel, astfel orice impuritate cu valența mai mare decât cea a siliciului este capabil să doneze electroni suplimentari. Doparea siliciului cu Bor duce la formarea unui semiconductor de siliciu tip p, acesta având un exces de sarcini pozitive.
Prin alăturarea a două straturi diferite de semiconductor, caracterizate prin predominanță diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact dintre straturi, se obține o joncțiune de tip p-n. Sub acțiunea diferenței de potențial electric, manifestată în zona de contact, electronii de valentă și cei adăugați prin dopare din stratul n, prezintă tendința de migrație în stratul p, care are un deficit de electroni. Analog, golurile din stratul p, prezintă tendința de a migra în stratul n. Amploarea migrației sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncțiunii p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu va avea loc realizarea unei reechilibrări la nivelul sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Efectul rezultat este redistribuirea sarcinilor electrice în zona joncțiunii p-n.
Fig. 2.2 a) Tendința de migrare a sarcinilor b) Joncțiunea p-n cu sarcinile redistribuite
În urma redistribuirii sarcinilor electrice în zona joncțiunii, apare o diferență de potențial la nivelul joncțiunii. Această diferență internă de potențial reprezintă o barieră, care împiedică o deplasare ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p și a celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două straturi sunt respinse din zona joncțiunii spre extremitățile opuse joncțiunii p-n a acestor straturi.
Dacă notăm cu n0 și p0concentrațiile electronilor și golurilor în lipsa iluminării la echilibru termic, sub acțiunea unui câmp electric E apare un curent de drift cu densitatea
Ținând cont de legătura dintre vitezele vn și vp și mobilitățile μn și μp (vn= μn E, vp=μp E), se obține:
σ0- este coeficientul de conductivitate inițială.
Este cunoscut faptul că lumina are un caracter dual, având caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, și, în același timp, caracteristici corpusculare, conform teoriei fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic, este mai important să privim lumina ca având un caracter corpuscular.
Dacă joncțiunea p-n este supusă radiației solare, fotonii care au un nivel energetic suficient de ridicat (această energie a fotonilor crescând odată cu creșterea intensității luminii), sunt capabili să transfere energie electronilor aflați pe straturile de valență ale atomilor, astfel încât să poată trece pe straturile de conducție și să devină electroni liberi.
Dacă în urma iluminării concentrațiile electronilor și golurilor se modifică cu Δn și Δp, Δn = Δp , schimbarea conductivității va fi:
Notăm b=μn /μp și reiese:
Notăm cu α coeficientul de absorbție definit ca raportul dintre cantitatea de energie absorbită de unitatea de volum în unitatea de timp și energia incidentă pe unitatea de suprafață în unitatea de timp. Se poate arăta că atunci când αd<<l (unde d – grosimea stratului semiconductor) intensitatea radiației este uniformă în probă și deci Δn și Δp nu variază în probă.
Dacă însă αd>>l, intensitatea radiației la distanța z în probă este:
unde β este coeficientul de reflexie la suprafața iluminată. În consecința va apare un gradient de concentrație care va determina apariția unor curenți de difuzie pentru goluri și electroni.
Considerând o variație liniară a concentrației, densitățile curenților de difuzie sunt:
unde Dn și Dp sunt coeficienți de difuzie. Curentul total va fi suma dintre curentul de drift în prezența iluminării și cel de difuzie:
Ținând cont că: n = n0 + Δn , p = p0 + Δp și Δn = Δp , rezultă că densitatea :
Sub acțiunea diferenței interne de potențial, care se manifestă local la nivelul joncțiunii p-n, electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinși spre suprafața stratului n al joncțiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt atrași spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul n, sunt respinși spre suprafața acestui strat. Fiecare electron liber, în momentul trecerii sale pe stratul de conducție, lasă în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub acțiunea radiației solare nu apar doar electroni liberi, ci perechi de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive (goluri). Sub acțiunea diferenței interne de potențial, care se manifestă local la nivelul joncțiunii p-n, golurile care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al joncțiunii, iar golurile care se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de joncțiune, pe care o vor traversa și odată ajunși în stratul p, sunt respinși spre suprafața acestui strat.
Datorită deplasării sarcinilor electrice pozitive și negative în cele două straturi se produce o polarizare electrică la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii. Diferența de potențial dă naștere unei tensiuni.
În circuit deschis, unde jz=0, între fața iluminată și cea neiluminată a unei celule fotovoltaice apare un câmp electric de forma:
Astfel, avem de a face cu o diferență de potențial V. Dacă Dn=Dp (atunci când μn = μp) atunci Ez=0 și V=0.
Într-o joncțiune p-n, ca urmare a difuziei electronilor din domeniul n în domeniul p și difuziei golurilor în sens invers, apare un câmp electric în stratul de baraj și corespunzător o diferență de potențial .
Fig. 2.3 Apariția unei diferențe de potențial în urma variației concentrațiilor de electroni și goluri
Acest câmp electric împiedică continuarea difuziei și în același timp duce la apariția unor curenți de drift care se opun celor de difuzie. În stare de echilibru, curenții de difuzie vor fi egali cu cei de drift, astfel încât curentul rezultant va fi nul.
Dacă joncțiunea p-n este iluminată, se vor crea perechi electron-gol în exces. Dacă αd>>l, fluxul de fotoni va varia exponențial cu adâncimea. Electronii în exces creați în regiunea p pot difuza prin joncțiune și coboară bariera de potențial spre zona n. Golurile în exces create în zona n pot difuza și ele prin joncțiune. Apare astfel o sarcină pozitivă pe fața p și una negativă pe fața n. Aceste densități de sarcină micșorează diferența de potențial de la j0 la j0 – V.
Ecuația de curent tensiune este :
j0 – densitatea curentului invers la saturație în absența iluminării
V – tensiunea aplicată joncțiunii
k – constanta lui Boltzmann
jL – curentul de generare independent de V și direct proporțional cu intensitatea iluminării (determinat de perechile de electron-gol generate de lumina incidentă)
Ecuația de curent tensiune este ilustrată în fig. 2.4, pentru iluminări diferite ale joncțiunii.
Fig. 2.4 Relația curent tensiune pentru diferite expuneri
Pentru j=0 se obține din ecuația curent-tensiune, tensiunea în circuit deschis Voc:
Curentul de scurt-circuit se obține punând condiția V=0 și rezultă:
Fig. 2.5 Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice și funcționarea acesteia
Dacă suprafețele exterioare ale joncțiunii sunt acoperite cu câte un strat metalic, fiecare reprezentând câte un electrod, între aceștia va avea loc o diferență de potențial, care într-un circuit închis va produce un curent electric. Diferența de potențial și curentul electric se pot menține la un nivel constant atâta timp cât se manifestă radiația solară la un nivel constant. Este evident că variația intensității radiației solare va produce și variații ale tensiunii și mai ales ale intensității curentului electric, datorită faptului că electronii de valență nu mai primesc suficientă energie că să părăsească zona de valență și să intre în banda de conducție, astfel, trecând un număr mai mic de electroni și producându-se un număr mai mic de goluri.
Joncțiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuiește o celulă fotovoltaică sau o celulă electrică solară. Pentru a se proteja celula de eventuale coroziuni, celula fotovoltaică mai este îmbrăcată într-un strat de material transparent, izolator și cu grad de reflexie aproape nul. Rolul cel mai important a acestui strat este de a împiedica reflexia radiației solare incidente pe suprafața celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată electronilor de valență din cele două straturi semiconductoare.
Grosimea totală a unei celule fotovoltaice pe bază de siliciu monocristalin este de aprox. 0,3mm, iar grosimea stratului n, este de circa 0,002mm. La începutul comercializării panourilor solare, celulele aveau o formă rotundă, păstrând forma barelor de siliciu din care au fost debitate. Această formă, azi, este rar utilizată locul ei fiind preluat de formele dreptunghiulare de cele mai multe ori pătrate având colțurile mai mult sau mai puțin teșite. Până la sfârșitul anilor 1990 celulele solare aveau cel mai des mărimea de fabricație de 100×100 mm (în jargonul de specialitate numite celule de 4 țoli). După aceea au fost introduse pe scară tot mai largă celulele cu latura de 125 mm, și de prin anul 2002 și celulele cu latura de 150 mm se utilizează tot mai des în modulele standard și se prevede că nici celulele de 200×200 nu vor fi excluse a fi folosite în viitor.
2.2 Eficiența tehnologiei fotovoltaice
Primele celule fotovoltaice au fost utilizate în 1958 pe satelitul Vanguard I, care nu a ajuns în spațiu. Eficiența de conversie a energiei radiației solare în electricitate era de 10%. Puterea totală a acelor celule a fost de aproximativ 0,1Wh. Pentru un satelit dea-dreptul insuficient, dar totuși, a fost ceva mai mult demonstrativ și făcut pe fugă. Momentan, eficiența celulelor fotovoltaice actuale pe bază de siliciu monocristalin este de aproximativ 31% în condiții de laborator.
Eficiența celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:
• Intensitatea radiației solare incidente pe suprafața celulei
• Eficiența procesului de conversie a radiației solare în energie electrică
Eficiența celulelor fotovoltaice este critică, dar nu suficientă. Întregul sistem fotovoltaic necesită optimizări. Trecerea de la panou la consumator nu se face direct. Curentul variază, în primul rând, funcție de gradul de iluminare momentan al panoului. Această variație poate fi de multe ori de valoare mare, astfel încât să afecteze grav consumatorii sau acumulatorii în care trebuie stocată energia convertită. Stocarea energiei în acumulatori este esențială, datorită faptului că noaptea nu se poate produce energie electrică. Din considerentul că un curent continuu care poate avea fluctuații mari, tensiunea și amperajul trebuie stabilizate, de către un regulator/convertor. Pentru a putea fi folosită energia din acumulatori, curentul continuu, generat de aceștia, trebuie inversat pentru a deveni curent alternativ, aparatura casnică necesitând, de cele mai multe ori, o tensiune de 220V în curent alternativ.
Astfel, mai avem nevoie de:
• Convertoare buck și boost.
• Baterii eficiente (mici cu capacitate mare)
• Invertoare de bună calitate
Eficiența unei celule fotovoltaice, sau randamentul acesteia, este o constantă dată de la producător. Randamentul este, de fapt, raportul dintre puterea generată și puterea colectată. Acest randament este determinat pe cale atât teoretică cât și experimentală. Notat cu η, randamentul celulei fotovoltaice este definit ca raportul dintre MPP (maximum power point) și produsul dintre expunere E și suprafața celulei A.
În cazul calcului de randament, se respectă anumite condiții standard de măsurare: intensitate luminoasă de 1000W/mp, temperatură de 25oC și AM1.5.
AIM – coeficientul masic de aer – caracterizează spectrul solar după ce radiația solară a trecut prin atmosferă, este folosit la caracterizarea performanțelor celulelor solare în condiții standardizate definite de simbolul AM și un număr. AM1.5 este universal folosit de a caracteriza puterea generată de panourile solare. Radiația solară traversând atmosfera reacționează cu anumiți compuși chimici care adsorb anumite lungimi de undă din spectru. Absorbția ultravioletelor de către ozon în atmosfera superioară reduce dramatic cantitatea de lungimi scurte de undă care ar trebui sa ajungă pe pământ. O componentă mult mai activă sunt vaporii de apă care adsorb spectrul solar pe diverse lungimi de undă. Oxigenul, bioxidul de carbon și azotul contribuie la adsorbția radiației solare, prin urmare spectrul solar ce ajunge la suprafața pământului este restrâns între infraroșu îndepărtat și ultraviolet apropiat. Pentru o grosime l0 a atmosferei funcție de unghiul de incidență a radiației θ, ea parcurge un drum mai lung, care poate fi calculat după următoarea formulă
𝑙=𝑙0/𝑐𝑜𝑠𝜃
Raportul l / l0 este coeficientul masic al aerului. Spectrul solar în afara atmosferei corespunzător radiației corpului negru va avea AM0 / zero atmosfere. Celulele folosite pentru tehnologia spațială, cum ar fi comunicațiile prin satelit, sunt în general caracterizate folosind AM0. Spectrul solar la nivelul apei mării când soarele este perpendicular coeficientul este AM1 ceea ce semnifică o atmosferă.
Celulele solare pe bază de siliciu nu sunt sensibile la spectrul pierdut în atmosferă. Ele sunt dependente de lărgimea benzii interzise, care este corespondentă energiei fotonilor din spectrul vizibil. Prin urmare celulele solare sunt mai eficiente la AM1 decât la AM0. Panourile solare în general operează sub o anumită grosime a atmosferei dacă soarele este incident sub un unghi de vizibilitatea diferit de cel de la ecuator. Deoarece dezvoltarea celulelor solare este concentrată în SUA, Japonia, Europa se ia în considerare standardul AM1.5, adică 1.5 grosimea atmosferei ceea ce corespunde un unghi de zenit solar de 480. Este considerat standardul terestru de caracterizare a panourilor solare.
Panourile solare ce operează la poli va trebui să fie folosit AM2 iar cele care operează la altitudini mari atunci AM<1.
2.2.1 Expunerea optimală la radiația solară
Celulele fotovoltaice produc cu atât mai multă energie electrică cu cât sunt mai puternic iluminate de către soare. Astfel, celulele necesită o expunere optimă. Aceasta se realizează în două moduri, poziționare fixă optimă sau poziționate pe un sistem mobil pe 1 sau 2 axe care să urmărească soarele. A doua variantă derivă parțial de la prima.
Poziția optimă de captare a energiei solare de către o celulă sau panou fotovoltaic este definită de două unghiuri:
• Unghiul de înclinație față de orizontală
• Unghiul azimutului – unghiul față de direcția sudului
Fig. 2.6 : Unghiul față de orizontală și unghiul azimutului
Problema de bază este poziționarea panourilor în așa fel încât să fie perpendiculare pe razele luminii. Cele două unghiuri determină poziționarea optimă a panourilor în spațiu, pe două axe.
Unghiul față de orizontală este cel format între suprafața panoului și cel al orizontalei, și este determinat de poziția de pe glob a panoului, compensând astfel înclinarea axei pământului și forma bombată a acestuia.
Unghiul azimutului este unghiul format de direcția sudului local și direcția soarelui, sau în cazul nostru normala la suprafața panoului. Acest unghi compensează mișcarea de rotație a pământului în jurul axei sale, sau mișcarea soarelui pe cer. Ideal, ar fi, un sistem automatizat care să rotească panourile solare astfel încât să fie întotdeauna perpendiculare pe direcția razelor solare.
Deviația față de direcția razelor solare a panourilor este calculată sub formă de un coeficient numit factorul de orientare. Factorul de orientare are valori pe intervalul [0…1]. Se poate face astfel un tabel prin care să se determine cu ușurință orientarea perfectă, tabel valabil stric local, spre exemplu, un tabel pentru Sacramento, California:
Tabel 2.1 : Factorul de orientare pentru Sacramento, California
Pentru Germania, a fost trasată o diagramă prin care se poate determina relativ ușor poziția optimă a panoului fotovoltaic, în funcție de situațiile în cauză. Această schemă este aproape perfect aplicabilă pentru țara noastră.
Fig. 2.7 Influența celor două unghiuri asupra gradului de captare a energiei solare
Mai exact, figura de mai sus face mult mai ușoară determinarea gradului de captare în funcție de unghiul față de orizontală și cel al azimutului. Rezultatele variază în funcție de poziția pe glob, dar nu drastic. În figură este semnalată situația în care înclinarea este de 30o și unghiul azimutului este de +45o. în această situație, gradul de captare este de 95%. Eu, personal, aș pune un panou fotovoltaic la înclinația de 47o și la -20o față de sud. Unghiul de înclinare optim care duce la captarea optimă a radiației se află între 15…55°. Variația față de la direcția Sudului poate să fie între ±40°, fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare. Aceasta variație se alege mai mult după situație și preferințe. Pentru unghiuri de înclinare de 5…65°, radiația solară poate fi recuperată în proporție de 90…95%. Dacă unghiul de înclinare este foarte mic, situația duce la murdărirea panourilor prin acumulare de praf, frunze și alte obiecte străine, ceea ce duce la degradarea performanțelor panourilor, prin degradarea stratului de material protector de pe panouri, prin reflexie accentuată și opacizarea panourilor. Panourile fotovoltaice montate vertical, cu o abatere de până la ±20° față de direcția Sud, pot capta până la 80% din radiația solară. Din acest motiv s-au luat în calcul începerea unor proiecte de amplasare a panourilor pe pereții clădirilor înalte din orașe.
Această soluție face referire la captarea a cât mai multă energie într-o anumită zonă, având o constantă a radiației solare constante. Astfel, dacă constanta luminoasă la sol este de 1000W/m2, captăm în jur de 900-950W/m2 maxim.
O altă soluție, care este aplicabilă doar la scară mai mare, este amplasarea sistemelor fotovoltaice în zone cu constanta radiației solare la sol mai mare. Aceste zone se află în zonele deșertice, zonele ecuatorului, zonele cu poluarea atmosferică minimală și la altitudini cât mai mari. La altitudini mari, este prea mare costul amplasării sistemelor, dar acolo radiația difuză este mult mai mică, troposfera fiind mai subțire și mai puțin poluată. Amplasarea în zonele mai puțin poluate este esențială, datorită faptului că gazele facilitează reflexia, absorbția și dispersia radiației solare. În zonele deșertice, numărul total de ore pe an în care cerul este acoperit cu nori este cel mai scăzut de pe întreaga planetă, astfel, radiația solară nefiind reflectată de către nori (penumbra reduce exponențial performanța panourilor).
Fig. 2.8 Centrală electrică fotovoltaică în statul american California
2.2.2. Eficiența conversiei radiației solare în energie electric
În momentul de față, aici se investesc cei mai mulți bani posibili, în dezvoltarea tehnologiei fotovoltaice pentru creșterea eficienței și scăderea costurilor. în termeni mai economici, se urmărește creșterea raportului calitate/preț.
Calitatea celulelor fotovoltaice nu este definit doar de randamentul lor, ci și de fiabilitatea lor, compatibilitatea, durabilitatea, robustețe.
Cel mai cunoscut model de calcul pentru eficienta sistemelor fotovoltaice este dat de formula de mai jos. Modelul a fost creat de Evans și calculează puterea maximă ce poate fi debitată de o fotocelulă / panou fotovoltaic:
𝜂 = 𝜂𝑟[ 1−𝛽 (𝑇𝑐−𝑇𝑟) + 𝛾𝐿𝑜𝑔λ ]
η – randamentul sistemului fotovoltaic
ηr – randamentul de referință al sistemului fotovoltaic la temperatura Tr și radiația 1000W/m2 , la
AM1.5. Randamentul de referință este calculat în condiții standard.
Tr – temperatura de referință = 25oC
Tc – temperatura actuală a joncțiunii
λ – radiație solară măsurată în W/m2
β – coeficientul de corecție cu temperatura
γ – coeficientul de corecție cu iradierea solară
În general parametrii ηr, Tr, β si γ sunt parametrii dați de constructor. Evans dă parametrii pentru cristalele de siliciu β = 0,0048 °C-1 si γ = 0,12.
Eficiența conversiei radiației solare în energie electrică este determinată de toți parametrii de mai sus. Acești parametri variază în funcție de tehnologia folosită pentru realizarea celulelor, ceea ce implică totul de la alegerea materialelor folosite la tehnologia de prelucrare până la tehnologia de finisare și încapsulare a celulelor și legarea acestora în module.
2.2.3. Calculul parametrilor electrici ai panourilor fotovoltaice
Panourile fotovoltaice sunt, de obicei, reprezentate în schemele electrice ca surse de energie în paralel cu diode. Cel mai larg folosit model este cel al simplei diode. În figura următoare este reprezentată o celulă fotovoltaică ideală.
Fig. 2.9 : Reprezentarea electrică conform modelului ideal „simplă diodă” a celulei fotovoltaice
Aceasta este ce mai simplă reprezentare a unei celule fotovoltaice, unde nu se ține cont de rezistența electrică a materialului semiconductor și nici de rezistența de șunt, care vor fi abordate mai târziu.
În figura de mai sus Isc este curentul de scurtcircuit al sursei, Id este curentul ce trece prin diodă, V este tensiunea sarcinii, iar I este curentul care trece prin sarcină. Curentul ce trece prin dioda Id este dat de relația:
I0 – este curentul de saturație al diodei
Vt – este tensiunea termodinamică
n – constanta caracteristică a diodei
k – constanta lui Boltzmann
q – sarcina electrică elementară
Tj – temperatura joncțiunii
Curentul ce trece prin sarcină este dat de relația:
Astfel se poate trasa un grafic, unde pe axa OX avem valoarea tensiunii electromotoare V, exprimate în volți, și pe axa OY avem valoarea curentului electric I, care trece prin sarcină și este exprimat în amperi.
Acest grafic se numește caracteristica curent-tensiune I-V a celulei/modulului fotovoltaic.
Fig. 2.10 Caracteristica I-V a celulelor fotovoltaice (reprezentată pentru un panou)
În figura de mai sus, apar parametrii noi:
VOC – tensiunea de mers în gol a celulei
Imp – curentul la puterea maximă a celulei
Vmp – tensiunea la puterea maximă a celulei
Pmp – puterea maximă a celulei, mai exact, punctul care ii corespunde pe curbă.
O curbă curent-tensiune prezintă posibilitățile de combinații între valorile intensității curentului și tensiunii electrice generate de un dispozitiv fotovoltaic. Un dispozitiv fotovoltaic, produce curentul maxim posibil când în circuit nu este rezistență electrică, fapt realizabil prin scurtcircuitarea polilor, curentul fiind denumit în loc de curent maxim, curent de scurtcircuit ISC,dată de producător. După caracteristică, și logică, se știe că atunci când se fac un scurtcircuit, tensiunea este egală cu 0. Analog curentului Isc, tensiunea maximă este acea tensiune care se manifestă între polii dispozitivului fotovoltaic, când circuitul este deschis, sau rezistența circuitului tinde la infinit. Astfel, intensitatea curentului este egală cu 0 și tensiunea în acest caz este tensiunea maximă, dată de producător, se numește tensiunea de mers în gol sau de circuit deschis și se notează de obicei cu VOC (OC de la open-cirucit).
Puterea care poate fi obținută de la o celulă în orice punct de pe curba caracteristicii I-V, este produsul dintre coordonatele punctului, care sunt tensiunea în volți și intensitatea in amperi.
Astfel, la punctul de scurtcircuit ISC avem P=0 din cauză că V=0, iar la punctul de tensiune de mers in gol VOC avem tot P=0 fiindcă I=0.
Există un punct marcat pe vârful curbei, acolo fiind punctul de putere maximă PMPP. În cazul din fig. 2.11, puterea maximă este de aproximativ 42.5W, calculat prin produsul dintre tensiunea V=17 V și curentul I=2.5 A. Caracteristica dată de producător, în general, este doar caracteristica în condițiile standard STC (1kW/m2, 25oC, AM1.5).
Fig. 2.11 Caracteristicile I-V și P-V a modulului STP005S-12/Db pentru diferite expunerii
Derivată în principal de la caracteristica curent-tensiune, P-V este o caracteristică putere-tensiune. Mai există și caracteristica putere-curent P-I.
Fig. 2.12 Caracteristica P-V a celulelor fotovoltaice
Până acum am prezentat comportamentul ideal generalizat al unei celule, folosind modelul simplei diode, dar problema este comportamentul celulelor fotovoltaice care diferă față de cazul ideal. În realitate trebuie luat în calcul mai mulți parametrii care influențează funcționarea, cum ar fi rezistențele electrice a materialelor.
În figura 2.13 este prezentată schema folosită în cazurile reale pentru modelarea celulelor fotovoltaice. Schema ține cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar în procesul de fabricație. Prin aceasta se încearcă modelarea cât mai exactă din punct de vedere electric a celulei solare.
Fig. 2.13 Reprezentarea electrică conform modelului "diodă extinsă" a celulelor fotovoltaice
Se observă în figură că imperfecțiunile modelului diodă extinsă sunt compensate, ca în cazul tuturor surselor de electricitate cu două rezistente, una în paralel Rs și una în serie cu sursa, RU. Rezistența în paralel RS ia în considerare defectele de cristal, impurificări neomogene și defecte de material, prin care apar curenți de pierdere care traversează joncțiunea p-n. La celule solare bine construite această rezistență este relativ mare (de multe ori este neglijabilă). Cu rezistența în serie RU se iau în considerare efectele în urma cărora crește rezistența totală a elementelor componente ale circuitului închis, fără sarcină.
Acestea sunt în principal rezistența semiconductorului, rezistența contactelor și a legăturilor.
La celulele solare această rezistență trebuie să fie cât se poate de mică. Acest fapt este realizabil prin procesul de fabricare, începând de la modul de prelucrare a semiconductorului, la cantitatea de cositor folosit pentru legături. Curentul generat de sistem este dat de relația:
Mai există o reprezentare a celulei fotovoltaice, mult mai exactă. Este un model cu diodă extinsă care mai primește o diodă, în paralel cu prima, cu alți parametri pentru a evidenția funcționarea în regim de tensiune inversă. Formulele pentru această schemă conțin referiri la conductivitatea gb, tensiunea de străpungere Vb și coeficientul exponențial de avalanșă nb. Folosirea acestei scheme echivalente este mai complicată și este evitată.
Fig. 2.14 Reprezentarea electrică conform modelului "dioda extinsă cu 2 diode" a celulelor fotovoltaice
2.3 Urmărirea punctului de putere maximă – MPPT
Pe timpul unei zile, lumina soarelui este valabilă pe o perioadă limitată de timp, si cantitatea acesteia depinde incredibil de mult de condițiile climatice. În majoritatea sistemelor fotovoltaice, un algoritm particularizat de control, numit urmărirea punctului de putere maximă – maximum power point traking MPPT, este folosit pentru a se folosi la maxim energia solară disponibilă pe parcursul zilei.
Scopul lui MPPT este de a ajusta interfața fotovoltaică, astfel încât caracteristicile de operare a sarcinii și a panoului fotovoltaic să se potrivească la punctul de maximă putere, fără să aibă vreo importantă ce fel de sistem fotovoltaic ar fi, insular sau conectat.
Condițiile climatice nefavorabile fac referire la unele situații specifice în care celulele solare își ajung la limite și nu mai debitează puterea maximă. Cele mai comune condiții nefavorabile includ umbrirea parțială, radiații solare puține, acumularea de praf, și îmbătrânirea celulelor. În general, este de preferat ca un modul de panouri, sau o matrice, să fie asamblat folosind aceleași tipuri de panouri și să fie poziționate astfel încât să se evite umbrirea parțială. Totuși, nu este ușor să se evite umbrirea, mai ales în zonele urbane, din cauza modificării direcției luminii solare pe perioada unei zile. În special, copaci, păsări, diverse construcții duc de obicei la umbrire totală sau parțială. Studiile realizate pe umbrirea panourilor au demonstrat că o ușoară umbrire a unei matrice fotovoltaice poate duce la o pierdere semnificativă de putere.
Un experiment a fost realizat pentru a cuantifica consecințele umbririi în sistemele fotovoltaice. S-au folosit 2 panouri fotovoltaice BP350, care au fost instalate pe același schelet suport, la același orientări, permițând să fie testate în aceleași condiții. Fiecare modul este constituit din 72 de celule fotovoltaice. Datele au fost achiziționate cu un sistem de achiziție dedicat. În experiment, prima dată s-a testat și calibrat curbele curent-tensiune I-V a ambelor module. Apoi, s-a modificat sistemul, având o singură celulă umbrită pe un singur panou. Curbele I-V au fost iar trasate pentru ambele panouri.
Caracteristicile de ieșire diferite ale panoului cu o celulă umbrită și a panoului neumbrit sunt trasate în figura 2.15.
Fig. 2.15 : Curbele I-V pentru un panou umbrit parțial si unul neumbrit
După cum se vede în figură, punctul de putere maximă a panoului umbrit este echivalent unei puteri de 15.44W, puterea inițială, când panoul nu a fost umbrit, fiind de 21.48W. Acesta este rezultatul umbririi unei celule din 72, pierderea de putere fiind și mai severă atunci când sunt mai multe celule.
Problema mai mare apare când acest panou este conectat în serie cu alte module neumbrite, putându-se observa o pierdere și mai mare de putere pe întreg sistemul. Caracteristicile de ieșire pentru sistemul nou, în care un panou cu o celulă umbrită este conectat în serie cu unu sau mai multe panouri neumbrite sunt vizibile în figura 2.16.
Fig. 2.16 : Curbele I-V pentru un panou umbrit parțial legat în serie cu mai multe
În urma umbririi, rezultă o degradare a ieșirii seriei de panouri, datorită faptului că curentul este afectat direct de celula umbrită. Rezultatul investigațiilor realizate pe acest domeniu, au împins producătorii panourilor în instalarea unor diode de by-pass pentru a duce la păstrarea voltajului panoului și pentru a minimiza efectul datorat scăderii eficienței celulelor cu probleme, cum ar fi umbrirea.
Când dioda întră în funcțiune, în mod by-bpass, celula de care aparține dioda se deconectează celula. Experimentele au arătat că atunci când mai multe panouri sunt legate în serie, și o celulă dintr-un panou este în funcționare proastă, prin decuplarea acesteia cu dioda de by-pass, se observă o creștere a puterii.
În figura 2.16 se poate observa cu ușurință că există 2 vârfuri de putere datorită umbririi. Nici unul dintre vârfuri nu corespunde cu potențialul puterii maxime în situația de funcționare în condiții optime, aceasta fiind suma puterii maxime a fiecărui panou.
În realitate, nu se prea întâmplă să fie umbrită doar o celulă, ci chiar mai multe, sau mai multe panouri, aceasta ducând la îngreunarea algoritmului MPPT. O soluție este propusă într-o lucrare, care se referă la o interfață de putere individuală pentru fiecare modul/panoul fotovoltaic.
Fig. 2.17 : Schema bloc a unui sistem fotovoltaic cu convertoare pentru fiecare panou
Blocul semnalat în figură reprezintă soluția efectivă care duce la creșterea puterii.
În acest sistem din figura 2.17, un modul care este dezafectat, din diverse cauze, este ori deconectat, ori îi este modificată ieșirea, astfel încât acesta nu va afecta buna funcționare a întregului sistem. Astfel, magistrala principală de curent nu are fluctuații de tensiune, prevenind astfel distrugerea aparatelor care constituie sarcina.
Modulele MPPT, cu conversie CC/CC, urmăresc punctele de putere maximă a panourilor și transmit puterea, mai departe, magistralei de curent continuu. Puterea este transmisă prin magistrală consumatoarelor pe CC și/sau stocată în acumulatori. Pentru alimentarea aparatelor care funcționează pe curent alternativ CA, în sistem se adaugă un invertor, ce transformă curentul continuu în curent alternativ.
După cum am mai spus, variațiile radiației solare afectează semnificativ ieșirea celulelor fotovoltaice, și implicit, au loc schimbări semnificative a curbei I-V și a punctului de putere maximă a modulelor fotovoltaice. Aceasta poate fi observat în figura 2.18, unde sunt reprezentate caracteristicile I-V ale unui panou fotovoltaic la diferite expuneri, simbolul Ga reprezentând expunerea.
Fig. 2.18 : Variația caracteristicii I-V a modulului BP350 funcție de gradul de iluminare
Se poate observa cu ușurință faptul că aceste caracteristici diferă mult. VOC nu are o variație foarte mare, 20-23V, astfel nici VMPP, 16-17.5V. În schimb, ISC are o variație foarte mare, între 0.65A și 3.2A, variația curentului în punctul de putere maximă fiind la fel de drastică. Astfel, puterea maximă are o variație de 8.8-49.87W.
Un alt factor foarte important care afectează funcționarea modulului este temperatura celulelor.
Fig. 2.19 Variația caracteristicii I-V a modulului BP350 funcție de temperatura celulei
Variația temperaturii determină o mișcare a punctului MPP de-a lungul axei OX, cu toate că nu pare a fi o schimbare drastică. Mai ales că coeficientul caloric al celulei determină o inerție termică favorabilă.
Pentru o condiție de funcționare particulară, sistemul de MPPT reglează ori tensiunea ori curentul, astfel încât să corespundă punctului MPP. Totuși, s-a dovedit că este mai simplu și mai ieftin să se regleze tensiunea decât curentul. În caz că reglează în funcție de un curent prestabilit, sistemul MPPT necesită o inerție mică de funcționare și un răspuns rapid pe o scară de variație mare, datorită posibilităților de variație rapidă a iluminării modulului, curentul la MPP variind extrem de mult. În cazul în care se folosește tensiunea ca referință, aceasta variază ușor cu schimbările de iluminare. Chiar dacă temperatura afectează mai tare tensiunea la MPP, inerția fiind mare, și schimbările făcându-se lent pe un interval mic, nu prezintă o problemă mare pentru sistemul MPPT.
Spre deosebire de IMPP, VMPP variază între 70-82% din VOC, acestea fiind limitele sistemului de urmărire. Un sistem MPPT care urmărește curentul, poate duce curentul la valoarea de saturare, care este egală cu ISC. Reglarea voltajului poate evita ajungerea la saturare, datorită faptului că controlerul știe că intervalul de funcționare a modulului este între 70-82% din VOC. În plus, măsurarea tensiunii este mai simplă și mai ieftină decât cea a curentului.
Următoarea figură reprezintă schema bloc de control care este în general utilizată pentru controlul de tensiune. În această structură se pot folosi sisteme MPPT care funcționează CC/CC și CC/CA.
Fig. 2.20 Schema bloc a mecanismului recomandat pentru MPPT
După cum se vede, sistemul se bazează pe măsurarea puterii ieșirii de la panou și reglarea tensiunii. Controlerul reglează tensiunea fotovoltaică pentru a urmări fluxul unui punct setat care variază în timp, care reprezintă tensiunea VMPP. Trackerul monitorizează în continuu valoarea VMPP și este mereu actualizată. Limitatorul are rol de a stabili limita superioară și inferioară pentru tensiune.
Cele mai des folosite convertoare sunt convertoarele CC/CC buck și boost, datorită simplicității și eficienței lor. Un convertor buck primește un curent discontinuu la intrare și scoate la ieșire un curent constant.
Fig. 2.21 Schema electrică echivalentă a unui convertor buck
Analog, un convertor de tip boost primește un curent constant la intrare și scoate la ieșire un curent discontinuu.
Fig. 2.22 Schema electrică echivalentă a unui convertor boost
Diferitele caracteristici ale convertoarelor fac ca aplicațiile în care sunt folosite să fie diferite. Vbat simbolizează ieșirea de curent continuu care se „varsă” în magistrala de CC. Convertoarele sunt folosite ca o interfață între un modul fotovoltaic și o sarcină ce necesită o tensiune constantă. Topologia boost are unele avantaje asupra celei buck. Luând în considerare inductanța din topologii, nici o variantă nu pare mai bună decât cealaltă. Pentru a obține aceeași ondulație de curent, topologia boost necesită o inductanță mai mare decât cea buck. Curentul RMS ce trece prin inductor la boost este mult mai mic decât la buck. Curentul la boost este liniar ca cel ce iese din inductanță, neavând mare nevoie de un condensator . Diodele din circuit ajută mult noaptea, când nu este lumină, în a preveni scurgerea curentului înapoi în panouri, ceea ce ar putea provoca până și un foc.
Chiar dacă, convertoarele sunt diferite, și aplicațiile în care sunt folosite sunt diferite, ambele au un rol important în circuitele fotovoltaice, atât de echilibrare a ieșirii de la panou, cât și de protecția panourilor. Folosirea lor este esențială pentru eficientizarea conversiei energiei solare în energie electrică.
CAP 3. STUDIU DE CAZ
3.1 Prezentarea mediului de lucru și a problemei
Modulele fotovoltaice reprezintă elementul fundamental de conversie de putere într-un sistem generator fotovoltaic. Caracteristicile de ieșire a modulelor depind de iluminare, temperatura celulei și tensiunea de ieșire. Din moment ce modulele fotovoltaice au o caracteristică de ieșire neliniară, este necesară modelarea acesteia pentru pregătirea și simularea unui sistem MPPT, strict necesar aplicațiilor fotovoltaice.
De mulți ani s-a încercat modelarea celulelor fotovoltaice pe computere sub diverse aplicații. Una dintre aplicații este Spice. Modelările celulei țineau cont influența pe care o au gradul de iluminare, temperatura și tensiunea sarcinii. Mai nou, au apărut multe alte aplicații de modelare și simulare a funcționării componentelor, atât electrice cât și mecanice, care asistă la dezvoltarea aplicațiilor prin reducerea costului testărilor de prim nivel. Una dintre cele mai cunoscute aplicații destinate inginerului este pachetul Matlab/Simulink.
Matlab este un pachet de programe dedicat calcului numeric și reprezentărilor grafice. Din punct de vedere al construcției sale, Matlab este alcătuit dintr-un nucleu de bază în jurul căruia sunt grupate toolbox-urile. Acestea reprezintă niște aplicații specifice, fiind de fapt colecții extinse de funcții pentru a rezolva probleme din diverse domenii. Simulink este un mediu pentru simulare multi-domeniu și design bazat pe model pentru sisteme dinamice și integrate. Oferă un mediu grafic interactiv și un set personalizabil de librării care permit proiectarea, simularea, implementarea și testarea unei varietăți de sisteme. Simulink este integrat în Matlab
În ceea ce privește convertoarele buck și boost, acestea nici nu sunt menționate în cadrul pachetului Matlab. Acestea sunt importante pentru a putea modela un întreg sistem fotovoltaic și comportarea acestuia.
3.2 Ecuația de ieșire a celulei fotovoltaice
Modelarea celulei va constitui scrierea unui model matematic care să înglobeze funcționarea mai multor celule.
Sistemele fotovoltaice prezintă caracteristici I-V și P-V neliniare care variază în funcție de mai mulți parametrii, cei mai importanți fiind intensitatea radiației solare și temperatura celulei.
O descriere matematică generalizată a caracteristicii I-V a unei celule a fost căutată și analizată, începând acum 30 de ani. Modelul stabilit la un moment dat, este de fapt modelul circuitului electric echivalent celulei, acest model fiind folosit în general pentru integrarea acesteia în simulările și proiectările sistemelor MPPT. Circuitul echivalent a modelului general care este constituit dintr-un curent fotovoltaic IPH, o diodă, un rezistor șunt care reprezintă scurgerea de curent(pierdere datorită cristalelor) și o rezistență serie care reprezintă rezistența electrică efectivă a celulei ca componentă de circuit.
Fig. 3.2 : Circuit echivalent a celulei fotovoltaice
Ecuația caracteristicii I-V a celulei este dată ca fiind:
IPH – curentul generat prin efectul fotovoltaic – curent fotovoltaic
IS – curentul de saturație
q = 1.6 ×10−19C – energia unui electron
k = 1.38 ×10−23J/K – constanta lui Boltzmann
TC – temperatura de funcționare actuală a unei celule fotovoltaice
A – factor ideal
RSH – rezistență de șunt
RS – rezistența în serie
Curentul fotovoltaic IPH depinde în principal de expunere și de temperatura actuală TC . Mai exact, curentul fotovoltaic este definit de:
KI – coeficientul de temperatură la curentul de scurtcircuit
TRef – temperatura de referință a celulei (25oC de obicei)
λ – expunerea exprimată în kW/m2
ISC – curentul de scurtcircuit a celulei la 25oC și 1kW/m2
Pe cealaltă parte, avem curentul de saturație IS, numit în capitolul anterior I0, variază în funcție de temperatura celulei:
IRS – curentul de saturare inversă la o temperatură și expunere de referință (de obicei aceleași ca a celulei)
EG – energia zonei interzise(zona dintre banda de valență și banda de conducție) a semiconductorului
A – factorul ideal care depinde de tehnologia cu care a fost realizată celula
Rezistența de șunt RSH este legată direct de pierderea de curent către împământare. În general, eficiența celulei este insensibilă în ceea ce privește variația lui RSH, care poate fi considerată că tinde la infinit, nefiind o scurgere semnificativă către pământare. Pe de altă parte, o mică variație a lui RS va schimba semnificativ valoarea puterii maxime de ieșire.
Astfel, o schemă echivalentă mai potrivită pentru modelare este reprezentată în figura 3.3.
Fig. 3.3 Circuitul echivalent practic a celulei fotovoltaice
Astfel, relația între curent și tensiune poate fi rescrisă astfel:
O celulă fotovoltaică ideală nu prezintă pierderi, datorită faptului că nu are rezistență serie RS și nici nu prezintă rezistență de șunt RSH prin care să piardă curent. Pentru o celulă ideala RS=0 și RSH= ∞:
3.3 Ecuația de ieșire a unui panou fotovoltaic
Din moment ce o celulă generează, aproximativ, maxim 2W și la o tensiune de 0.5V, celulele trebuie conectate în configurație serie-paralel, pentru a genere suficientă putere. Un panou fotovoltaic,sau matrice, este construit din mai multe celule fotovoltaice legate în serie și în paralel pentru a genera un curent și o tensiune suficient de mare. Circuitul echivalent pentru mai multe celule fotovoltaice, legate ca o matrice, unde avem NP celule în paralel și NS în serie, este prezentat în figura 3.4.
Fig. 3.4 Circuitul echivalent real a unei matrice de celule fotovoltaice
Ecuația prin care se modelează relația dintre curentul și tensiunea de ieșire este:
Cum am spus mai devreme, eficiența variază odată cu variația valorii rezistenței serie RS și insensibilă când variază rezistența șunt RSH. Pentru un modul sau matrice de celule, rezistența RS capătă o importanță foarte mare, pe când RSH devine aproape infinită, considerându-se că acele noduri de circuit nu există. În sistemele comerciale, majoritatea modulelor sunt formate din celule legate în serie pentru a se obține o tensiune de lucru acceptabilă. Apoi, modulele sunt legate în diverse configurații serie-paralel pentru a se putea obține o putere electrică semnificativă. Un circuit echivalent potrivit pentru o celulă, modul, matrice este reprezentat în figura 3.5.
Fig. 3.5 Circuitul echivalent practic a unei matrice de celule fotovoltaice
3.4 Parametrii modelului
Toți parametrii modelului pot fi determinați prin analizarea specificațiilor de la producătorul panourilor fotovoltaice. Cei mai des parametrii folosiți pentru a se determina performanța electrică a celulei sunt tensiunea de circuit deschis VOC și curentul de scurt circuit ISC. Ecuațiile pe care le-am menționat în subcapitolele anterioare sunt neliniare și, astfel, este foarte greu de ajuns la o soluție analitică, determinată de un set de parametrii, care variază funcție în funcție de expunere și temperatură.
Din moment ce IPH >> IS și dacă ignorăm mica diodă și scurgerea spre masă a curentului, ISC se poate aproxima cu valoarea lui IPH.
𝐼𝑃𝐻=𝐼𝑆𝐶
Pe cealaltă parte, parametrul VOC se obține prin presupunerea că curentul de ieșire este egal cu 0.
Cu valoarea lui V OC dată la temperatura de referință și prin ignorarea pierderii de curent prin rezistența de șunt, curentul de saturație inversă IRS la temperatura de referință poate fi obținut cu o aproximație din relația:
În plus, se mai poate exprima și valoarea din punctul de putere maximă astfel:
𝑃𝑀𝑃𝑃 = 𝑉𝑀𝑃𝑃𝐼𝑀𝑃𝑃 = 𝛾𝑉𝑂𝐶𝐼𝑆𝐶
γ – este un factorul de umplere a celulei care este un factor de calitate.
3.5 Modelarea celulei
Un model a unui modul fotovoltaic cu complexitate moderată, care include temperatura, curentul de saturație a diodei și rezistența serie, este considerat să fie bazată pe ecuația diodei Shockley. Este important să se construiască un model generalizat care să se potrivească unei celulei, modul sau matrice fotovoltaice pentru a putea fi folosită în sistemele de urmărire a punctului de maximă putere. Un model bun poate fi construit folosind Matlab/Simulink, și astfel se poate determina caracteristica I-V șu cea P-V.
Fig. 3.7 Modelul celulei realizat în Matlab
Se observă foarte bine fiecare bloc din figură ce reprezintă. Celula din figură este în sine o mască a unui subsistem care reprezintă implementarea modelului generalizat ideal al celulei.
Tensiune In este un bloc care „delimitează” voltajul la care dorim să analizăm curentul de la ieșire.
Expunerea se poate modifica pentru a se calcula eficienta la celulei funcție de expunere, si analog, blocul de temperatura pentru a se vedea modificarea curentului funcție de temperatură. Osciloscoapele P și I sunt pentru monitorizarea ieșirii celulei în ceea ce privește puterea debitată și curentul generat. Am mai introdus în printre aparatele de măsură, un bloc de desenare a unui grafic care să traseze caracteristica I-V a celulei.
Fig. 3.8 Fereastră dialog subsistem celulă
Astfel se vor introduce parametrii Ki, A, VOC, ISC, NS și NP. La inițializarea blocului se vor inițializa constantele k=1.38*10^(-23) și q=1.6*10^(-19). În cadrul subsistemului celulă, se regăsesc numeroase blocuri fiecare cu un scop bine definit.
Fig. 3.9 Subsistemul celulă, implementarea ecuației I-V
Subsistemul are 3 intrări și 3 ieșiri. Intrarea 1 coincide cu ieșirea 3, reprezentând semnalul de tensiune. Intrarea 2 reprezintă expunerea λ la care este supusă celula, exprimat în wați, ieșirea fiind urmată de un bloc de Gain care are rolul de a converti W în kW.
Constanta din gain este 1/1000. Intrarea 3 reprezintă temperatura actuală a celulei/joncțiunii, care afectează în plus sau în minus performanțele celulei. Ieșirea 1 este semnalul de putere generată și ieșirea 2 curentul generat.
Majoritatea subsistemului este destinat implementării ecuației:
Diferența față de formula implementată și cea menționată la începutul studiului de caz este diferența de semn (înmulțire cu – a unui termen) și faptul că curentul de scurtcircuit a modulului care poate fi dat este împărțit la numărul de module serie pe care îl conține, din cauză că producătorul dă curentul de scurtcircuit a întregii matrice de celule, nu a unui modul serie. Implementarea formulei de mai sus are loc în blocurile din figura 3.10.
Fig. 3.10 : Blocurile de determinare a curentului IPH
În subsistem mai apar 3 blocuri similare, dar diferite, de tip Function. Fiecare dintre blocuri face un anumit calcul spre a reda Vt, IS și I, funcție de formula din interiorul blocului și de intrările sale.
Calc Vt – are rolul de a calcula valoarea tensiunii termodinamice Vt funcție de TC. Ecuația de implementare este :
(A*20*k*u(1))/q
Calc IS – are rolul de a calcula valoarea curentului de saturație a diodei funcție de Vt și ISC. Ecuația de implementare este :
u(1)/(exp(Voc/(Ns*u(2)))-1)
Calc I – are rolul de a calcula valoare curentului efectiv debitat de celulă la un moment dat și la o tensiune dată, funcție de V, IPH, IS, Vt
Ieșirea din blocul Calc I este înmulțită cu valoarea tensiunii, implementând astfel calculul puterii : P = V * I
3.6 Modelarea celulei (varianta 2)
Al doilea model este mai complex, și ține cont de mai mulți factori, implementând modelul simplei diode reale. În acest caz se modelează direct o celulă, sau un modul fără să se tină cont de numărul de celule.
Ecuația de curent generală este :
IPV- curentul efectiv debitat de celulă
I Ph- curentul debitabil în condiții ideale
I D- curentul ce trece prin diodă
V D- tensiunea pe diodă (egală cu V)
R P- rezistența în paralel, rezistența de șunt
În studiile realizate în s-a urmărit realizarea unei celule fotovoltaice care nu ține cont de influența temperaturii asupra performanțelor celulei. Astfel am urmărit crearea unui model de modul fotovoltaic cu celule numai serie, care să funcționeze mult mai bine decât modelul anterior. Blocul celulei este legată la două plottere care au drept scop trasarea caracteristicilor I-V și P-V. Pentru a evidenția diferența între caracteristici la diferite tensiuni electrice și diferite expuneri, s-a dat ca intrare la celulă 2 semnale, unul de tip scară care simbolizează variația intensității luminii și una de tip zimți de ferăstrău, care se repetă sincron cu semnalul scară.
Fig. 3.11 Modelul 2 al celulei realizat în Matlab
Fig. 3.12 Fereastră dialog subsistem PV1
Se poate observa o diferență substanțială fată de fereastra de dialog a primului model a celulei. De multe ori, ne putem confrunta cu faptul că în specificațiile date, de producătorul celulei, găsim numai tensiunile de mers în gol și de MPP și curenții de scurt-circuit și de MPP. Pentru astfel de situații este extrem de util modelul acesta. Subsistemul beneficiază de un cod de inițializare , care inițializează valorile celorlalți parametrii necesari modelului:
Ns = round(Voc/0.61); % numărul implicit de celule în serie
Vt = 26e-3; % tensiunea termodinamică
G = 1/1000; % conversie expunere de la W la kW
Vmpc = Vr/Ns; % tensiunea/celulă la MPP
Vocc = Voc/Ns; % tensiunea de mers în gol/celulă la MPP
Rmpp = Vmpc/Ir; % rezistența internă a celulei la MPP
Rp = 100*Vocc/Isc; % valoarea rezistenței de șunt
Vdm = Vocc; % valoarea inițială a tensiunii maxime
% soluție iterată pentru parametrii de model: Io, Rs, Rp
for i=1:10
Idm = Isc – Ir – Vdm/Rp; % curentul diodei la MPP
Io = (Isc-Vocc/Rp)/(exp(Vocc/Vt)-1); % curentul de saturație a celulei
Vdm = Vt*log(Idm/Io+1); % tensiunea diodei la MPP
Rs = (Vdm-Vmpc)/Ir; % rezistența serie a unei celule
Rd = (Rmpp – Rs)*Rp/(Rp-Rmpp+Rs); % rezistența recalculată a diodei
Idm = Vt/Rd; % curentul diodei la MPP calculat după rezistența recalculată
Rp = Vdm/(Isc-Ir-Idm); % recalcularea rezistentei de șunt
end.
Acest cod determină inițializarea celulei și funcționarea acesteia. Codul Matlab compilează codul, inclusiv acel FOR, calculând parametrii de circuit în fiecare moment dat. Parametrii care variază mereu sunt curentul de saturație IS, rezistența internă a celulei RS și rezistența de șunt RP, care determină pierderea de curent. Parametrii menționați și toți ceilalți care sunt necesari la implementarea funcțiilor din blocuri sunt determinați de primii patru parametrii introduși în fereastra de dialog a blocului: ISC, Ir, VOC, Vr .
CAP 4. REZULTATE ȘI CONCLUZII
4.1 Rezultatele simulării
Pentru modelul celulei varianta 1 am testat cu valori aleatorii pentru parametrii, și apoi cu valori pentru panoul Solarex MSX 60 care are următoarele specificații la condiții STC:
− Puterea maximă : 60W
− Voltaj la puterea maximă : 17.1V
− Curent la puterea maximă : 3.5A
− Curent de scurtcircuit : 3.8A
− Tensiunea de mers în gol : 21.1V
− Coeficientul termic al curentului de scurtcircuit : 3mA/oC
− Efectul aproximativ al temperaturii asupra puterii : -0.38W/oC
− Temperatura nominală de funcționare : 49oC
− Factor ideal : 1.1
Cu acești parametrii, la expunerile 1000, 800, 600 W/m2, la temperatura de 25oC a rezultat următorul grafic:
Fig. 4.1 : Caracteristica I-V pentru Solarex MSX 60 – model celulă 1
Se poate observa pe grafic comportamentul linear a curentului până la 17V. Valoarea curentului se stabilizează aproape de valoarea curentului de scurtcircuit, aceasta datorită ignorării rezistenței de șunt, care determină scurgerea unei părți din curent către masă. Tensiunea maximă la care celula mai generează curent este egală cu tensiunea de mers în gol, datorită ignorării rezistenței serie.
Fig. 4.2 Caracteristica P-V a panoului Solarex MSX 60 la 1kW/m2– model celulă 1
Datorită faptului că nu avem pierderi de curent sau tensiune, celula fiind teoretic ideală, puterea maximă la expunere de 1000W/m2 ajunge peste cea specificată de producător, ajungând până la 67W, cu 7W mai mult decât real.
Fig. 4.3 Caracteristica I-V a panoului Solarex MSX 60 – temperaturi diferite – model celulă 1
Și în cazul unui model ideal, se poate observa că temperatura are clar o influență asupra performanțele echipamentelor. Modelul fiind ideal, tensiunea maximă nu suferă mari variații, în schimb, se poate observa scăderea valorii lui VMPP și, totodată, scăderea curentului.
În cazul celei de-a doua modelări, se ține cont de rezistența internă RS și de cea de șunt RP, și de aici rezultă neliniaritatea caracteristică celulei în ceea ce privește curentul efectiv debitat de aceasta.
Se poate observa că valoarea curentului ajunge la ISC numai când V=0, în restul momentelor, curentul scade ușor până în momentul în care ajunge aproape de punctul de putere maximă unde începe să scadă puternic.
Fig. 4.4 Caracteristica I-V la diferite expuneri a MSX 60 – model celulă 2
În acest grafic, fiecare caracteristică a fost trasată la o diferită expunere: 1000, 800, 600, 400, 200 W/m2. Se poate observa cum valoarea curentului ISC scade mult mai puternic decât valoarea tensiunii VOC. Acest rezultat este foarte aproape de realitate.
Fig. 4.5 Caracteristica P-V a panoului Solarex MSX 60 la diferite expuneri – model celulă 2
La fel ca în situația caracteristicii I-V, funcție de aceleași expuneri diferite, se observă o scădere enormă de putere odată cu radiația solară. Spre deosebire de modelul 1, modelul real prezintă puterea maximă a celulei, la 1kW/m2, ca fiind egală cu 60W, exact cât specifica producătorul.
Fig. 4.6 Caracteristica I-V a panoului Solarex MSX 60 – temperaturi diferite – model celulă 2
În figura 4.6 sa trasat din nou caracteristica I-V, ca expunerea de 1kW/m2, dar la temperaturile 15, 25, 40, 70 și 100oC. caracteristica cu cea mai mare putere este cea trasată la temperatura de 15oC. În această situație, curentul ajunge ușor peste 3.8A, curentul ISC specificat de producător. Aceasta dovedește faptul că la temperaturi foarte mici, panourile funcționează mult mai bine.
4.2 Concluzii
Modelarea 1 a fost făcută ținând cont de mulți parametrii, pe care nu este sigur că producătorul le va asigura. Totodată, modelarea 1 se bazează pe modelul diodei ideale ale celulelor, obținut prin echivalarea celulei cu un circuit electric simplu, care nu ține cont de rezistența internă a celulei și nici de rezistența de șunt, care apare în paralel cu dioda. Din această cauză, și rezultatele modelării sunt ușor ireale, curentul nemenținând în realitate o valoare egală cu cea a ISC, și nici puterea neputând să ajungă la valori mult mai mari decât cele specificate de producător, în condiții STC.
Modelarea 2 a fost făcută ținând cont de parametrii cei mai des întâlniți în cataloagele de produse a marilor producători de sisteme fotovoltaice. Această modelare nu se bazează pe modelul diodei simple, ci pe modelul diodei extinse, sau reale, în care apare atât o rezistență internă a celulei RS, cât și o rezistență de șunt RSH sau RP. Astfel, și rezultatele simulării funcționării celulei prin metoda 2 sunt semnificativ mai bune, mai reale și mai line decât cele rezultate prin metoda 1. Rezistențele își fac simțită prezența, chiar dacă valorile lor sunt relativ nesemnificative. Valorile specificate de producător sunt atinse cu o acuratețe incredibilă. Modelul diodei extinse este mult mai complicat de modelat, dar poate duce la o modelare a unui supersistem cu o acuratețe mult mai mare și poate ajuta la calcularea rapidă a parametrilor fotocelulei. Caracteristicile I-V și P-V variază semnificativ atât în cazul variației intensității radiației solare λ, cât și în cazul variației temperaturii joncțiunii p-n.
Un sistem fotovoltaic bine gândit, are o importanță enormă în viitorul nostru, că privim viitorul nostru individual sau colectiv. În ceea ce privește individualul, putem vorbi despre utilizarea casnică a tehnologiei. În utilizarea casnică panourile solare au o importanță mai mare în cazul locuințelor izolate fără racord la rețeaua de curent alternativ. În general în sistemele mai evolute, opțional pe lângă panouri se mai montează și sisteme alternative de curent, cum ar fi un generator electric pe combustibil fosil sau sisteme electrice eoliene, care au o eficiență foarte mare.
Dacă vorbim despre beneficiile tehnologiei fotovoltaice la nivel de colectiv, vorbim despre utilizarea industrială. Panourile solare pot fi și sunt utilizate pe scară tot mai largă la producerea de curent electric, ca surse principale/secundare de curent electric în cazul clădirilor sau uzinelor. Centrale solare sunt un alt mod de a ne gândi la nivel de colectiv. Am prezentat această tematică în subcapitolul 1.4.
Avantajul cel mai semnificativ al tehnologiei îl reprezintă faptul că, cel puțin teoretic, celulele au durata de viață nelimitată, însă putem lua în considerare și ca au un cost de întreținere foarte scăzut.
Investiția inițială este marele dezavantaj al tuturor sistemelor energetice alternative, și inclusiv a celor bazate pe panouri fotovoltaice. Însă aceasta se amortizează în timp, astfel încât pe mai mulți ani, instalarea unui astfel de sistem este un lucru recomandat, și poate va fi imediat avantajos, prin scăderea costurilor de producție și creșterii eficienței.
Cu toate că avem tehnologia, noi trebuie să ne gândim bine cum să o folosim în scopuri bune și cum să o îmbunătățim mereu și cât mai repede, pentru a trăi din ce în ce mai bine.
BIBLIOGRAFIE
http://ro.wikipedia.org/wiki/
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm
http://www.lpelectric.ro/ro/support/cell_solar_ro.html
http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/AE_I-V_curve.html
Topology Study of Photovoltaic Interface for Maximum Power Point Tracking, Weidong
Xiao, Student Member, IEEE, Nathan Ozog, Student Member, IEEE, and William G. Dunford, Senior Member, IEEE, 2007
De la energie solară la energie electrică, Energii neconvenționale, Man Daniel Marius, 2009
M.O.Popescu , Utilizarea rațională și regenerativă a energiei, Editura MATRIX ROM , BUCUREȘTI , 2012
BIBLIOGRAFIE
http://ro.wikipedia.org/wiki/
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eur.htm
http://www.lpelectric.ro/ro/support/cell_solar_ro.html
http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
http://www.daviddarling.info/encyclopedia/I/AE_I-V_curve.html
Topology Study of Photovoltaic Interface for Maximum Power Point Tracking, Weidong
Xiao, Student Member, IEEE, Nathan Ozog, Student Member, IEEE, and William G. Dunford, Senior Member, IEEE, 2007
De la energie solară la energie electrică, Energii neconvenționale, Man Daniel Marius, 2009
M.O.Popescu , Utilizarea rațională și regenerativă a energiei, Editura MATRIX ROM , BUCUREȘTI , 2012
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Energii Regenerabile – Sistemele Fotovoltaice Si Modelarea Lor (ID: 162442)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.