Incarcatoare de Baterii Pentru Sistemele Fotovoltaice

Incarcatoare de Baterii Pentru Sistemele Fotovoltaice

Byadmin ianuarie 1, 2024

CAPITOLUL I

EFECTUL FOTOVOLTAIC

Introducere:

Energia este o caracteristică a tuturor sistemelor, corpurilor și câmpurilor. Ea se definește ca fiind o mărime fizică scalară care conferă oricărui sistem capacitatea de a efectua o acțiune, un lucru mecanic, atunci când energia suferă o transformare, adică o trecere dintr-o formă de energie în altă formă de energie și care se supune principiului conservării.

Energia radiației solare este forma de energie care, la scara timpului, concepută în raport cu viața pe Pământ, este inepuizabilă.

Cantitatea de energie primită anual de la soare corespunde cifrei de 1,5 miliarde de milioane de MWh, ceea ce reprezintă aproximativ 23.000 ori consumul actual de energie, sau de 5-10 ori ansamblul tuturor rezervelor de combustibili fosili cunoscuți( inclusiv minereul de Uraniu). Disponibilitatea acestei energii depinde de mai multi factorii, cum ar fi: ciclul zi-noapte, latitudinea locului unde este captată și de anotimpuri.

Energia solară termică se bazează pe producerea de apă caldă utilizată în locuințe, sau pentru acționarea turbinelor ca și în cazul centralelor termice clasice, pentru producția de electricitate, cu randamentul net mic, de 15%.

Energia solară fotovoltaică se bazează pe producerea directă a electricității prin intermediul celuleor cu siliciu. Dacă condițiile climatice sunt favorabile (adică soarele stralucește) soarele furnizează o putere de 1kW/mp. Panourile fotovoltaice permit conversia directă în electricitate a 10-15% din această putere. De exemplu, un acoperiș fotovoltaic de 5×4 metri are o putere de 3kW și o produce 2-6 MWh/an.

Sursele regenerabile de energie, și mai ales energia solară fotovoltaică, au primit un impuls puternic în urma summit-ului de la Kyoto (1997) privind starea surselor de poluare ale planetei. Ca urmare a acestui summit, s-a stabilit o reducerea a emisiilor de CO2 (aceasta fiind principala cauză a efectului de seră) cu până la 15% până în anul 2010 și, implicit, sprijinirea dezvoltării accentuate a surselor regenerabile de energie, în particular a aplicațiilor fotovoltaice.

Există patru serse primare de energie, și anume: energia solară, energia de legătură chimică, energia geotermală și energia nucleară. În tabelul din figura 1.1 arată, mai exact, conversia energiei.

Descriere figura 1.1: Figura este împărțită în cinci panouri:

-în primul panou sunte cele patru surse de energie primară amintite mai sus: energia solară, energia de legătură chimică, energia geotermală și energia de legătură nucleară;

Energia solară este energia dominantă pentru pământ( o găsim în special sub formă de lumină și căldură). Este responsabilă pentru multe fenomene care au loc, dintre care: fotosinteza, mișcarea aerului(vântul) și mișcarea apei.

Energia solară fotovoltaică era foarte putin semnificativă în 1999. Creșterea însă a acestei filiere se dovedește a avea importanță între anii 2002 și 2003, atingând 43,4%. Puterea instalată ăn cadrul Uniunii Europene, a fost în 2003, de 562,3 MW. În fruntea țărilor Uniunii Europene se află Germania cu 397,6 MW, Olanda cu 48,63 MW, Spania cu 27,26 MW și Italia cu 26,02 MW. Pentru comparație avem și puterile instalate în alte câteva țări în 2003: Franța(21,71 MW), Portugalia(2,07 MW) și Belgia(1,06 MW). Se remarcă faptul că nu țările aflate în Sud-ul Europei dezvoltă cel mai mult această filieră fotovoltaică.

Energia geotermală are drept origine radioactivitatea unui izotop de potasiu sau radioactivitatea altor substanțe, și se manifestă prin creșterea temperaturii cu circa la suta de metri de adâncime în pământ. Temperatura maximă atinsă de această energie nu depășește . Un dezavantaj al acestei energii il constituie faptul că apa este corozivă.

Energia nucleară se mai numește și energia atomică și se poate definii ca energia eliberată în procesele care afectează nucleul atomic. Energia nucleară este eliberată prin reacții nucleare de fisiune și fusiune sau prin dezintegrarea radioactivă.

-în cel de-al doi-lea panou sunt: energia hidraulică+eoliană, energia de legătura chimică a combustibililor fosili, radioactivitatea artificială, fisiunea nucleară și fusiunea nucleară;

-în cel de-al trei-lea panou sunt cele două energii intermediare: energia mecanică și căldura;

-cel de-al patru-lea panou este alcătuit din tipurile de convertoare directe a diverselor tipuri de energie în energie electrică; toate acestea transformă direct diverse forme de enrgie în energie electrică de pe panoul cinci; (conversiile de pe panoul patru: conversia fotoelectrică, conversia electromecanică, conversia parametrică, conversia termoelectrică, conversia termoelectronică, conversia magnetohidrodinamică, conversia electrohidrodinamică și conversia electrochimică).

Dintre celelalte surse noi de energie (cum sunt: energia solară, energia vântului, energia hidrogenului, energia valurilor și mareelor, biomasa și altele) energia solară a avut în ultimii 20 de ani ce-a mai mare atenție, asta datorită avantajelor pe care le prezintă. Dintre aceste avantaje trebuie menținut în primul rând faptul că această energie este nepoluantă și este livrată încontinuu de către Soare în orice regiune a Pământului. Instalațiile folosite la utilizarea și convertirea energiei solare sunt relativ simple și ușor de întreținut, pot fi realizate în regiuni izolate sau greu accesibile unde lipsesc alte surse de energie. Durata de exploatare este lungă, costurile de producție și instalare amortizându-se rapid( în 1-2 ani).

Dintre dezavantajele utilizării energiei solare pot fi enumerate următoarele:

Costuri relativ ridiate în special a dispozitivelor de conversie fotovoltaică a energiei solare;

Dependența gradului de utilizare în funcție de anotimp, factorii atmosferici, ciclul zi-noapte, latitudine, etc;

Necestitatea dispozitivelor de stocare în majoritatea aplicațiilor;

Degradarea dispozitivelor de conversie directă în câmpuri de radiații penetrante;

Producerea energiei electrice prin conversia fotovoltaică a energiei solare este deosebit de atrăgătoare datorită avantajelor menționate mai sus, procesul fiind complet nepoluant și în același timp direct, fără verigi intermediare.

1.1.1 Radiația solară:

Energia solară primită anual pe Terra însumează kWh, aproximativ 10.000 ori mai mult decât consumul anual de energie în lume. Soarele este considerat un corp negru având o temperatură de care interacționează cu Pământul și cu atmosfera sa.

Soarele emite o radiație electromagnetică cu o putere de aproximativ , într-o gamă variată de lungimii de undă, de la raze X la unde radio. Cea mai mare parte din această energie este emisă între 0,2 și 8, repartizată în următorul mod: 10% ultraviolet, 40% spectru vizibil și 50% infraroșu. Spectrul solar este reprezentat în figura 1.1.1.

Datorită faptului că radiația solară trece prin atmosferă este supusă fenomenelor de absorbție, difuzie și transmisie, fiind redusă cu aproximativ 30%. La nivelul Pământului radiația solară se poate clasifica în:

Radiația directă-componenta paralelă ce provenine de la discul solar și este măsurată după direcția normalei de suprafață;

Radiația difuză-radiația primită de la o suprafață plană provenită din toată emisfera văzută de pe acea suprafață, excepție făcând discului solar;

Radiația reflectată-este rezultatul reflexiei razelor de către suprafețe reflectante; această componentă depinde de albedoul suprafeței respective;

Radiația globală-radiație directă și radiație difuză, adică cantitatea de energie transmisă pe toate lungimile de undă, prin radiație directă sau difuză, la nivelul solului;

Radiația directă este cea mai importantă în funcționarea panourilor fotovoltaice. În cazul unui cer senin, radiația directă are cea mai mare intensitate atunci când soarele se găsește la punctul său de maxim spre Sud în emisfera nordică și spre Nord în emisfera sudică.

Efectul Fotovoltaic:

Datorită absorbției radiației electromagnetice, în anumite materiale electronii de pe straturile energetice inferioare pot face un salt în straturile energetice superioare, devenind astfel electroni liberi. Fenomenul invers se produce însoțit de eliberare de energie. Lumina, în special ultra-violetele, poate descărca materialele electrizate negativ, având ca efect emiterea de raze asemănătoare razelor catodice. Aceste fenomene au fost descoperite de Hertz și Hallwachs în anul 1887.

Dezvoltarea acestui efect a implicat mai multe etape și de asemeni, mai multi fizicieni au condus la dezvoltarea acestui efect.

În anul 1888 Heinrich Rudolf Hertz a observat experimental că atunci când încearcă să producă o scânteie între cele două sfere de Zinc ale unui eclator (care este un aparat electric format din doi electrozi între care se produce o descărcare electrică dacă tensiunea dintre ei depășește o anumită valoare) aerul din incintă devine mai bun conducător atunci când este iradiată cu lumină ultravioletă. Acest fenomen a tras atenția fizicianului rus A.G.Stoletov care a elaborat, între anii 1888 și 1890, o metodă clasică pentru studiul acestui efect numit efect fotoelectric.

Prin urmare, prima definiție a acestui efect a fost următoarea: „efectul fotoelectric constă în emisia de electroni în afara unui metal expus unui flux luminos”.

Alte studii in același domeniu au fost publicate de Lenard în anul 1900. Philipp Eduard Anton von Lenard a fost unul dintre cei mai importanți experimentatori ai acestui efect. El a semnalat în anul 1902, că numai radiațiile luminoase cu lungime de undă mică pot provoca acest efect și că energia electronului emis nu depinde de intensitatea luminii.

În figura 1.2 este reprezentat montajul experimental folosit de către Lenard. Lumina intră prin fereastra tubului vidat și cade pe catod; acesta eliberează electroni care sunt accelerați(sau încetiniți) în câmpul dintre catod și anod.

Cu ajutorul experimentului prezentat în figura 1.2, s-a constatat că atunci când lumina cu lungime de undă scurtă(ultravioletă) cade pe o suprafață metalică(confecționată din metale alcaline) apare, în primul rând, o încărcătură pozitivă a acestei suprafețe (deci ea cedează electricitate negatică sub formă de electroni).

Efectul fotoelectric se produce numai atunci când: , unde:

se numește prag fotoelectric și este o constantă de material (pentru metale este în domeniul vizibil sau în zona ultraviolet).

Efecul fotoelectric este un fenomen fizic propriu semiconductoarelor. Acesta presupune o legătură strânsă între lumină și proprietățile electrice ale materialelor. Efectul fotovoltaic constă în apariția unei tensiuni electromotoare sub acțiunea lumii absorbite într-un semiconductor. A fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel în anul 1839.

Denumirea acestui efect provine de la cuvântul grecesc phos, care înseamnă lumină, și de la numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume.

Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcinii 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.

Acest fenomen are loc dacă:

, adică energia fotonului este mai mare deât energia benzii interzise;

În figura 1.2.1 iluminarea joncțiunii p-n este perpendiculară prin stratul de conducție n, care este mult mai subțire decât stratul p.

Dispozitivele care funcționează pe baza acestui fenomen sunt numite celule fotovoltaice sau celule electrice solare. Primele celule fotovoltaice au fost construite de către Johann Elster și Hans Geitel, fiind utilizate la măsurarea intensității luminoase.

Conducția în semiconductori:

Conducția va fi evaluată pe baza evaluării energetice a electronilor. Fiecare electron are o anumită energie în funcție de care se va afla pe un nivel energetic permis. În acest fel se constată existența unui nivel liber numit nivel de conducție (banda de conducție BC) și o bandă de valență (BV) complet ocupată. Între cele două nivele există banda interzisă(BI).

Semiconductori sunt de două feluri:

-semiconductori intrinseci;

-semiconductori extrinseci;

1.3.1 Semiconductorul intrinsec:

Este un semiconductor pur având o structură cristalină. Conform teoriei cuantice, atât în stratul de valență cât și în cel de conducție, electroni sunt caracterizați de valori cuantificate ale energiei. Nivelele energetice ale electronilor de valență se grupează în banda de valență, iar a electronilor liberi în banda de conducție. Cele două benzi sunt separate de banda interzisă. Se cunoaște că pentru semiconductorul intrinsec, pur din punct de vedere chimic, la o anumită energie primită din exterior, un număr de electroni din stratul de valență părăsesc atomii respectivi, devenind electroni liberi ce prticipă la celelalte procese de conducție. Aportul energetic exterior necesar este egal cu înălțimea a benzii interzise.

În figura 1.3.1 este prezentată structura benzilor energetice în cazul unui semiconductor intrinsec.

Atunci când un electron de valență primește energie din exterior, el poate rupe legătura covalentă, și astfel devenind electron liber. Prin acest proces apare și golul care, participă la conducție ca purtător de sarcină pozitivă. Ca urmare, electronul liber este un purtător al cărui nivel energetic corepunde benzii de conducție, pe când golul este un purtător pozitiv al cărui nivel energetic corespunde benzii de valență. Când un electron părăsește atomul, devenind electron liber, spunem că se generează o pereche electron-gol. Într-un semiconductor intrinsec are loc un proces continuu de generare a perechilor electron-gol, a cărui intensitate depinde de energia primită de semiconductor, din exterior. Simultan, are loc și un proces invers, de recombinare electron-gol, rezultând atomi neutri.

1.3.2 Semiconductorul extrinsec:

Semiconductorii intrinseci sunt de două feluri: de tip “p” (se dopează cu elemente din grupa a III-a a tabelului lui Mendeleev-exemplu Al) și de tip “n” (se dopează cu elemnte din grupa a IV-a a tabelului lui Mendeleev-exemplu P).

Ca și în cazul semiconductorului intrinsec, și la semiconductorul extrinsec se aplică analiza structurii de benzi. În cazul semiconductoarelor dopate cu impurități pentavalente (donoare), impuritățile introduc un nivel energetic în banda interzisă a semiconductorului, numit nivel donor, situat foarte aproape de banda de conducție, ca în figura 1.3.2 a).

În cazul semiconductorului dopat cu impurități trivalente, acestea introduc în banda interzisă un nivel acceptor, foarte aproape de banda de valență, ca în figura 1.3.2 b). C aurmare, la temperatura ambiantă, practic toți atomi acceptori captează câte un electron, care a primit o energie , formându-se număr de electroni egal cu numărul de atomi acceptori. Deci, golurile devin în acest caz purtători majoritari, iar electronii devin purtători minoritari.

Analiza joncțiunii p-n:

Prin joncțiune p-n se înțelege suprafața de trecere dintre regiunea de tip p și regiunea de tip n,și zona adiacentă.

Electrodul conectat la regiunea p se numește anod, iar electrodul conectat la regiunea n se numște catod.

Regiunea p: La o temperatură mai mare de 0 grade Celsius un electron de la atomii vecini poate completa legăturile covalente incomplete. Un electron de la un atom vecin poate să completeze legătura lipsă de la o impuritate trivalentă, rămânând în locul lui un gol, apoi acest gol poate fi ocupat de un alt gol și așa mai departe. Astfel în semiconductor apare o deplasare a golurilor.

Regiunea n: În regiunea de tip n, 4 electroni ai impurității formează legătura covalentă aparținând celor 4 atomi vecini ai semiconductorului de bază, ramânând un electron fără legătură. Acest electron poate deveni electron liber, conducția în acest caz este realizată cu electron, semiconductorul va fi de tip n.

La joncțiunea p-n se întâmplă următorul fenomen: golurile din regiunea de tip p din aproprierea zonei de separație sunt completate de electronii aflați în exces din regiunea de tip n. Astfel, în regiunea de tip n apare un surplus de sarcină pozitivă, iar în regiunea de tip p apare un surplus de sarcină negativă.

1.4.1 Joncțiunea p-n polarizată direct:

Această polarizare se obține prin legarea bornei plus a sursei la regiunea p și a bornei minus a sursei la regiunea n.

Tensiunea aplicată creează un câmp electric E, orientat de la regiunea p(+ sursei) la regiunea n (- sursei). Acesta are sens invers câmpului de contact Ec, care este orientat de la regiunea n la regiunea p.

Deoarece câmpul aplicat de intensitate E, are o valoare mai mare decât câmpul de contact Ec, atunci deplasarea purtătorilor de sarcină este determinată de un câmp rezultant, cu intensitatea egală cu diferența dintre intensitatea celor două câmpuri: Erezultant=E-Ec.

Rezultă că golurile din regiunea p trec de la regiunea p la regiunea n, iar electronii din regiunea n trec de la regiunea n la regiunea p. (figura 1.4.1 a)

1.4.2 Joncțiunea p-n polarizată invers:

Această polarizare se obține prin legarea bornei minus a sursei la regiunea p și a bornei plus a sursei la regiunea n.

Tensiunea aplicată creează un câmp electric E, orientat de la regiunea n( + sursei) la regiunea p(- sursei). Acesta are același sens cu câmpul de contact Ec.

Rezultă că golurile din regiunea p, atrase de minusul sursei, se depărtează de joncțiune, iar electronii din regiunea n, atrași de plusul sursei, se depărtează și ei de joncțiune. În dreapta și în stânga joncțiunii va apărea o zonă săracă în purtători de sarcină, numită strat de blocare.

În concluzie, când joncțiunea p-n este supusă unei tensiunii exterioare va fi supusă de un curent , când joncțiunea este polarizată direct va fi parcursă de o valoare care este în funcție de tensiunea care este aplicată, iar la polarizarea inversă de un curent mult mai redus și de sens contrar. Expresia curentului este următoarea:

, unde:

este curentul prin dispozitiv (diodă);

este curentul invers de saturație ( la );

este tensiunea aplicată jonctiunii (diodei);

A este coeficientul care ține seama de dopare (;

este tensiunea termică corespunzătoare temperaturii de funcționare;

Iar: , unde:

k este constanta lui Boltzmann ();

T este temperatura de funcționare;

e este sarcina electronului ();

1.4.3 Influența radiației luminoase asupra unui conductor p-n:

Dacă o radiație luminoasă este aplicată regiunii de tip p și aceasta generează o pereche de electron-gol atunci electronii se combină cu un gol (golurile sunt purtători majoritari) și se neutralizează, adică purtători de sarcină nu cresc (adică nu crește numărul lor). Același lucru în regiunea de tip n, numai că de data aceasta golul neutralizează un purtător majoritar, adică un electron.

Presupunem că radiația ajunge în zona joncțiunii și generază o pereche de electron-gol sub acțiunea câmpului electric Ec, cele două sarcini generate sunt acționate de forțe de semn contrat, electronul ajunge în regiunea de tip n iar golul în regiunea de tip p. Dispozitivul este conectat la o sarcină R și va fi parcurs de un current electric i.

Efectul fotovoltaic se manifestă dacă radiația are suficientă energie și se produce în zona joncțiunii.

Curentul i prin R determină apariția unei teniunii de la regiunea p la regiunea n, care generează curentul prin dispozitiv .

i=, unde:

este curentul generat de efectul fotovoltaic, din care se scade curentul care circulă prin diodă datorită polarizării directe a diodei.

1.4.4 Ecuațiile generatorului fotoelectric:

Ecuațiile circuitului sunt:

; (1)

; (2)

Iar: ; (3)

Înlocuind relația (2) în relația (1) rezultă următoarea relație:

;

Funcționarea în scurtcircuit:

La funcționarea în scurtcircuit avem: u=0 și

Rezultă:

;

Funcționarea în gol:

La funcționarea în gol avem: i=0,

;

Pentru schema simplificată avem:

Rezultă că:

Funcționarea în scurtcircuit:

,

Funcționarea în gol:

1.4.5 Caracteristica tensiune-curent a celulei fotovoltaice:

Are forma din figura de mai jos:

este curentul la puterea maximă a celulei, este tensiunea la puterea maximă a celulei, este puterea maximă a celulei, iat este tensiunea de mers în gol a celulei.

Produsul între tensiunea și curentul celulei dau puterea celulei. Puterea debitată de celulă are un maxim funcție de tensiunea produsă.

Caracteristica tensiunea curent (U-I) a unui modul fotovoltaic depinde în principal de intensitatea radiației solare și de temperatura celulelor. Astfel, pentru diferiți parametri meteorologici există o caracteristică de funcționare a generatorului fotovoltaic. La intersecția caracteristicii U-I cu caracteristica sarcinii de la bornele generatorului fotovoltaic se găsește punctul de funcționare . Acest punct diferă în general de punctul maxim de putere (MPP), la care sistemul poate funcționa, când între generator și sarcină se realizeză un transfer optim de putere. În concluzie, MPP depinde de condițiile de funcționare ale generatorului fotovoltaic, dar și de caracteristicile electrice ale sarcinii de la borne. Scopul sistemelor de urmărire a punctului maxim de putere (MPPT) este de menține punctul de funcționare cat mai aproape de MPP.

Umbrirea unei singure celule a unui modul fotovoltaic conduce la scăderea productivității acestuia cu aproximativ 50%.

1.4.6. Generatorul fotovoltaic-Puteri și Randamente:

Conform schemei simplificate a generatorului fotovoltaic (figura 1.4.4 b) avem următoarele relații:

Notăm cu și considerăm

(1)

Din relația (1) rezultă:

Această ultimă relație reprezintă valoarea tensiunii pentru care se obținea puterea maximă.

Cu expresia tensiunii maxime se determină curentul maxim :

Puterea maximă este:

Rezistența optimă pentru puterea maximă este:

Randamentul maxim al unei cellule fotovoltaice este:

În care:

este randamentul maxim;

este puterea electrică maximă;

este puterea radiant maximă si are următoarea expresie:

;

Unde:

n este densitatea fotonilor;

S este suprafața pe care cade fotonul;

e este sarcina unui electron;

este energia fotonului;

Puterea radiantă maximă va fi:

Randamentul maxim va fi:

În care: este coeficient de utilizare, este coeficient de reflexie, este coeficient de transparență iar este coeficient de generare.

Componentele unui ststem fotovoltaic depind de aplicație: locuința izolată sau în aproprierea rețelei, utilizarea unei baterii sau doar a energiei solare, existența convertoarelor statice de putere.

Un sistem fotovoltaic cuprinde:

-celule fotovoltaice;

-baterii de acumulatoare;

-regulatoare de sarcină;

-convertoare statice;

-alte componente;

1.5 Celule fotoelectrice:

1.5.1 Principiul de funcționare al unei celule fotoelectrice:

O celulă fotovelctrică poate fi asimilată ca o diodă fotosensibilă, funcționarea ei bazându-se pe proprietățile materialelor semiconductoare.

Celula fotoelectrică permite conversia directă a energiei luminoase în energie electrică. Principiul de funcționare al unei celule fotoelectrice se bazează pe efectul fotoelectric. Efectul fotoelectric, mai bine zis transformarea energiei solare (foton) în energie electrică (volt) a fost descoperit în anul 1839 de fizicianul A. Becquerel.

Acest efect se bazează pe trei fenomene fizice simultane, strâns legate între ele, și anume:

-absorbția luminii de către materiale;

-transferul de energie de la fotoni la sarcinile electrice;

-colectarea sarcinilor;

a) Absorbția luminii:

Fotonii sunt cei ce compun lumina. Aceștia pot penetra anumite materiale, sau chiar să le traverseze. În general, o rază de lumină care atinge suprafața unui mediu, poate suport trei fenomene optice:

– reflexia: lumina este “întoarsă” de către suprafață;

– transmisia: lumina traversează obiectul;

– absorbția: lumina penetrează obiectul și nu îl mai părăsește, energia fiind trensformtă într-o altă formă de energie;

Într-un material fotoelectric, o parte a energiei fluxului luminos a fi transformată sub formă de energie electrică. Trebuie, așadar ca materialul să aibă capacitatea de a absorbii lumina.

b) Transferul de energie de la fotoni la sarcinile electrice:

Sarcinile elementare ce vor determina apariția unui curent electric în urma iluminării sunt electroni. Fotonii vor ceda energia lor, electronilor periferici, și le va permite să se elibereze de atracția exercitată de nucleu. Acești electroni eliberați vor putea forma un curent electric, dacă sunt extrași din material.

c) Colectarea sarcinilor:

Pentru ca sarcinile ce au fost eliberate prin iluminare sa poată să genereze energie, trebuie ca acestea să circule. Trebuie, așadar, să fie extrase din materialul semiconductor și format un circuit electric.

Această extracție a sarcinilor se realizează prin intermediul unei joncțiuni, facută special în semiconductor. Scopul este acela de a genera un câmp electric în interiorul materialului, care va antrena sarcinile negative într-un sens, iar pe cele pozitive în celăllt sens. Acest lucru se realizează prin doparea semiconductorului. Joncțiunea unei fotocelule cu siliciu este formată dintr-o parte dopată cu fosfor(P), numită de tip “n”, alipită unei părți dopate cu bor(B), numită de tip “p”.

Doparea unui material semiconductor reprezintă introducerea în structura materialului a unor sarcibi excedentare, pentru a se ameliora conductivitatea materialului.

În stare pură, numită intrinsecă, siliciul nu este fotoconductor. Datorită faptului că este dopat cu fosfor (5 electroni pe stratul exterior) va apărea un excedent de sarcini negative. Materialul va fi donor de electroni, disponibili pentru conducția electrică. Acest tip de material este siliciul de tip “n”.

Siliciul se poate dopa și cu bor (3 electroni pe stratul exterior), apărând un excedent de “goluri”, respective de sarcini pozitive. Materialul va fi acceptor de electroni. Acest tip de material este siliciul de tip “p”.

La frontiera dintre cele două parți se creează câmpul electric care separă sarcinile pozitive de cele negative.

De fapt, o celulă este realizată din două straturi subțiri din material semiconductor. Cele două straturi sunt dopate diferit:

Pentru stratul “n”, aport de electroni periferici;

Pentru stratul “p”, deficit de electroni;

Între cele două straturi va apărea o diferență de potențial electric. Energia fotonilor luminii, captați de electroni periferici (stratul “n”) le va permite acestora să depășească bariera de potențial și să creeze astfel un curent electric continuu. Electrodul superior este o grilă ce permite trecerea razelor luminoase. Pe acest electrod se depune apoi un strat antireflectorizant, pentru creșterea cantității de lumină absorbită.

În figura 1.5.1 este reprezentat strucura și principiul de funcționare al unei celule fotovoltaice cu Si:

Grila conductoare;

Strat antireflexie;

Siliciu tip “n”;

Siliciu tip “p”;

Electrozi;

1.5.2. Factorii de care depinde eficiența unei celule fotoelectrice:

O celulă fotoelectrică transformă doar o parte din energia radiantă în energie electrică, restul se pierde ca urmare a unor procese ce au loc în timpul conversiei:

Procese care intervin când energia este sub formă de radiație (pierderi de radiație);

Procese care intervin după ce energia radiantă a fost transferată semiconductorului;

Pentru fiecare proces se poate defini câte o “eficiență parțială”;

Eficiența celulei rezultă ca un produs al tuturor “eficiențelor parțiale”;

Patrunderea luminii prin suprafață;

Absorbția incompletă ;

Generarea purtătorilor ;

Pierderi de current datorită recombinării;

Pierderi de tensiune;

Jumătate din energia absorbită de la soare se pierde sub formă de căldură. Această pierdere face ce maximum de eficiență să fie aproximativ 25%;

În aproprierea unei joncțiunii p-n are loc o difuzie a purtătorilor de sarcină majoritari în regiunea unde ei sunt minoritari. În acest fel se stabilește o regiune cu sarcină spațială pozitivă în regiunea n și o altă regiune cu sarcină negativă în regiunea p. Între cele două sarcini apare un câmp electric cu sensul orientat de la semiconductorul n la semiconductorul p. Se stabilește astfel o barieră de potențial care împiedică difuzia purtătorilor de sarcină prin joncțiune. În concluzie, dupa o mișcare de purtători majoritari într-un sens (curent de difuzie) și purtători minoritari în celălalt sens (curent de drift) se obține un echilibru dinamic în care joncțiunea prezintă două zone neutre separate printr-un câmp electric (cu un potențial de barieră).

Când un foton lovește joncțiunea, au loc următoarele fenomene:

Fotonul traversează materialul daca energia lui este mai mică decât energia necesară unui electron pentru a trece din banda de valență în banda de conducție;

Fotonul este absorbit. Fotonul creează o pereche de electron-gol, iar dacă energia fotonului este mai mare decât cea necesară pentru “eliberarea” unui electron, cristalul se încălzește;

Celulele fotovoltaice sunt conectate în circuitele electrice în serie și/sau paralel pentru a produce tensiuni, curenți și puteri mai mari. Modulele fotovoltaice sunt formate din celule îmbrăcate în materiale protectoare. Aceste sisteme sunt parțile componente ale instalațiilor. Principiul de cuplare al instalațiilor este prezentat în figura de mai jos (figura 1.5.2).

1.5.3. Tipuri uzuale ale celulelor fotoelectrice:

Cel mai utilizat material în realizarea celulelor fotoelectrice este siliciul, un semiconductor din grupa aIV-a. Acesta este tetra-valent, ceea ce înseamnă că un atom de siliciu se poate asocia cu patru alți atomi de aceiași natură.

Se mai utilizează și arseniura de galiu și straturi subțiri de CdTe (telura de cadmiu), CIS (cupruindiu-diseleniu) și CIGS.

Se întâlnesc mai multe tipuri de celule fotovoltaice:

Celule monocristaline;

Celule policristaline;

Celule amorfe;

Celule CdTe, CIS, CIGS;

Celule monocristaline:

În urma răcirii, siliciul cristalizează, dând naștere unui singur cristal. Acesta se decupează în fâșii subțiri pe care sunt aplicate apoi celelalte straturi componente ale unei celule fotovoltaice. Culoarea lor este, de regulă, albastru uniform.(figura 1.5.3)

Acestea se prezintă sub forma unor plachete rotunde, pătrate sau pseudo-pătrate. Randamentul acestor celule este de 12-16%. Dar prezintă și unele dezavantaje: prețul este ridicat, iar durata mare de amortizare prin energia furnizată.

Celule policristaline:

În timpul cristalizării se formează mai multe cristale. Decuparea în fâșii conduce la formarea de celule compuse din mai multe cristale. Acestea sunt de asemenea de culoare albastră, dar se pot distinge diversele motive formate în urma cristalizării. Avantajele acestei celule sunt: randament bun al celulelor(aproximativ 13%), preț de producție mai scăzut. Dezavantaje: randament scăzut în cazul unei slabe iluminării. Dar, sunt cele mai utilizate celule la nivel industrial, pentru producerea panourilor fotovoltaice, având cel mai bun raport calitate-preț.

Celule cu siliciu în stare amorfă:

Aceste celule sunt realizate dintr-un suport de sticlă sau material sintetic, peste care se depune un strat subțire de siliciu. Culoarea are o tentă de gri. Randamentul lor este de 5-10%, fiind mai mic decât al celulelor cristaline, dar prețul este bun.

Dezavantajele sunt: randament scăzut în cazul intensităților mari ale radiației solare și degradarea materialului într-un timp relativ scurt de funcționare.

Avantaje: cost scăzut de producție și se comportă mai bine în cazul unei slabe iluminării, fiind mai performante la temperaturii mai ridicate.

Celule tandem:

Aceste celule se realizează prin asocierea tipurilor de celule prezentate mai sus, sub formă de straturi. Această combinație conduce la absorbirea unui spectru mai larg al radiației electromagnetice pentru producerea de energie electrică. În acest sens se ameliorează randamentul de conversie, față de o celulă simplă. Costul de producție în acest caz este clar mai ridicat.

Celule cu film subțire (CdTe, CIS, CIGS):

Tehnologiile CdTe, CIS, CIGS sunt încă în curs de dezvoltare. Această tehnologie presupune reducerea cantității de material folosită la producerea celulelor fotovoltaice, dar poate conduce și la o scăderea a randamentului de conversie. Acest tip de celule a devenit mai des utilizat datorită costurilor scăzute de fabricație, greutății reduse a panoului și flexibilității lor.

Celulele cu CdTe se bazează pe telura de cadmiu, material renumit datorită proprietăților de absorbție foarte mare. Touși, dezvoltarea lor riscă să stagneze datorită toxicității cadmiu-ului.

Celulele CIS (CuInSe2) se bazează pe cupru, indiu și seleniu. Acest material se caracterizează printr-o bună stabilitate sub acțiunea iluminării, având proprietății de absorbție foarte bune.

Celulele CIGS sunt realizate din aceleași materiale ca și celulele CIS, având ca particularitate alierea indiului cu galiu.

1.5.4 Caracteristicile energetice ale celulelor fotovoltaice:

Randamentul unei celule fotovoltaice se definește ca fiind raportul dintre puterea electrică furnizată la bornele sale și puterea radiației incidente și este dat de relația:

;

Puterea electrică disponibilă la bornele unei celule fotovoltaice variază în funcție de: intensitatea radiației solare, temperatura celulei, unghiul de incidență al razelor solare, caracteristicile constructive ale celulei și condițiile meteorologice.

Răspunsul spectral al unei celule fotovoltaice este eficacitatea cu care aceasta transformă energia radiației solare în energie electrică. Eficacitatea sa depinde în cea mai mare parte de proprietățile materialului din care este facută celula. Chiar dacă prin definiție fotonul are o masă nulă, el are totuși o energie cinetică. Aceasta se definește ca fiind produsul dintre constanta lui Plank și frecvența radiației, și are următoarea relație:

iar:

;

Factorul de formă este definit ca raportul dintre puterea maximă furnizată de o celulă fotovoltaică în condițiile de funcționare și puterea livrată de o celulă ideală, în aceleași condiții de funcționare, și are următoarea relație:

;

1.6 Panouri fotovoltaice:

Celulele fotovoltaice de construcție modern produc energie electrică cu o putere ce nu depășește W la tensiuni deV. Pentru a obține tensiuni și puteri necesare consumatorului de cellule fotovoltaice se conectează în serie și/sau în paralel. Cea mai mică instalație electrică format din celule fotovoltaice interconectate în serie și/sau în paralel , încapsulate pentru a obține o rezistență mecanică mai mare și a proteja celulele împotriva mediului se numește panou fotovoltaic. La proiectarea modulelor fotovoltaice se ia în considerare frecvența acestora pentru încărcarea acumulatoarelor electrice, care au o tensiune de V. Astfel, în condiții de radiație standard, tensiunea maximă trebuie să fie de V, iar tensiunea de mers în gol de V. O singură celulă generează în gol aproximativ 0,6 V și trebuie să conectăm în serie de cellule pentru a obține tensiunea necesară.

Pentru a obține tensiunea și puterea necesară consumatorului de energie electrică modulele fotovoltaice pot fi conectate în serie, paralel sau serie-paralel.

1.6.1 Construcția unui panou fotovoltaic:

Un panou fotovoltaic are următoarele componente:

Un geam (de cele mai multe ori geam securizat monostrat) de protecție de fața expusă la soare.

Un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc siliconat) în care se fixează celulele solare.

Celule solare monocristaline sau policristaline conectate între ele prin benzi de cositor.

Caserarea feței posterioare a panoului cu o folie stratificată din material plastic.

Priza de conectare prevăzută cu diode de protecție respective diode de scurtcircuitare și racord.

O ramă din profil de aluminiu pentru protejarea geamului de transport, manipulare și montare, pentru fixare și rigidizarea legăturii.

1.6.2. Instalarea panourilor fotovoltaice:

Există, în principal, două tipuri de instalare a panourilor fotovoltaice:

Pe o clădire, unde pot fi integrate, și anume faptul că modulele înlocuiesc elemente ale construcției, fie neintegrate, adică prin suprapunere pe acoperiș sau pe fațadă. Integrarea în construcție este un sistem mai mult adaptat la clădirile noi sau la cele reabilitate masiv.

În central la sol, (pe un camp, într-o grădină, etc) care se compun dintr-o central fixă și o parte mobilă montată pe un tracker, dispozitiv care permite panoului să urmărească mersul soarelui.

Tabelul de mai jos arată avantajele și dezavantajele fiecărei situații (figura 1.6.2):

1.7. Sisteme fotovoltaice:

Sistemele fotovolatice se impart în două categorii principale:

conectate la rețea (grid connected) sau care furnizează în parallel cu rețeaua electrică public;

b . sisteme fotovoltaice autonome (stand- alone PV system);

Sistemele fotovoltaice conectate la rețea pot fi divizate în sisteme pentru care rețeaua electrică publică joacă rolul de sursă auxiliară de energie (grid back-up), cele, în care excesul de energie produsă pe cale fotovoltaică este furnizată în rețea (grid interactive PV system) și centrale electrice solaro-electrice (multi MW PV system) care furnizează toată energia produsă în rețea.

Conectarea surselor de energie regenerabilă la rețeaua electrică, ridică probleme de natură tehnică (dificultăți în controlul și reglajul sistemului) și de natură economică (dacă nu este subvenționată, energia electrică provenită din sursele regenerabile nu este competitivă pe piața de enrgie).

De asemenea, conectarea sistemului fotovoltaic la sistemul electric poate determina apariția de perturbații electromagnetice la rețeaua electrică, numai în cazul în care nu se iau măsuri adecvate la limitarea acestora. În mod obișnuit pot să apară perturbații sub formă de armonice, interarmonice, fluctuații de tensiune, nesimetrie și supratensiuni.

Se recomandă, ca înainte de conectarea la rețea a surselor distribuite, să se analizeze nivelul perturbațiilor din rețeaua electrică pentru a cunoaște atât contribuția sistemului fotovoltaic la creșterea nivelului de perturbații, cât și influența pe care perturbațiile din rețea o pot avea asupra parametrilor de performanță ai sistemului fotovoltaic.

Conectarea directă a sistemului fotovoltaic la rețeaua electrică conduce, de cele mai multe ori, la un nivel ridicat de perturbații. În cazul obișnuit al conectării prin intermediul unui transformator, are loc diminuarea perturbațiilor, în special a armonicilor de rand multiplu de trei dacă transformatorul are una din înfășurări conectată în triunghi. Conectarea sistemului fotovoltaic prin intermediul unui circuit electronic cu convertor performant de frecvență determină cele mai reduse perturbații.

Cunoașterea perturbațiilor care pot să apară și condițiile specifice în care acestea apar permit adoptarea celor mai eficiente măsuri pentru limitarea perturbațiilor în rețeaua electrică publică. Acestea pot fi însoțite de daune la consumatorii conectați în aceiași rețea, dar și de penalizări ale furnizorilor de energie electrică pentru nivelul redus al calității de energie electrică.

1.7.1 . Avantajele sistemelor fotovoltaice:

a. produc energie electrică fără a avea efecte poluante asupra mediului ( se reciclează complet);

b. nu au componente în mișcare:

-fiabilitate ridicată, durată de viată lungă;

-exploatare ușoară, ieftină;

-tehnologie fără poluate fonică;

c. producere și consum în același loc, pentru puteri instalate mai mici, consumabile local:

-pierderi de transport reduse;

-spații pentru producere și transport reduse;

-nu produce modificări în mediu;

d. modularitate:

Un sistem fotovoltaic poate fi proiectat pentru o ușoară expandare. Dacă cererea de putere ar crește, singurul obstacol care poate interveni în expandarea sistemului fotovoltaic este lipsa spațiului necesar amplasării modulelor suplimentare; ne referim bineînțeles la lipsa unui spațiu iluminat de soare.

e. autonomie:

Nu necestită un consum suplimentar și cheltuieli de întreținere. Alimentarea cu combustibil convențional și depozitarea lui poate costa mai mult decât combustibilul însuși. Energia solară este oferită gratis. Deoarece tendința actuală este orientată spre optimizarea din punct de vedere energetic, pentru asigurarea funcționalității în condiții de maximă eficiență, s-au dezvoltat aplicații în care sistemele fotovoltaice sunt dotate su sisteme inteligente pentru controlul funcționării, dotări care asigură personalizarea acestor aplicații.

f.durabilitate:

Marea majoritate a modulelor fotovoltaice de astăzi sunt bazate pe tehnologii care au dovedit o degradare minimă după 20 de ani de funcționare, acestea fiind garantate 30 de ani. Sistemele fotovoltaice produc energie electrică ziua, dar energia electrică livrată ziua costă mai mult. În România, deja se practică tarife diferențiate zi-noapte, deci, sistemul fotovoltaic produce energie electrică gratis sau aproape gratis în timpul zilei, când energia electrică este mai scumpă, iar pe timplu nopții când sistemul fotovoltaic nu produce, necesarul de energie electrică este preluat din rețeaua electrică de distribuție locală.

Un mare avantaj pe care în prezintă sistemele fotovoltaice este acela că se pot integra în clădiri, pot înlocui subansamble, materiale de construcție sau chiar întregi părții componente ale clădirii cum ar fi de exemplul acoperișul.

Bibliografie:

Al. Nicula (1975), Fizica semiconductorilor și aplicații, București: Editura Didactică și Pedagogică;

F.T.Tănăsescu (1986), Conversia energiei. Tehnici neconvenționale, București: Editura Tehnică;

Ion Spânulescu (1983), Celule solare, București: Editura Științifică și Enciclopedică;

N. Drăgulănescu și M. Ciucă (1987), Echipamentul electronic al automobilului, București: Editura Tehnică;

Lucian Mihneț-Popa și Dan Nicoară (2005), Conversia și utilizarea energiei electrice. Aplicații practice, Timișoara: Editura Politehnica;

Mohamed Amjahdi și Jean Lemale (2012), Energia solară termică și fotovoltaică, București: Editura MatrixRom;

Lefter Emilian, Alimentarea cu energie electrică a autovehiculelor, Editura Mediamira;

Răducu Marian, Electronică analogică. Teorie și aplicațtii, Editura MatrixRom;

C. DE Sabata, M. Borneas, B. Rothenstein, A. Munteanu (1982), Bazele fizice ale conversiei energiei solare, Timișoara: Editura FACLA;

Georghe Clondescu și Ing. Octavian Tomuța, Acumulatoare electrice-întreținere și reparare (1977) , București: Editura Tehnică

Cuprins: