MASTER: Sisteme pentru Conversia Energiei [309648]

[anonimizat]: Sisteme pentru Conversia Energiei

LUCRARE DE DISERTAȚIE

Optimizarea unui sistem de alimentare cu panouri fotovoltaice

Îndrumător :

Dr.ing. Raducu Marian

Absolvent: [anonimizat]. Badea Costinel Danut

Pitești

2017

CUPRINS

LUCRARE DE DISERTAȚIE 1

1 INTRODUCERE 4

2 ENERGIA FOTOVOLTAICA 6

2.1 Energia Solara (Radiatia Solara) 6

2.2 EFECTUL FOTOVOLTAIC 11

2.3 CELULELE FOTOVOLTAICE 11

2.3.1 Conversia fotovoltaica 11

2.3.2 Constructia si principiul de functionare al celulelor fotovoltaice 14

2.3.3 Caracteristicile celulei fotovoltaice 18

2.3.4 Tipuri de celule fotovoltaice 22

2.3.5 Factorii de care depinde eficienta celulei solare. 27

2.4 MODULE FOTOVOLTAICE 28

2.4.1 Module fotovoltaice 28

2.4.2 Recilarea modulelor fotovoltaice 28

2.5 SISTEME FOTOVOLTAICE 29

2.5.1 Structura unui sistem fotovoltaic 29

2.5.2 Clasificarea sistemelor fotovoltaice 29

2.5.3 Aplicatii tipice ale sistemelor fotovoltaice 30

2.5.4 Principalele avantaje si dezavantaje 30

3 PROIECTAREA SI OPTIMIZAREA SISTEMULUI FOTOVOLTAIC 32

3.1 Cerinte proiect 32

3.2 Date de intrare 32

3.3 Date climatice 33

3.4 Radierea Solara Lunara 34

3.5 Perfomantele retelei fotovoltaice 37

3.6 Media zilnica orara a iradierii solare 42

3.7 Alegerea panourilor fotovoltaice 46

3.8 Alegerea acumulatorilor pentru stocarea energiei 49

3.9 Alegere regulator încărcare baterie 50

3.10 Alegere inverter 52

3.11 Arhitectura sistemului fotovoltaic 53

3.12 Bugetarea instalației fotovoltaice 54

4 OPTIMIZAREA SISTEMULUI FOTOVOLTAIC 55

4.1 Alegere sistem de orientare 55

4.2 Modul de fixare al sistemului de urmarire 57

4.3 Soluția de optimizare aleasă 58

4.4 Bugetarea sistemului de urmarire pentru instalația fotovoltaica 58

5 CONCLUZII 59

6 BIBLIOGRAFIE 60

7 ANEXE 61

INTRODUCERE

Energia regenerabila a fost folosita de om incepand din cele mai vechi timpuri. Arderea biomasei pentru incalzire si iluminare a [anonimizat] a mentiona utilizarea alimentelor organice ca energie pentru supravietuire. [anonimizat] a energiei pentru agricultura si pentru procesele industriale la scara mica.

Tehnologiile moderne de conversie a surselor regenerabile au istorii diferite. [anonimizat], in Danemarca. Interesul fata de aceste tehnologii a atins nivelul optim pe parcursul celor 2 [anonimizat]. Incepand cu anii 1950 [anonimizat], urmate de reducerea preturilor pana la nivelul acceptat de consumatori.

[anonimizat] 1973 si 1979. Tehnologiile eoliana, a [anonimizat].

Energia regenerabila este energia derivata din surse care sunt regenerative si pentru toate aplicatiile practice nu pot fi epuizate. Actualmente sursele regenerabile de energie contribuie cu aproximativ 18,4 % la consumul uman global de energie.

[anonimizat]ca energia solara.

Energiile solara, eoliana si hidraulica sunt utilizate tradiional pe larg in tarile dezvoltate si in curs de dezvoltare. Insa, producerea in masa a electricitatii, folosind sursele regenerabile de energie, a inceput relativ recent reflectand tratatele majore privind schimbarea climei si poluarea, epuizarea combustibililor fosili si riscurile sociale, politice si de mediu ale combustibililor fosili si ale energiei nucleare. Mai multe tari si organizatii promoveaza energiile regenerabile prin subsidiere si reduceri de taxa.

Cel mai mare aport de energie primarã este adus de radiatia solarã ce ajunge în straturile superioare ale atmosferei terestre. Aproximativ 30% din radiatia primitã de pamânt este reflectatã în spatiul cosmic de cãtre nori si suprafata terestrã iar restul de 70% este absorbitã ea regãsindu-se în cãldura aerului, a apei, în cãldura latentã de evaporare a apei din mãri si oceane si de pe suprafata de uscat umeda; se regãseste în biomasã datoritã proceselor de fotosintezã din plante. Cãldura absorbitã de aer si apã este remisã în cele din urmã sub formã de radiatii infrarosii (IR) spatiului înconjurãtur. Cãldura latentã de evaporare a apei este deasemenea eliberatã prin condensare. Energia geotermalã produce un flux de energie comparativ mic dinspre litosferã spre atmosferã si oceane prin conductia cãldurii. Din aceastã energie numai 1% se regãseste în vulcani sau în câmpuri geotermale active. Miscarea planetelor din sistemul solar se regãseste disipatã în mareele din oceane. Fluxurile de energie generate de radiatia solarã si celelalte douã surse în mediului înconjurãtor al omului sunt fluxurile naturale de energie secundarã care sunt mult mai mici decât fluxurile rezultate prin transferul direct de enegie de la lumina solare. Aceste fluxuri de energie naturala sunt:

Energia potential si cinetica a cursurilor de apa;

Vanturile, valurile si energia cinetica a curentilor oceanic;

Energia solara absorbita prin fotosinteza din biomasa

Cele mai importante fluxuri natural de energie din mediul inconjurator direct al omului ce pot fi exploatate sunt:

Radiatia solara absorbita la nivelul scoartei terestre;

Vanturile care transporta aer fierbinte spre poli si aer rece si uscat catre ecuator.

Trecerea la tehnologiile bazate pe energii regenerabile este dictata atat de cresterea continua a preturilor la petrol si gaze cat si de constietizarea problemelor legate de schimbarea climei globale. In ultimii 30 de ani, sistemele energetice solare si eoliene sau dezvoltat rapid reducand substantial costurile capitale si ale energiei generate, continuand imbunatatirea performantelor sistemelor. De fapt, preturile combustibililor fosili si ale energiei regenerabile, precum si costurile sociale si de mediu crescande au favorizat evolutia rapida si pe scara larga a diseminarii si dezvoltarii pieselor pentru energiile regenerabile.

In conditii concrete din Romania, in balanta energetica se iau in considerare urmatoarele tipuri de resurse regenerabile de energie :

Energia solara – utilizata la producerea de caldura prin metode de conversie pasiva sau activa sau la furnizarea de energie electrica prin sisteme fotovoltaice

Energia eoliana – utilizata la producerea de energie electrica cu grupuri aerogeneratoare ;

Hidroenergia utilizeaza centrale hidroelectice cu o putere instalata mai mica sau egala cu 10 MW (hidroenergia mica) respectiv centrale hidro cu o putere instalata mai mare de 10 MW (hidroenergia mare) ;

Biomasa – provine din reziduuri de la exploatari forestiere si agricole,deseuri de prelucrare a lemnului si alte produse ; biogazul este rezultatul fermentarii in regim anaerob a dejectiilor animaliere sau de la statiile de epurare orasenesti ;

Energia geotermala – energia magazinata in depozite si zacaminte hidrogeotermale subterane, exploatabila cu tehnologii speciale de foraj si extractie.

ENERGIA FOTOVOLTAICA

Energia Solara (Radiatia Solara)

Energia solara este energia radianta produsa în Soare ca rezultat al reactiilor de fuziune nucleara. Ea este transmisa pe Pamânt prin spatiu în cuante de energie numite fotoni, care interactioneaza cu atmosfera si suprafata Pamântului.

Soarele trimite catre pamânt un flux de energie care corespunde unei puteri de 170 miliarde MW. Daca s-ar captura numai 0,1% din aceasta energie pentru o populatie de cca. 6 miliarde de oameni (anul 2000), ar reveni fiecarui locuitor o ptere de 30 kW, cu o durata de 4-5 ore zilnic, s-ar putea produce cca. 50.000 kWh pentru fiecare locuitor (fata de cca. 3.000 kWh produsi in prezent). Din pacate energia solara prezinta o serie de dezavantaje: concentratia de energie solara este mica, iar captarea ei se face greu, cu cheltuieli mari si este distribuita neregulat in timp si pe suprafata planetei.

O cantitate imensa de energie solara ajunge la suprafata pamantului in fiecare zi. Aceasta energie poate fi captata, si folosita sub forma de caldura in aplicatii termo-solare, sau poate fi transformata direct in electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice(CF) . Pentru a intelege cum CF si sistemele termo-solare capteaza energia solara, este important sa intelegem cum aceasta isi urmeaza cursul de la soare spre Pamant si cum acest flux se schimba periodic. Cum produce soarele energie Soarele este o sfera cu diametrul de aproximativ 1.4 milioane de km, formata din gaze cu temperaturi foarte mari(temperatura interiora a soarelui este de aproximativ 15 milioane de grade Kelvin). Aceasta temperatura imensa, combinata cu o presiune de 70 miliarde de ori mai mare decat aceea a atmosferei Pamantului creeaza conditiile ideale pentru reactiile de fuziune. Reactia de fuziune Reactiile de fuziune din soare au loc intre atomi de hidrogen, care se combina si formeaza atomi de helium. In urma acestui proces se degaja energie sub forma unor radiatii cu energie mare, mai cu seama raze gamma. In timp ce aceaste radiatii migreaza din centrul spre exteriorul sferei solare, ele reactioneaza cu diferite elemente din interiorul soarelui si se transforma in radiatii cu energie mica. Soarele a produs in acest fel energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani, si va continua sa faca la fel pentru inca 4-5 miliarde. Cum este transportata energia pe Pamant Pamantul se roteste in jurul soarelui la o distanta de aproximativ 150 milioane de km. Radiatiile se extind la viteza de 300.000 de km pe sec, viteza luminii. Timpul necesar pentru a ajunge pe Pamant este de aproximativ 8 min.

Intensitatea radiatiei solare la marginea exterioara a atmosferei, când Pamântul se afla la distanta medie de Soare, este numita constanta solara, a carei valoare este de 1,37*106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea, intensitatea nu este constanta; ea variaza cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani. Intensitatea energiei solare la suprafata Pamântului este mai mica decât constanta solara, datorita absorbtiei si difractiei energiei solare, când fotonii interactioneaza cu atmosfera.

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pamânt depinde într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de ora, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solara care poate fi absorbita depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Absorbtia naturala a energiei solare are loc în atmosfera, în oceane si în plante. Interactiunea dintre energia solara, oceane si atmosfera, de exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt. Utilizarile moderne ale energiei eoliene presupun masini puternice, usoare, cu design aerodinamic, rezistente la orice conditii meteo, care atasate la generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a unei retele de distributie

locala sau regionala.

Aproximativ 30% din energia solara care ajunge la marginea atmosferei este consumata în circuitul hidrologic, care produce ploi si energia potentiala a apei din izvoarele de munte si râuri. Puterea produsa de aceste ape curgatoare când trec prin turbinele moderne este numita energie hidroelectrica. Prin procesul de fotosinteza, energia solara contribuie la cresterea biomasei, care poate fi folosita drept combustibil incluzând lemnul si combustibilele fosile ce s-au format din plantele de mult disparute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din biomasa.

De asemenea, oceanele reprezinta o forma naturala de absorbtie a energiei. Ca rezultat al absorbtiei energiei solare în oceane si curenti oceanici, temperatura variaza cu câteva grade. În anumite locuri, aceste variatii verticale se apropie de 20°C pe o distanta de câteva sute de metri. Când mase mari de apa au temperaturi diferite, principiile termodinamice prevad ca un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de energie de la masa cu temperatura mai mare si transferând o cantitate mai mica de energie celei cu temperatura mai mica. Diferenta între aceste doua energii calorice se manifesta ca energie mecanica, putând fi legata la un generator

pentru a produce electricitate.

Captarea directa a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectate sa capteze energia, uneori prin focalizarea directa a razelor solare. Energia, odata captata, este folosita în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice, energia solara este folosita pentru a încalzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice, energia solara este transformata direct în energie electrica, fara a folosi dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care capteaza razele solare într-un receptor, unde caldura solara este transferata într-un fluid care pune în functiune un sistem de conversie a energiei electrice conventionale.

Energia solară primită anual pe Terra însumează 1,5 x 1018 kWh, aproape de 10 000 de ori mai mult decât consumul anual de energie în lume. Soarele este considerat un corp negru având o temperatură de T 6000K care interacționează cu Pământul și cu atmosfera sa. Intensitatea maximă a radiației solare la intrarea în atmosferă este de 1353 W/m2 și se numește constantă solară. Mici variații în jurul acestei valori se datorează variației distanței dintre Terra și Soare, aproximativ 1,7% , iregularităților suprafeței solare și rotației acestuia. Soarele emite o radiație electromagnetică cu o putere de aproximativ 3.86 × 10 26 J/s, într-o gamă variată de lungimi de undă, de la raze X la unde radio. Cea mai mare parte din această energie este emisă între 0,2 și 8 m , repartizată în următoarea manieră: 10% ultraviolet, 40% spectru vizibil și 50% infraroșu. Spectrul solar este reprezentat în figura 2.1.

Fig. 2.1 Spectrul radiatiei solare

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

radiația directă – componenta paralelă, provenită de la discul solar și măsurată după direcția normalei la suprafață;

radiația difuză – radiația primită de o suprafață plană provenită din toată emisfera văzută de pe acea suprafață, cu excepția discului solar;

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

radiația globală – radiație directă și radiație difuză.

Pentru funcționarea panourilor fotovoltaice, radiația directă este cea mai importantă. În cazul unui cer senin, aceasta 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. Acest lucru se datorează celei mai scurte distanțe pe care undele electromagnetice trebuie să le parcurgă de-a lungul atmosferei terestre. Înclinarea unei suprafețe, orientată spre sud ca în figura 2.2 și poziția ei față de soare este descrisă de unghiul h (înălțimea la care se găsește soarele la ora respectivă) și unghiul azimutal . Datorită mișcării de revoluție a Pământului, poziția soarelui este diferită față de suprafața din figura 2.2 și în funcție de anotimp.

Fig. 2.2 Unghiuri solare in functie de anotimp

Totodată intensitatea radiației solare este o funcție de unghiul zenital și starea atmosferei, incluzând conținutul de ozon, de vapori de apă, de aerosoli, de praf și de nori. În figura 2.3 este prezentată variația intensității radiației solare în funcție de unghiul zenital și coeficientul AM pentru presiunea aerului la nivelul mării 105 N /m2 , un conținut de apă de-a lungul unei coloane verticale de 0,02m3/m2, conținut de ozon 0,0034m3 /m2 , ambele măsurate în condiții standard de temperatură și distanță medie Pământ-Soare.

Fig. 2.3 Intensitatea radiației solare normale la suprafață a) atmosferă ipotetică – turbiditate zero, b) atmosferă clară – turbiditate 0,01, c) atmosferă poluată – turbiditate 0,4

În continuare vom prezenta câteva dintre dispozitivele de captare a energiei solare:

A: Panouri solare

Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are temperatura crescuta datorita transferului de caldura. Energia transferata fluidului purtator este numita eficienta colectoare instantanee. Panourile solare au în general una sau mai multe straturi transparente pentru a minimaliza pierderile de caldura si pentru a putea obtine o eficienta cât mai mare. În general, sunt capabile sa încalzeasca lichidul colector pâna la 82°C cu un randament cuprins între 40 si 80%.
Aceste panouri solare au fost folosite eficient pentru încalzirea apei si a locuintelor. Acestea înlocuiesc acoperisurile locuintelor. În emisfera nordica, ele sunt orientate spre sud, în timp ce în emisfera sudica sunt orientate spre nord. Unghiul optim la care sunt montate panourile depinde de latitudinea la care se gaseste instalatia respectiva. În general, pentru dispozitivele folosite tot anul, panourile sunt înclinate la un unghi egal cu latitudinea la care se aduna sau se scad 15° si sunt orientate spre sud respectiv nord.

În plus, panourile solare folosite la încalzirea apei sau a locuintelor prezinta pompe, senzori de temperatura, controllere automate care activeaza pompele si dispozitivul de stocare a energiei. Aerul sau chiar un lichid pot fi utilizate ca fluide în sistemul de încalzire solara si un acumulator sau un rezervor cu apa, bine izolate, sunt folosite de obicei ca medii de stocare a caldurii. În anexa 1 este prezentata schema simplificata a unei locuinte care foloseste pentru încalzire sau racire astfel de panouri solare.

B. Captatoare de energie

Pentru aplicatii cum sunt aerul conditionat, centrale de energie si numeroase cereri de caldura, panourile solare nu pot furniza fluide colectoare la temperaturi suficient de mari pentru a fi eficiente. Ele pot fi folosite ca dispozitive de încalzire în prima faza, dupa care temperatura fluidului este apoi crescuta prin mijloace conventionale de încalzire. Alternativ, pot fi folosite colectoare mai complexe si mai scumpe. Acestea sunt dispozitivele care reflecta si focalizeaza razele solare incidente într-o zona mica de captare. Ca rezultat al acestei concentrari, intensitatea energiei solare este marita si temperatura care poate fi atinsa poate ajunge la câteva sute sau chiar câteva mi de grade Celsius. Aceasta captatoare trebuie sa se miste dupa cum se misca soarele, pentru a functiona eficient si dispozitivele utilizate se numesc heliostate.

EFECTUL FOTOVOLTAIC

Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare, sub acțiunea energiei solare, denumit effect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1830.

Termenul “fotovoltaic”deriva din combinatia cuvantului grec photos, ceea ce inseamna limina si numele unitatii de masuta a fortei electromotoare volt. Astfel, tehnologia fotovoltaica(PV) descrie procesul de generare a electricitatii cu ajutorul luminii.

Sistemele fotovoltaice realizeaza conversia directa a energiei radiatiei solare in energie electrica, fara o poluare sonora si fara emisia unor gaze poluante in mediul ambiant. Sistemele fotovoltaice au fost folosite la inceput pentru a echipa satelitii, dupa aceea pe scara mai larga la echiparea ceasurilor electronice precum si a unor calculatoare. In ultimii 20 de ani sute de mii de sisteme fotovoltaice au fost instalate in toata lumea.

Ele sunt folosite in orase mici, precum si in sate in care implementarea unui astfel de sistem este mai rentabila decat conectarea la reteaua electrica sau folosirea de baterii / minigeneratoare de curent. Astfel de sisteme au functionat perioade lungi de timp in domenii ca pomparea apei, electrificarea unor localitati sau case izolate, gestionarea unor rezerve de apa, aparate de taxat pentru parcari, telecomunicatii sau protectie catodica.

Totusi, in ciuda succesului acestor sisteme in toata lumea piata lor reprezinta numai un procent mic din ceea ce ar putea reprezenta piata de sisteme independente. Motivul principal nu este atat unul care tine de tehnologie cat lipsa de informatie. Existenta sistemelor fotovoltaice si rentabilitatea implementarii lor, atat la nivel urban cat si rural nu este cunoscuta de potentialii utilizatori. Deasemenea, exista conceptii gresite privind tehnologia fotovoltaica, ca de exemplu ideea ca sistemele fotovoltaice functioneaza numai in lumina solara intensa, tehnologia este prea sofisticata sau ideea ca ar fi prea scumpa comparativ cu extinderea retelei electrice.

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 current electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcționează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permite furnizarea unei puteri elctrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcționează individual ci legate în serie într-un mumăr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare pentru producerea energiei termice, denumite și colectori solari sau panouri solare termice).

CELULELE FOTOVOLTAICE

Conversia fotovoltaica

Conversia fotovoltaică reprezintă transformarea directă a radiației solare în energie electrică prin intermediul celulelor solare.

Helio-electricitatea se referă la conversia directă a energiei solare în energie electrică. Pentru aceasta, se utilizează module fotoelectrice compuse din celule solare sau fotoelemente .

Fig. 2.4. Conversia energiei solare în energie fotoelectrică

Producția de energie fotoelectrică depinde de expunerea la Soare a locației și
de temperatură, deci de amplasare geografică, de anotimp și de ora zilei: producția
are un maxim la amiază (ora solară), cu cer senin. Valoarea maximă înregistrată în
acest moment are valoarea de aproximativ 1000 W/m² (valoare de referință).

Radiația solară este influențată de modificarea permanentă a următorilor parametrii importanți :

înălțimea soarelui pe cer (unghiul pe care îl formează direcția razelor soarelui cu planul orizontal);

unghiul de înclinare a axei Pământului;

modificarea distanței Pământ – Soare (aproximativ 149 milioane km pe traiectorie eliptică, ușor excentrică.);

latitudinea geografică.

Fig. 2.5. Harta solara a Romaniei pentru iradiatia globala si potentiului solar.

Inclinarea optima a modulelor fotovoltaice

Constructia si principiul de functionare al celulelor fotovoltaice

Celulele fotovoltaice sunt dispozitive opto elecronice ce pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare,si a caror functionare se datoreaza efectului generarii de catre lumina a purtatorilor de sarcina liberi si separarea lor de catre campul electric intern al jonctiunilor p-n. Ca material initial pentru fabricare se utilizeaza, de obicei, siliciu cristalin sau policristalin, in care prin diverse metode tehnologice se formeaza straturi cu diversa conductibilitate pentru a ovtine jonctiunea p-n. Materialul semiconductor de baza care se foloseste la producerea celolelor fotovoltaice este siliciu.

În figura 2.6 este prezentată structura energetică a materialelor semiconductoare, deci și a

siliciului.

Fig. 2.6. Structura energetică a materialelor semiconductoare

Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înțelegerii condițiilor în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. În situații normale, electronii ocupă în jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite și straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetic accesibile pentru electroni, sunt separate de benzi energetice interzise, reprezentând adevărate “bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate de electroni, este denumit și bandă energetică de valență, sau mai simplu bandă de valență. Următorul nivel energetic accesibil electronilor, dar neocupat de aceștia, este denumit bandă energetică de conduție, sau mai simplu bandă de conducție. Este evident că pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valență și ale benzii de conducție sunt diferite. Diferența de potențial energetic ΔE, dintre banda de conducție și banda de valență, reprezentând și valoarea “barierei energetice” dintre cele două straturi, este diferența dintre nivelurile energetice Ec al benzii de conducție și Ev al benzii de valență ΔE=Ec-Ev. În cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariere energetice este ΔE≈1eV, iar în cazul siliciului amorf poate să ajungă la ΔE≈1,7eV.

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, adică pentru a putea trece pe banda de conducție. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiația solară, fotonii, sau cuantele de lumină cum mai sunt numiți aceștia, sunt capabili să transmit electronilor de pe banda de valență, energia necesară pentru a depăși “bariera energetică” și a trece pe banda de conducție. Acest fenomen se produce în celulele fotovoltaice.

În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice, pentru obținerea unui surplus 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. Prin alăturarea a două asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanța diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, se obține o așa numită joncțiune de tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în figura 2.7.

Fig. 2.7. Joncțiune p-n

Sub acțiunea diferenței de potențial electric, manifestată în zona de contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendința de migrație în stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendința de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electric pozitivă. Această tendință de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentată în figura 2.8.

Fig. 2.8. Tendința de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncțiunii p-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 se va realiza o reechilibrare 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 superficial din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice în zona joncțiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 2.9.

Fig. 2.9. Apariția unei diferențe de potențial electric în zona joncțiunii p-n

Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariția unei diferențe de potențial locale, la nivelul joncțiunii. Această diferență internă de potențial reprezintă o barieră care împiedică o eventuală 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 response din zona joncțiunii spre suprafețele acestor straturi, opuse joncțiunii p-n.

Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât și caracteristici corpusculare, conform teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai util ca lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.

Dacă joncțiunea p-n este supusă radiației solare, fotonii având un nivel energetic suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiația solară prezintă o intensitate mai mare), sunt capabili să transfere suficientă energie electronilor aflați pe straturile de valență ale atomilor, pentru a treace pe straturile de conducție și să devină electroni liberi.

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 positive (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.

În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi și în zona joncțiunii p-n, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare electrică la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n, așa cum se observă în figura 2.10.

Fig. 2.10. Polarizarea suprafețelor exterioare ale joncțiunii p-n

Dacă suprafețele exterioare ale joncțiunii p-n sunt acoperite cu câte un strat metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceștia se va manifesta o diferență de potențial, care într-un circuit închis va produce manifestarea unui curent electric. Diferența de potențial și curentul electric se pot menține la un nivel constant atâta tip cât se manifestă radiația solară. Este evident că variația intensității radiației solare va produce și variații ale diferenței de potențial, dar mai ales ale intensității curentului electric așa cumse va arăta ulterior.

Joncțiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuiește o celulă fotovoltaică sau o celulă elctrică solară având construcția de tipul celei reprezentate în figura 2.11.

Fig. 2.11 Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimea stratului n, este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplaseaza un strat antireflexie, cu rolul 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. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzulale de 10x10cm și mai recent de 15x15cm.

Grosimea stratului influențează culoarea celulei (culoarea de interferență). Grosimea stratului trebuie să fie cât se pote de uniformă, deoarece abateri de câțiva nanometri măresc gradul de reflexie. Celulele își datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce corespunde lungimii de undă a culorii roșii, culorea cea mai bine absorbită de siliciu. În principiu însă în acest mod se pot realiza celule roșii, galbene, sau verzi la cerințe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu și a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are și un rol de a reduce viteza de recombinare superficială

Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul Vanguard I, prezentat în figura 2.9. Eficiența de conversie a energiei radiației solare în electricitate era de 10%, iar puterea totală a acelor celule fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în 2005, puterea totală instalată pe planeta panourilor fotovoltaice, depășea 1.000.000.000W=1GW.

Fig. 2.12. Primele panouri solare, montate pe Vanguard I

Eficiența celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:

Intensitatea radiației solare incidente pe suprafața celulei;

Eficiența procesului de conversie a energiei radiației solare în energie electrică.

În prezent, construcțiile de celule fotovoltaice au eficiențe în jurul valorii de 15%, ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută. Din acest motiv, panourile fotovoltaice sunt amplasate preponderent în zone caracterizate prin radiație solară intensă. Cu toate acestea, țări ca Germania sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă a acestei tehnologii, cu toate că nu sunt favorizate din punct de vedere al intensității radiației solare.

Caracteristicile celulei fotovoltaice

Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca și în cazul bateriilor:

Tensiunea;

Intensitatea curentului electric;

Puterea electrică.

Tensiunea de mers în gol UOC (auch VOC)

Curentul de scurtcircuit ISC

Tensiunea în punctul optim de funcționare UMPP (auch VMPP)

Curentul în punctual de putere mazimă IMPP

Puterea maximă estimate PMPP

Factor de umplere

Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei

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

Tensiunea utilă a celulelor fotovoltaice, ca și intensitatea curentului electric asigurat, depend semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricație, ca și de dimensiunile acestor celule. În figura 2.13 este reprezentată variația tensiunii și a intensității curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică realizată din siliciu și având dimensiunile de 10x10cm.

Fig. 2.13. Tensiunea și intensitatea curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică din Si, la diferite intensități ale radiației solare

Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaice rtealizate din acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurată, depinde foarte puțin de intensitatea radiației solare, dar valoarea intensității curentului electric, depinde sensibil de acest parametru, prezentând o variație între 0,4A în cazul unei radiații solare de 200W/m2 și 2,2A în cazul unei radiații solare de 1000W/m2.

Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U și

intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent continuu.

Considerând că tensiunea este de U=0,5V și intensitatea curentului electric este I=2A, se poate calcula puterea asigurată de o celulă din Si de 100cm2: P=0,5·2=1W. Această valoare redusă a puterii, arată că este evidentă necesitatea de a lega mai multe celule fotovoltaice în serie, pentru a se obține panouri fotovoltaice capabile să asigure o putere electrică semnificativă. Din acest motiv și dimensiunile panourilor sunt semnificative. Considerând un panou realizat din 10×10 celule fotovoltaice de tipul celor prezentate anterior, dimensiunile acestuia vor fi 100x100cm=1m2, iar acest panou va putea să asigure o putere de 10×10=100W.

Pornind de la curbele de variație a intensității curentului electric, cu intensitatea radiației solare, reprezentate în figura 2.10, și calculând valoarea puterii ca produs dintre tensiune și intensitate, se pot trasa curbe de variație a puterii furnizate de celulele fotovoltaice, de tipul celei din figura 2.14.

Fig. 2.14. Curba de variația puterii electrice a celulelor fotovoltaice

Analizând această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obține în punctul în care intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începe să scadă. Acel punct de pe curba de variație a intensității curentului electric, este numit punct de putere maximă PPM, iar puterea maximă corespunzătoare, poartă denumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM. Se observă că și în condițiile în care s-a considerat că intensitatea curentului electric este de 3A, ceea ce corespunde unei intensități foarte mari a radiației solare și unei construcții foarte performante a celulei fotovoltaice, puterea maximă pe care o poate atinge celula fotovoltaică este de cca. 1,35W, ceea ce sugerează din nou necesitatea legării în serie a mai multor celule în vederea obținerii unor panouri fotovoltaice, ca cel din figura 2.15, asemenea panouri fiind capabile să asigure puteri de cca. 10…285W.

Fig. 2.15. Panou fotovoltaic

Trebuie menționat și faptul că performanțele panourilor fotovoltaice sunt dependente de

temperatură. Astfel cu cât crește temperatura, cu atât scade și eficiența panourilor fotovoltaice de a converti energia radiației solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o

reducere a eficienței panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creștere a temperaturii. De regulă performanțele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie electric este realizată în spațiul cosmic, unde temperatura este apropiată de 0K.

Celulele solare deci pot ceda o putere de 160 W/ m². Incluse în module puterea pe suprafață va fi mai scăzută pentru că între celule și marginea modulului este o distanță.

Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou și putere conținută în lumina incidentă totală. Semiconductoare cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins în acest caz este de 33 %, pe când randamentul teoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reacționează la toate lungimile de undă a luminii solare este de 85 %.

Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 22 %, iar modulele construite cu acestea ating un randament de cca 18 %. Recordul pentru celulele fabricate în condiții de laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-au confecționat panouri cu un randament de 23 %. Prețul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonală este de cca 180 Euro pe celulă la o suprafață a celulei de 21,6 cm2, corespunzând unui cost de 4-8 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri de 5 până la 10 ori mai mari. Îmbătrânirea conduce la scăderea randamentului cu cca 10 % în 25 ani. Fabricanții dau garanții pe cel puțin 80 % din puterea maximă timp de 20 ani.

În spațiu constanta solară este mai mare decât iluminarea globală pe pămant, totodată celulele solare îmbătrânesc mai repede. Panourile pentru sateliți ating momentan (2017) un randament de 29 % la o durată de viață de 15 ani

Tipuri de celule fotovoltaice

Celule fotovoltaice cu siliciu ca si material semiconductor

În funcție de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat la fabricarea acestora (de regulă siliciul, așa cum s-a arătat anterior), se disting trei tipuri de celule fotovoltaice:

– monocristaline;

– policristaline;

– amorfe.

Monocristalele se obțin sub formă de baghetă sau vergea, prin turnarea siliciului pur. Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subțiri care se utilizează la fabricația celulelor fotovoltaice. Acest proces tehnologic asigură cel mai ridicat nivel de eficiență a conversiei fotoelectrice. Celulele rezultă din așa numitele Wafer (plăci de siliciu dintr-un cristal). Aceste cristale reprezintă materia de bază pentru industria de semiconductori și sunt destul de scumpe.

Policristalele se obțin în urma unui proces de producție mai puțin ieftin, constând din turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt tăiate în plăci subțiri. În procesul de solidificare, se formează cristale de diferite dimensiuni și forme, iar la marginea acestor cristale apar și unele defecte de structură. Celulele sunt din plăci care conțin zone cu cristale cu orientări diferite. Acestea pot fi fabricate de exemplu prin procedeul de turnare, sunt mai ieftine și ca atare cele mai răspândite în producția de dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se numesc și celule solare policristaline. Ca urmare a acestor defecte, celulele fotovoltaice fabricate prin această metodă sunt mai puțin eficiente.

Structura amorfă se obține prin depunerea unui film extrem de subțire de siliciu amorf(fara cristalizare) 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 de1μm. Pentru comparație grosimea unui fir de păr uman este de 50…100μm. Se pot produce de exemplu prin procedeul de condensare de vapori de siliciu și sunt foarte ieftine, dar au un randament scăzut în spectru de lumină solară, totuși au avantaje la lumină slabă. Costurile de fabricație ale silicului amorf sunt foarte reduse, datortă 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.

Microcristaline Acestea sunt celule cu strat subțire cu structură microcristalină. Au un randament mai bun decât celulele amorfe și nu au un strat atât de gros ca cele policristaline. Se utilizează parțial la fabricarea de panouri fotovoltaice, dar nu sunt atât de răspândite.

În tabelul alăturat sunt prezentate performanțele celor cinci tipuri de ellule fotovoltaice din

punct de vedere al conversiei energiei radiației solare în energie electrică.

Performanțele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice:

Mai jos sunt prezentate câteva dintre fenomenele care limitează creșterea eficienței

celulelor fotovoltaice:

O parte semnificativă din fotonii care alcătuiesc radiația solară, au un nivel energetic

insuficient pentru a determina trecerea electronilor de pe stratul de valență pe cel de conducție;

Energia fotonilor cu nivel energetic prea scăzut, se transformă în căldură și nu în energie

electrică;

Apar pierderi optice datorate reflexiei dadiației solare, pe suprafața celulelor fotovoltaice;

Apar pierderi datorate rezistenței electrice a materialului semiconductor sau cablurilor

electrice de legătură;

Defectele de structură a materialelor din care este realizată celula fotovoltaică înrăutățesc

performanțele acestora.

În figura 2.16 sunt prezentate eficiențele maxime teoretice, ale conversiei fotovoltaice care pot fi atinse în condiții optime, pentru diferite tipuri de materiale semiconductoare, împreună cu valoarea “barierei energetice” adică diferența dintre nivelul energetic al benzii de conducție și al benzii de valență.

Fig. 2.13. Eficiența teoretică și nivelul “barierei energetice”, pentru diferite materiale semiconductoare

Se observă că in cazul Si monocristalin, valoarea efcienței teoretice este de cca. 27%, dar valorile acestui parametru sunt situate pentru toate materialele sub 30%.

La ora actuală, toți producătorii de celule fotovoltaice caută soluții pentru îmbunățățirea performanțelor celulelor fotovoltaice și pentru reducerea costurilor de fabricație a acestora, respectiv a panourilor care le conțin. O solutie ar fi Realizarea de suprafețe cu pierderi prin relfexie minime. Astfel de celule fotovoltaice au suprafața realizată într-o structură piramidală, pentru ca lumina incidentă să lovească de mai multe ori suprafața celulei.

Celule fotovoltaice care folosesc alte materiale semiconductoare

Pe langa siliciu, constructia celulelor fotovoltaice se mai poate baza si pe alte material semiconductoare. Dintre acestea amintim utilizarea unor materiale noi, cum sunt: Galiu-Arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu (Cd-Te) sau Cupru-Indiu-Seleniu (CuInSe2).

Realizarea unor celule fotovoltaice tandem, construite din materiale semiconductoare diferite așezate unul deasupra celuilalt, cu scopul de a capta energia luminoasă într-un domeniu de lungimi de undă cât mai larg.

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

Soarelui pe cer.

Producerea câmpului electric intern prin realizarea unei joncțiuni între un strat subțire de oxid și un semiconductor, această soluție fiind mai eficientă decât joncțiunea p-n.

Utilizarea celulelor Grätzel, care sunt celule fotovoltaice cu lichid electrochimic și utilizează dioxid de titan ca electrolit și o vopsea specială, pentru a îmbunătăți procesul de absorbție a luminii.

Celule solare cu strat subțire

Celule solare cu strat subțire din siliciu amorf pe sticlă, 4 celule pe rând

Fig. 2.17 Vedere din spate (din partea stratului, lăcuit maro)

Celulele solare cu strat subțire se găsesc în diferite variante după substrat și materialul condensat având o varietate a proprietăților fizice și a randamentului pe măsură. Celulele solare cu strat subțire se deosebesc de celulele tradiționale (celule solare cristaline bazate pe plăci de siliciu) înainte de toate în tehnologia de fabricație și grosimea stratului materialului întrebuințat. Proprietățile fizice ale siliciului amorf, care se deosebesc de cele ale siliciului cristalin determină proprietățile celulelor solare. Anumite proprietăți nu sunt încă pe deplin clarificate din punct de vedere teoretic.

Chiar și la celulele solare cristaline lumina este absorbită deja într-un strat superficial (de o adâncime de cca 10 µm). Ar fi deci de preferat să se fabrice celulele solare cu un strat foarte subțire. În comparație cu celulele din plăci de siliciu cristalin celule cu strat subțire sunt de 100 de ori mai subțiri. Celulele cu strat subțire se obțin de cele mai multe ori prin condensarea din fază gazoasă direct pe un material purtător care poate fi sticlă, folie metalică, material sintetic, sau alt material. Procesul costisitor de debitare a blocurilor de siliciu descris în capitolul anterior poate fi deci eliminat.
Cel mai întrebuințat material pentru celulele cu strat foarte subțire este siliciul amorf (a-Si:H). Modulele cu celule de acest tip au o durată de viață lungă. Testele confirmă un randament stabil pe o perioadă de mai mult de 10 ani.

Alte materiale ce se mai pot întrebuința sunt siliciul microcristalin (µc-Si:H), arseniura de galiu (GaAs), teluriura de cadmiu (CdTe) sau legături cupru-indiu-(galiu)-sulf-seleniu, așa numitele celule CIS, respective celule CIGS unde în funcție de tip S poate însemna sulf sau seleniu.
Modulele pe bază de celule cu strat subțire CIS au atins deja un randament de 12-13  % ) egal cu cel al modulelor multicristaline cu siliciu.

Pentru producerea de curent electric este de dorit un randament mai mare, pe care parțial îl pot oferi și celulele cu strat subțire. Se pot atinge randamente în jur de 20 %

Totuși randamentul nu este singurul criteriu în alegere, de multe ori mai importante sunt costurile la care se poate produce curent cu ajutorul panourilor solare, iar acestea sunt determinate de procedeul de fabricație utilizat și de prețul materiei prime.

Una din proprietățile avantajoase a celulelor cu strat subțire constă în fapul că nu necesită un substrat rigid ca de exemplu sticlă sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce pot fi fixate pe rucsac sau cusute pe haină, se acceptă un randament mai scăzut deoarece factorul greutate este mai important decât transformarea optimă a luminii în energie electrică.

O altă proprietate avantajoasă a celulelor cu strat subțire, mai ales al celor din siliciu amorf este că ele au un mod de fabricație mai simplu și pot avea o suprafață efectivă mai mare. Din acest motiv ele au un segment de piață semnificativ.

Utilajele de fabricație parțial sunt identice cu cele utilizate în fabricarea de ecrane plate, și se pot obține straturi cu o suprafață de peste 5 m². Cu procedeul de fabricație bazat pe siliciu amorf se pot produce și straturi subțiri din siliciu cristalin, așa numitul siliciu microcristalin combinînd proprietățile siliciului cristalin ca material pentru celule solare cu avantajele metodelor utilizate în tehnica filmului subțire. Prin combinarea siliciului amorf și a celui microcristalin au fost obținute măriri substanțiale de randament în ultimul timp.

Un procedeu de producere a celulelor cu strat subțire din siliciu este CSG (Crystalline Silicon on Glass); prin acesta se depune un strat subțire de mai puțin de 2 µm direct pe o suprafață de sticlă; după un tratament termic se obține structura cristalină. Circuitele pentru curentul electric se aplică cu ajutorul tehnicii laser și celei utilizate în imprimantele cu jet de cerneală.

Celule cu concentrator

La acest tip de celulă se economisește suprafață de material semiconductor prin faptul că lumina este concentrată pe o suprafață mai mică prin utilizarea lentilelor, acestea fiind mult mai ieftine decât materialul semiconductor. În mare parte la acest tip de celule se utilizează semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V de multe ori aplicate în tandem sau pe trei straturi. Din cauza utilizării lentilelor, panourile cu acest tip de celule trebuie orientate incontinuu perpendicular pe direcția razelor solare.

Celule solare electrochimice pe bază de pigmenți

Acest tip ce cellule se mai numesc si celule Grätzel. Spre deosebire de celulele prezentate pînă acum la celule Grätzel curentul se obține prin absorbție de lumină cu ajutorul unui pigment, utilizându-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenți se utilizează în principiu legături complexe al metalului rar ruthenium, dar în scop demonstrativ se pot utiliza și pigmenți organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durată de viață foarte redusă). Modul de funcționare al acestui tip de celule nu este încă pe deplin clarificat; este foarte probabilă utilizarea comercială, dar tehnologia de producție nu este pusă la punct.

Celule solare din compuși organici

Celule solare din compuși organici utilizează legături carbon-hidrogen care au proprietăți semiconductoare. În acești semiconductori lumina excită goluri/electroni din legăturile de valență, care însă au un spectru de lungime de undă destul de restrâns. De aceea deseori se utilizează două materiale semiconductoare cu nivele de energie puțin diferite pentru a împiedica dispariția acestor purtători. Randamentul pe o suprafață de 1cm² se cifrează la maximal 6 % (situația la nivel de ianuarie 2013).

Celule bazate pe fluorescență

Este vorba de celule solare, care mai întâi produc lumină de lungime de undă mai mare prin fenomenul de fluorescență, ca mai apoi să o transforme la marginile plăcii.

Factorii de care depinde eficienta celulei solare.

O celula fotovoltaica transforma doar o parte din energia radianta în energie electrica, restul se pierde ca urmare a unei serii de procese ce se petrec în timpul conversiei:

– procese care intervin cand energia este sub forma de radiatie (pierderi de radiatie)

– procese care intervin dupa ce energia radianta a fost transferata semiconductorului

– pentru fiecare proces se poate defini cate o “eficienta partiala”

– eficienta celulei rezulta ca un produs al tuturor “eficientelor partiale”

– patrunderea luminii prin suprafata

– absorbtia incompleta

– generarea purtatorilor

– pierderi de curent datorate recombinarii

– pierderi de tensiune<O:P</O:P

– jumatate din energia absorbita de la soare se pierde sub forma de caldura

– aceasta pierdere face ca maximum de eficienta sa fie în jur de 23-25%.

MODULE FOTOVOLTAICE

Module fotovoltaice

Celulele fotovoltaice de constructie moderna produc energie electrica de putere care nu depaseste 1,5-2 W la tensiuni de 0,5-0,6V. Pentru a obtine tensiuni si puteri necesae consumatorului, celulele fotovoltaice se conecteaza in serie si/sau paralel. Cea mai mica instalatie fotoelectronica forata din celule fotovoltaice interconectate in serie si/sau in paralel, intercapsulate pentru a obtine o rezistenta mecanica mai mare si pentru a proteja celulele de actiunea mediului se numeste modul fotovoltaic. Un numar de module Potovoltaice asamblate mecanic ca o unitate mai mare si conectate electric poarta denumirea de Panou Fotovoltaice sau Camp de Module.

Constructia modulului fotovoltaic este in general dreptunghiulara. Suportul se confectioneaza din aluminiu anodizat si separat de structura laminata a celulelor cu captuseala, care nu permite patrunderea umezelii. Celulele fotovoltaice sunt protejate de actiunea conditiilor nefavorabile, care pot interveni pe parcursul exploatarii: ploaie, grindina, zapada, praf, etc., de un sistem care consta dintr-un strat de sticla si cel putin doua straturi din etilen vinil acetat EVA sau polivinil butirol.

Pentru a obtine tensiunea si puterea necesara consumatorului de energie electrica, modulele fotovoltaice pot fi conectate in serie in paralel sau in serie-paralel. La conectarea in serie a doua module fotovoltaice identice curentul debitata consumatorului ramane aceeasi si tensiunea creste de doua ori. La conectarea in paralel a doua module identice tensiunea generata ramane aceiasi iar curentul creste de doua ori in timp ce in cazul unui sistem cu modulele unite dar legate in serie intre ele se obtine o majorare de doua ori a tensiunii si de trei ori a curentului.

Recilarea modulelor fotovoltaice

Producătorii de obicei oferă garanții pe termen lung pentru performanța modulelor lor – în același timp, 80% din puterea nominală a modulului pentru 20 de la 25 de ani. Desigur, sfârșitul duratei de funcționare a unității nu este atins în acel punct; într-adevăr, se așteaptă ca modulul să rămână în uz pentru mult mai mult timp. Cu toate acestea, strategii și procese de reciclare a modulelor solare scoase din funcțiune trebuie să fie dezvoltate acum.

Celulele cristaline – sau cel puțin plachetele lor – pot fi de așteptat să fie utilizabile după durata de funcționare a modulele lor în situația în care, în general, numai partea din față și spate / pelicula din spate, materialul de acoperire, precum și conexiunile și liniile electrice sunt supuse intemperiilor. Pentru a reutiliza celule, laminatul trebuie să fie tratat termic și chimic pentru îndepărtare, lăsând în urmă celule goale. Acestea pot fi utilizate apoi fie din nou direct după curățare și măsurare corespunzătoare, sau suprafata lor poate fi eliminată mecanic sau prin decapare, practic lasand in urma o plachetă similară cu cea de la începutul producției de celule, care este gata de reprocesare. Panourile pot fi topite și reintegrate apoi în procesul de fabricație. Materialele de suprafață și materialele plastice pentru conexiuni sunt, în general, incinerate.

Modulele de peliculă subțire au materiale mai puțin active decât modulele de cristalin; substanțele principale sunt sticlă și material plastic. Siliciul amorf ar putea fi, astfel, ars direct și porțiunea din sticlă recuperată; legătura modulelor ar putea fi dizolvată în prealabil. Alte tehnologii de peliculă subțire, cum ar fi CdTe sau module ale CSI, care au unele porțiuni din metale grele (care sunt, totuși, legate chimic), vor avea nevoie, probabil, de un ciclu de funcționare închis, atent monitorizat.

SISTEME FOTOVOLTAICE

Structura unui sistem fotovoltaic

Celulele sau modulele fotovoltaice nu sunt unicele componente ale unui sistem fotovoltaic. Pentru asigurarea continua a consumatorului cu energie electrica, multe sisteme fotovoltaice contin acumulatoare de energie electrica. Modulul fotovoltaic prezinta un generator de current continuu, dar adesea consumatorul de energie este de current alternative.

Energia electrica fotovoltaic are un caracter variabil, alternanta zi/noapte, cer senin/cer acoperit provoaca variatia intr-o gama larga a fluxului de energie si a tensiunii generate de modulul fotovoltaice. Astfel apare necesitatea conditionarii fluxului de energie, folosind convertoare electronice care indeplinesc si functia de monitorizare a procesului de incarcare/descarcare a acumulatorului pentru transformarea curentui continuu in current alternative.

Pentru a evita supradimensionarea sistemului fotovoltaic adesea se foloseste o sursa auxiliara de energie. Fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiar reteaua electrica publica

Toate aceste componente trebuie as fie interconectate, dimensionate si specificate pentru a functiona intr-un system unic, numit sistem fotovoltaic.

Principalele componente sunt:

Modulul, panoul, camoul de module sau, altfel spus, generatorul fotovoltaic

Bateria de acumulatoare

Subsistemul pentru conditionarea energiei electrice, care include si elemente de masurare, monitorizare si protectie

Sursa auxiliara de energie

Clasificarea sistemelor fotovoltaice

Sistemele fotovoltaice se divizeaza in doua categorii principale

Conectate la retea

Sisteme autonome

Sistemele fotovoltaice conectate la retea pot fi divizate in:

Sisteme in care reteaua electrica publica are un rol de sursa auxiliara (grid back-up)

Sisteme in care excesul de energie este furnizat in retea (grid interactive PV sistem)

Central electrice PV (multi MW PV sistem) care furnizeaza toata energia produsa in retea.

Sisteme fotovoltaice autonome

Intreaga energie produsa fotovoltaic este preluata de consumator. Astfel consumatorul, care poate fi un aparat individual, o locuinta sau un grup de locuinte, este complet independent de reteaua publica de distributie electrica.

Exista multe configuratii posibile

Sisteme fotovoltaice fara stocare de energie electrica-Conectarea directa a consumatorului la GFV si iesire in c.c.

Sisteme fotovoltaice cu stocarea energiei (accumulator)

Sisteme hibride- Atunci cand autonomia alimentarii consumatorilor trebuie asigurata pe un interval lung de timp, capacitatea bateriei de acumulatori poate ajunge foarte mare. Daca, in plus, consumatorul este de putere mare, solutia de compromis economic o reprezinta folosirea unor surse de energie alternative u stocarea energiei (accumulator).

Aplicatii tipice ale sistemelor fotovoltaice

Din energiile regenerabile cea mai accesibila este energia solara. Oricune poate folosi aceasta energie gratuita. Deseori sistemele fotovoltaice sunt utilizate in combinative cu alte surse de energie (energia eoliana, hidraulica sau energia obtinuta din arderea combustililor fosili).

Panourile solare se bucura de o raspandire larga in special in cazul unor consumatori de energie izolati dintre care amintim:

– Sisteme de alimentare cu apa;

– Iluminat public;

– parcuri fotofoltaice;

– case de vacanta;

Principalele avantaje si dezavantaje

Avantaje:

Energia solara este disponibila in cantitati imense, este inepuizabila (cel putin pentru cateva miliarde de ani) si este ecologica. Mijloacele de captarea energiei solare nu sunt poluante si nu au efecte nocive asupra atmosferei, iar in conditiile in care degradarea Terrei atinge un nivel din ce in ce mai ridicat, aceasta problema incepe sa fie luata in seama de tot mai multi oameni. Si acest lucru se vede. In cazul producerii de energie electrica prin intermediul panourilor fotovoltaice, procentul energiei solare din totalul energiei produse pe glob a crescut de la 0,04% in 2004 la peste 0.3% si se estimeaza ca va depasi 0,4% pana la finalul lui 2017. In continuare este un procent minuscul, dar este de apreciat faptul ca omenirii a inceput sa ii pese. Iar pe masura ce tehnologia se va dezvolta, energia solara va fi utlizata din ce in ce mai mult.

Dezavantaje:

Raspandirea foarte limitata a utlizarii tehnologiei pentru captarea energiei solare are foarte multe cauze.

In primul rand, tehnologia de captarea a energiei solare este inca la inceput si costisitoare. Pretul producerii unui watt in prezent, prin intermediul celulelor fotovoltaice, este de 5-6 ori mai mare decat cel al producerii sale in termocentrale. De aceea investitia initiala intr-un sistem de producere a energiei prin captarea razelor solare este mare, chiar daca amortizarea se produce in timp, sistemele fiind in general foarte fiabile si putand functiona 20-25 de ani fara mari costuri de intretinere.

In plus, panourile solare au un randament foarte scazut daca raportam cantitatea de energie produsa la dimensiunea lor: pentru acoperirea necesitatilor unei locuinte fiind necesare panouri solare de cateva zeci de metri patrati. Dar si acest lucru se va schimba pe masura ce tehnologia evolueaza.

Cel mai mare dezavantaj este insa acela ca energia solara este dependenta de razele soarelui, cu alte cuvinte de cantitatea de radiatii solare care ajung pe Pamant. Iar aceasta este variabila, in functie de ora, de perioada a anului, de conditiile atmosferice, etc. Si nu in ultimul rand, randamentul sistemelor solare depinde in mare masura de unghiul sub care cade raza de soare pe panoul solar, asadar de pozitia pe glob.7 Energia solara este cu siguranta o alternativa, la fel ca si energia eoliana sau marina. Pentru ca in conditiile actuale, necesarul energetic al Terrei are nevoie de existenta centralelor pe baza de carbune sau nucleare. Dar in viitor, acest fapt se va schimba cu singuranta.

PROIECTAREA SI OPTIMIZAREA SISTEMULUI FOTOVOLTAIC

Cerinte proiect

Se doreste asigurarea autonomiei din punct de vedere electric 24/24h pentru sistemul de

de alimentare cu energie electrica a unei case de vacanta.Sistemul fotovoltaic se va concepe astfel incat totalul de energie consumata sa fie acoperita de un sistem de panouri fotovoltaice.Se doreste optimizarea sistemului fotovoltaic.

Date de intrare

Sistemul se va proiecta astfel incat sa acopere energia electrica pentru urmatorii

consumatori :

Din tabelul de mai sus rezulta totalul de energie de care are nevoie consumatorul casnic. Astfel puterea totala lunara este de 77,88 KWh iar puterea medie zilnica este de 2,6 kW.

Observatii :

*1 s-a calculat avand in vedere ca functionaza timp de 30 de zile pe luna ;

*2 s-a calculat avand in vedere ca este folosita 4 de zile pe luna ;

*3 s-a calculat avand in vedere ca este folosit 20 zile pe luna ;

*4 s-a calculat avand in vedere ca este folosit 12 zile pe luna ;

*5 s-a calculat avand in vedere ca este folosit 15 zile pe luna

Date climatice

Pentru a putea calcula necesarul și consumului de energie. Avem nevoie de date climatice ale zonei unde este amplasat sistemul fotovoltaic.

Pentru a afla energia solară disponibilă în zona orașului Pitesti, Judetul Arges se folosește aplicația online de pe site-ul http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/.

Fig. 3.1 Sistem geographic de informare PV zona Pitesti, Jud. Arges, Romania

Radierea Solara Lunara

Estimarile medii lunare Sistem Geografic de informare PV zona Pitesti, Jud. Arges, Romania( SGIPV – Photovoltaic Geographical Information Systems) pe termen lung:

Localizare: Pitesti, jud. Arges, Romania: 44°51’19” Nord ,24° 52’9” Est, elevatie 203m a.s.l.;

Baza de date ale radiatiei solare utilizate: PVGIS classic;

Unghi optim de incilnare : 35 grade;

Deficitul de radiere annual cauzat de umbrire (orizontal) 0,1%.

Estimarile radierii solare lunare in zona Pitesti sunt prezentate in tabelul de mai jos *6:

*6 Sursa datelor : http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Unde :

Hh : radierea pe plan orizontal [Wh/m2/zi] ;

Hopt : radierea pe plan incinat [Wh/m2/zi] ;

Hh : radierea pe plan la unghi 90 grade [Wh/m2/zi] ;

Iopt : inclinatia optima[grade] ;

T24h : media pe zi a temperaturii [°C] ;

Ngz : numarul de grade – zile incalzire

In figurile de mai jos sunt reprezentarile grafice ala radierii solare lunare in zona Pitesti :

Fig. 3.2 Iradiatia orizontala, unghiul optim de irariere, iradiatia la 90 de grade

si iradiatia normal directa in functie de luna

Fig. 3.3 Unghiul optim de inclinare al panourilor in functie de luna

Fig. 3.4 Turbiditatea in functie de luna

Fig. 3.5 Raportul iradiatie globala si iradiatia difuza in functie de luna

Fig. 3.7 Numarul de grade-zile Ngz functie de luna

Fig. 3.8 Temperatura medie in functie de luna

Perfomantele retelei fotovoltaice

Cu ajutorul sistemului Geografic de Informare Fotovolataica (PVGIS) estimam performata retelei fotovoltaice proiectate :

Date de intrare :

Locatia : Pitesti, Arges, Romania, 44°51’19” Nord ,24° 52’9” Est, elevatie 203m a.s.l.;

Baza de date ale radiatiei solare utilizate: PVGIS classic;

Puterea nominala pentru sistemul PV 2,6kW (policristalin) ;

Pierderile estimate din cauza temperaturii : 14,8% (folosind temperatura ambianta locala) ;

Pierderile estimate din cauza efectelor de reflexie unghiulara : 3,0% ;

Alte pierderi (cablu, inverter, etc) : 14% ;

Pierderile totale ale sistemului fotovoltaic : 28,9%

Performanta unui sistem fix orientat la un unghi optim de 33 grade este data in tabelul de mai jos :

Unde :

Ed reprezinta productia medie zilnica de energie electrica din sistemul respectiv ;

Em reprezinta productia medie lunara de energie electrica din sistemul respectiv ;

Hd reprezinta medie zilnica de iradiere la nivel mondial primita de sistemul fotovoltaic ;

Hd reprezinta media lunara de iradiere la nivel mondial primita de sistemul fotovoltaic.

Performanta unui sistem mobil in jurul axei verticale cu o inclinare de 1 grad este data in tabelul de mai jos :

Performanta unui sistem mobil inclinat la 36 de grade este data in tabelul de mai jos :

Fig. 3.9 Puterea estimate a sistemului PV in functie de inclinare

Fig. 3.10 Iradiatia estimata a sistemului PV la sistemele fixe

Fig. 3.11 Traseul soarelui in iunie si decembrie

Media zilnica orara a iradierii solare

Cu ajutorul sistemului Geografic de Informare Fotovolataica (PVGIS) estimam profilul mediu zilnic al retelei fotovoltaice proiectate :

Date de intrare :

Locatia : Pitesti, Arges, Romania, 44°51’19” Nord ,24° 52’9” Est, elevatie 203m a.s.l.;

Baza de date ale radiatiei solare utilizate: PVGIS classic;

Inclinare planului: 35 grade;

Orientarea (azimuth) planului: 0 grade

Parametrii studiati :

G – radiatia globala pe un plan fix[W/m2] ;

Gd – radiatia difuza ape un plan fix[W/m2] ;

Gc – radiatia globala, cer senin, pe un plan fix[W/m2] ;

A – radiatia globala pe un plan cu doua axe[W/m2] ;

Ad – radiatia difuza ape un plan cu doua axe [W/m2] ;

Ac – radiatia globala, cer senin, pe un plan cu doua axe [W/m2] ;

DNI- radiatia normala directa [W/m2] ;

DNIc – radiatia normala directa, cer senin [W/m2] ;

Fig. 3.12 Radiatia zilnica pe un plan fix

Fig. 3.13 Radiatia zilnica directa normala

Fig. 3.14 Radiatia zilnica pe un plan cu doua axe

Fig. 3.15 Variatiile temperaturii ambientale

Fig. 3.16 Traseul soarelui in lunile aprilie, iunie si decembrie

Alegerea panourilor fotovoltaice

Se utilizează panouri solare din siliciu cristalin tip AS-6P 285W, produse de firma Amerisolar.

La alegerea tipului de panoului solar sau avut in vedere următoarele:

– aceste panouri produc mai multă energie decât panourile de siliciu amorf, dar sunt si mai costisitoare;

– sunt cele mei puternice panouri solare, producând energie electrica conform puterii nominale a acestora;

– locația nu dispune de o suprafață in care să se adune multe panouri solare;

– producătorul oferă o garanție de 80% din putere după 30 de ani de funcționare.

EPV (Energia necesara furnizata de panourile fotovoltaice) este :

EPV=

unde :

EPV =Energia necesara furnizata de panourile fotovoltaice ;

EZ =Energia zilnica medie necesara =77,88kWh/30zile=2,59kWh ;

=0,9

EPV=Nr. Panouri x PP x TSM

Unde :

EPV =Energia necesara furnizata de panourile fotovoltaice=675Wh

Nr. Panouri= numarul panurilor necesar acoperii energiei necesare

PP= Puterea panoului fotovoltaic=265W (Panou Fotovoltaic Amerisolar Policristalin 265W)

TSM=timp soare maxim ; pentru Romania valoarea medie este de 3h

=> 3,640kWh=Nr. Panouri x 265Wh x 3

=> Nr. Panouri=

Se vor alege 6 panouri fotovoltaice tip AS-6P 265W.

Caracteristicile electrice ale panourilor solare Amerisolar AS-6P 265W:

Caracteristicile coeficientilor de temperatura ai panourilor solare Amerisolar AS-6P 265W :

Caracteristicile limitelor maxime absolute ale panourilor solare Amerisolar AS-6P 265W :

Caracteristicile mecanice ale panourilor solare Amerisolar AS-6P 265W :

Dimensiuni de baza ale panourilor solare Amerisolar AS-6P 265W:

Alegerea acumulatorilor pentru stocarea energiei

Principala caracteristică de alegere a acumulatorului este tensiunea acestuia dar de asemenea este importantă și capacitatea lui. Dimensionarea bateriei trebuie să țină cont de durata în care panourile solare nu furnizează energie în timp ce circuitele de utilizare consumă.

Acumulatorul trebuie să aibă o capacitate suficienta de a stoca energia furnizată de panouri pentru perioadele de reîncărcare între două cicluri.

Ebat=Capbat x Vbat= EPV =3640Wh

Vbat =12Vcc

=> Capbat===303,33Ah

În funcție de energia furnizata de panourile fotovoltaice și de independenta
energetică de 1 zi fără producere de energie de la panou în care se dorește funcționarea la minimul necesar se aleg baterii de stocare de tipul BAT412800080 90Ah produs de firma Victron Energy. Se vor folosi 4 acumulatorilor conectați în combinație serie-paralel (trebuiesc 2 baterii conectate in serie pentru a asigura valoarea curentului necesar alimentării).

Caracteristici tehnice BAT412800080 90Ah:

S-au ales acest tip de acumulatori din următoarele considerente:

reprezintă o gamă fiabilă pentru aplicații în condiții dure iar aplicațiile tipice includ arii

de folosire diversificată;

sunt conceputi pentru a suporta maxim 1200 de cicluri cu descărcare 100%;

pot ajunge sa suporte 4500 de cicluri pentru o descărcare de numai 30%.

Alegere regulator încărcare baterie

Regulatoarele de încărcare sunt dispozitive de control indispensabile în sistemele de energie alternativă, având rolul de a proteja acumulatorii conectați la sursa de energie alternativă.

Pentru alegerea regulatorului de încărcare, este necesar ca acesta să poată controla curentul maxim la ieșirea din panouri.

Curentul maxim pentru sistemul de panouri este dat de relatia:

Imax=Iscx nr. de panouri in paralel

Imax=8,44×6=50,64A

În funcție de curentul maxim de la ieșirea sistemului de panourilor fotovoltaice
și de raportul calitate-preț, se alege un regulator de încărcare MPPT 150/70 produs de firma Victron Energy , prezentat în figura de mai jos, complet programabil care se pretează pentru aceasta aplicație.

Fig. 4.9. Regulator de încărcare solar MPPT 150/70, Victron Energy

Principale caracteristici Regulator de încărcare solar MPPT 150/70, Victron Energy :

– PWM bazate pe algoritm de încărcarea baterilor serie;  Boost, undă de încărcare;

– egalizare încărcare;

– control SOC al bateriei;

– sarcină de reactivare automată;

– temperatură de compensare;

– modificarea domeniului parametrilor prin jumper-ii de pe PCB;

– interfață RJ45.

Date tehnice Regulator de încărcare solar MPPT 150/70, Victron Energy:

Alegere inverter

Pentru invertor se adoptă o soluție cu un prețul de cost acceptabil pentru această instalație. Se alege invertorul Phoenix Inverter 24/5000 produs de firma Victron Energy, prezentat in figura alaturata.

Caracteristici tehnice invertor Phoenix Inverter 24/5000:

Arhitectura sistemului fotovoltaic

Bugetarea instalației fotovoltaice

În tabelul de mai jos este prezentat prețul fiecărei componente a sistemului

fotovoltaic, respectiv prețul total al acestuia exprimat in Euro. Aceasta cotatie de pret este valabila in primul trimestru al anului 2017.

OPTIMIZAREA SISTEMULUI FOTOVOLTAIC

Pentru optimizarea sistemului fotovoltaic se alege un sistem de orientare a panourilor fotovoltaice, iar pentru diferite unghiuri de inclinare se determină producția medie zilnică de energie electrică pentru sistemul respectiv și se alege soluția optimă de înclinare orizontală a modulelor.

Alegere sistem de orientare

Se alege sistemul de urmărire activă ETA 1500 Lorentz., Firma Lorentzwas cu sediul în Hamburg este fondată din 1993 și este astfel, unul dintre pionierii industriei solare. Lorentz proiectează și produce sisteme de orientare solare, pompe de apă și diverse componente electronice și hidraulice.

Sistemele de orientare activa ETA Lorentz sunt disponibile în versiuni diferite cu o suprafață totală a modulelor de până la 15m². Sistemele de orientare sunt fără întreținere și datorită fiabilității ridicate au o durata de viața lungă. Datorită consumului redus de energie de cca. 1.25 kWh/an și puterii suplimentare de maxim 40% (în comparație cu modulele cu instalare fixă), aceste sisteme sunt foarte rentabile.

Sistemele sunt controlate central și astronomic, minimizând astfel mișcările inutile de urmărire. Sistem de orientare activa ETA Lorentz sunt proiectate pentru a rezista la viteze ale vântului de pana la 150 km/h .

In figura de mai jos este prezentat un sistem de orietare activa ETA 1500 Lorentz

Fig. 4.1. Sistemul de orientare activă ETA 1500 Lorentz

Caracteristici tehnice sistem de urmărire

Aplicații: Sistemul de urmărire solară cu o singură axă, ETA 1500 Lorentz
este folosit pentru panourile solare în conformitate cu IEC 61215, UL 1703. Acestea
produc o putere suplimentară de până la 40% în comparație cu modulele cu instalare
fixă.

Funcția de urmărire automată în direcția Est – Vest cu un unghi de pivotare posibil de 90°. Unghiul de elevație poate fi reglat manual între 0°-45°în funcție de locația geografică. Energia de 12 V poate fi furnizată de către un mini-modul suplimentar.Pe timpul noptii, sistemele de urmărire adoptă întotdeauna o poziție orizontală pentru a minimiza suprafață expusă la vânt.

Caracteristicile sistemului de urmărire

sistem de orientare cu o singură axa, unghiul axei a doua reglabil manual între 0°-45°

suprafața modulelor 3,4m-4,8m (cca 15m2), 2.5 kWp;

altitudine Est – Vest: 90°;

nu contine senzori de lumină predispuși la eșec;

cadru structurii: otel zincat prin imersie la cald; cu cleme din oțel inoxidabil;

aprovizionarea cu energie a sistemului de urmărire: 12 V (tensiune nominală) la 80 V,

furnizate de către unul dintre module, control de urmărire de către unul dintre module. Pentru operarea în siguranță în design-ul specific al sistemului s-ar putea sa fie necesară, instalarea unui mic panou suplimentar;

consum redus de energie, 1,25kWh/an;

urmărire în etape, în funcție de durata de iluminare zilnică (durata zilei);

fără mișcări inutile de urmărire;

poziționare către Sud pe timp de noapte;

preț de cost eficient al sistemului de urmărire.

durată de viață și fiabilitate ridicată;

costuri de întreținere minime;

potrivite pentru viteze mari ale vântului: staticii în conformitate cu standardele europene.

Modul de fixare al sistemului de urmarire

Având în vedere că modulul este fixat cu ajutorul clemelor mobile din oțel inoxidabil, un mare număr de tipuri de module pot fi folosite fără găuri suplimentare în cadrul modulului.

Comanda sistemului de orientare este realizată de o unitate cu motor liniar de curent continuu, pentru urmărirea Est – Vest, cu costuri de întreținere minime.

În pachetul de livrare sunt incluse următoarele al sistemului de urmarire sunt incluse urmatoarele elemente:

– cadru și elemente de fixare din oțel zincat;

– cleme din oțel inoxidabil pentru fixarea modulului;

– parte electronică inclusă, baterie în carcasa din plastic;

– motor liniar de curent continuu;

– stâlp de montare.

Fig. 4.2. Schema sistemului de orientare

Soluția de optimizare aleasă

În urma recalculării mediei anuale a producției medii zilnice de energie
electrică pentru același sistem de panouri dar cu sistem de urmărire, prin intermediul
aplicației online de pe site-ul http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/, pentru diferite unghiuri
de înclinare orizontală (azimut) a sistemului de urmărire, au rezultat următoarele valori ale producției mediei anuale pentru sistemul de panouri.

Rezultate obtinute pentru diferite unghiuri de inclinare:

Unde:

unghiul de inclinare a sistemului de urmarire;

media anuala a productiei medii zilnice de energie electrica pentru sistemul respectiv [kWh];

productia medie lunara finala a sistemului de panouri[kWh/luna].

Ca si solutie optima s-a ales o inclinare pe orizontala a sistemului de 40°, pentru care

productia de energie a sistemului fotovoltaic cu sistem de urmarire este maxima. Se obtine astefel o putere suplimentara mai mare cu 23% fata de varianta fara sistem de orientare(conform tabelului de mai jos):

Bugetarea sistemului de urmarire pentru instalația fotovoltaica

CONCLUZII

Datorita progreselor tehnologice cererea de putere electrică este foarte mare în
societatea de astăzi si este în continuă creștere. Pentru a satisface aceste nevoi de energie
se folosesc generatoare de putere, care folosesc combustibili convenționali. Odată
cu folosirea combustibililor fosili apar problem de poluarea mediului înconjurător. Aceștia emit în
atmosferă gaze cu efect de seră, care conduc la încălzirea globală, având un impact
negativ asupra atmosferei și a organismelor vii, cu alte cuvinte dăunează grav
mediului.

O modalitate foarte bună de a rezolva problema poluării mediului este
folosirea energiei solare a celulelor fotovoltaicelor. Energia solară este o energie verde, curată, având
de partea ei sprijinul multor oameni. Singurul dezavantaj al conversiei fotovoltaice în
energie electrică este neîndeplinirea cerințelor de putere din punct de vedere fizic și
economic, care nu sunt suficiente pentru cerințele actuale.

Investitia initiala este marele dezavantaj al tuturor sistemelor energetice alternative, si astfel si a celor bazate pe panouri fotovoltaice. Insa aceasta se amortizeaza in timp, astfel incat pe mai multi ani, instalarea unui astfel de sistem este un lucru recomandat În prezent, în acest
domeniu există timp și banii investiți în cercetare și în dezvoltare, și va dura foarte
puțin până când energia solară va deveni o modalitate eficientă de furnizare a
energiei electrice.

In ciuda pretului si a dependentei de factorii externi, panourile solare sunt o solutie pentru viitor. Acest lucru este dovedit si de cresterea de aprope 50% inregistrata in numarul de astfel de sisteme folosite pe glob, in fiecare an din 2002 incoace. Procentul utilizarii energiei solare este in continuare minuscul, estimand ca va ajunge la 0,40% in 2010. Insa pe viitor, odata cu dezvoltarea tehnologiei si micsorarea costurilor initiale, panourile fotovoltaice vor deveni cu siguranta din ce in ce mai utilizate.

Din punct de vedere economic, prețul panourilor fotovoltaice nu
scade foarte mult, dar cantitatea de energie produsă de acestea este în continuă
creștere. Aceasta este o indicație pentru un viitor de succes în acest domeniu. Deși
există și alte surse alternative de energie regenerabilă, celulele fotovoltaice sunt cele
mai curate și mai ecologice. Astăzi se poate vedea poluarea mediului înconjurător,
iar obținerea, și posibilitatea de utilizare a celulelor fotovoltaice reprezintă un pas
inainte în recuperarea mediului.

În acest proiect s-au realizat următoarele:

– A fost întocmită o documentare privind producerea energiei electrice cu ajutorul celulelor fotovoltaice, respectiv conversia energiei fotovoltaice, modelarea unui panou fotovoltaic și modelarea unui convertor;

– S-a proiectat un sistem fotovoltaic pentru acoperirea necesității de energie
electrică a unei clădiri;

– S-a realizat calculul de dimensionare a sistemului fotovoltaic pentru
consumatorul casnic;

– S-a realizat optimizarea sistemului fotovoltaic prin folosirea unui sistem de orientare activă, obținându-se astfel o putere suplimentara cu 23 % mai mare decât varianta fără sistem de orientare;

BIBLIOGRAFIE

1. Boyle, G., Renewable Energy, Power for a Sustainable Future, Oxford, Oxford University Press,

2. Bratu, C., Sisteme descentralizate de producere a energiei, Curs 3, site:

http://retele.elth.ucv.ro/index.php?path=Bratu+Cristian%2FSisteme+descentralizate/

3. http://www.em.ucv.ro/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereSolaire/

solaire.htm

4. http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereSolaire/ Introduction/introduction.htm

5. Bălan, M., Particularitățile energiei solare, Note de curs, Curs 2, site

www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_1.pdf

6. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_opt/pvgis_solar_optimum_RO.png

9. http://www.tecnolia.ro/es/etatrack-active-1500-15m2-24kwp-with-pole/

uctionElectricite/1_cours.htm

10. Knopt, H., Analysis, Simulation, and Evaluation of Maximum Power Point Tracking (MPPT)

Methods for Solar Powered Vehicle, Master Thesis, Portland State University,

11. http://www.vlab.pub.ro/research/DCnet/CONSORTIUM/Sinteza.pdf

12. Castaner, L., Silvestre, S., Modelling Photovoltaic Systems Using Pspice,
John Wiley & Sons, LTd, 2002

13. Corneliu Marinescu, Marius Georgescu, Luminita Clotea – Surse regenerabile de energie : abordari

actuale, Brasov: Editura Universitatii 'Transilvania' din Brasov, 2009

14. Daniel Tudor Cotfas – Celule fotovoltaice , Brasov: Editura Universitatii 'Transilvania' din Brasov,

15. Dumitru Manea – TENDINTE moderne in reducerea consumului de energie. Surse

energetice regenerabile – Bucuresti: Institutul National de Informare si Documentare.

16. https://www.victronenergy.ro/

17. www.decsolar.ro

18. http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabil%C4%83

ANEXE