Producător de energie verde [302176]

[anonimizat]. Univ. Dumitru Dumitru

Absolvent: [anonimizat]. Stan Marius Alexandru

Târgoviște

2019

[anonimizat] ”Producător de energie verde” este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultete sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate.

Târgoviște, 2019

Absolvent: [anonimizat]. Stan Marius Alexandru

Introducere

Efectul fotovotaic a fost descoperit de Henri Becquerel în anul 1839, care a observat că prin iluminarea unei soluții chimice poate fi produs curent electric. Efectul este observat ulterior ăn legatura cu seleniul în anul 1877, însă celulele solare funționale au aparut abia în anii 1950, cand tehnologia a permis folosirea sa eficientă. Einstein în anul 1905 și Schottky în anul 1930 au formulat principiul conversiei fotovoltaice. [anonimizat], cu o eficiență de coversie a luminii în electricitate de doar 5%. Chapin, Pearson și Fuller în anul 1954 produc o [anonimizat]. Această celula converetea 6% din lumina incidentă în eletricitate. Celulele contemporane au o eficiență de conversie a luminii incidente în electricitate de aproximativ 18% la o fracțiune din prețul de fabricație de acum 30 de ani. [anonimizat] 25%.

Principalul material utilizat în fabricarea celulelor fotovoltaice este în continuare siliciul. Există o gamă largă de tehnologii de producție a celulelor solare din siliciu cum ar fi: amorfe, cristale, policristale sau sin alte materiale: cupru-[anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat]-ilor. [anonimizat], de la ceasuri și telecomenzi până la sisteme de telecomunicații sau centrale solare.

Pe la începutul anului 1990 au fost instalate zeci de mii de sisteme conectate la rețea. Teoretic, sistemele fotovoltaice pot asigura întregul necesar de energie pentru majoritatea țărilor. [anonimizat]. În data de 28 septembrie 2010, Universitatea Valahia din Targoviste a semnat contractul de finanțare al proiectului cu Autoritatea Națională pentru Cercetare Științifică. Proiectul a fost selectat spre finanțare în cadrul competiției POSCCE-A2-O2.2.1-2009-4, are o valoare totală de 57.971.600 LEI și se va derula pe o perioadă de 36 luni. Centrala Fotovoltaica de 34 kWp instalată în anul 2000 [anonimizat]. Alte exemple sunt sistemul fotovoltaic de 337 kWp instalat în anul 1984 [anonimizat], sau sistemul fotovoltaic de 1 MW, instalat în 1997 la târgul expozițional de la München, Germania alcatiut din 7812 module fotovoltaice. Acesta se desfășoară pe o suprafață de 38100 m² și care generează aproximativ 1 milion kwp de electricitate anual, acoperind echivalentul a 340 gospodării germane.

INSTITUTUL DE CERCETARE ȘTIINȚIFICĂ DIN CADRUL UNIVERSITĂȚII VALAHIA DIN TÂRGOVIȘTE

Principiul de funcționare al celulei fotovoltaice

Într-un semiconductor omogen iluminat de un fascicul luminos intensitatea luminii scade, de la o suprafață spre interior, conform legii lui Beer-Bouguer-Lambert.

Apariția unui câmp electric imprimat într-un semiconductor omogen, iluminat se numește efect fotovoltaic.

Interactiunea lumina-materie

Fenomenele de transmisie și atenuare care însoțesc propagarea fasciculului de lumină într-un mediu material sunt caracterizate cantitativde transmitanță și absorție.

În principiu, prin absorția luminii sunt produși purtatori de sarcină, a căror rată de generare scade excepționalcu distanța de la suprafață iluminată a materialului.

Modelul atomic Bohr

În modelul atomic Bohr, utilizat pentru explicarea efectului fotovoltaic, electronii se rotesc în jurul nucleilorpe o orbita si cu o anumita viteză. Acestei mișcari orbitale îi corespunde forța centrifugă.

În mișcarea lor în jurul nucleului atomic, care conține Z protoni încarcați pozitiv și neutroni neîncarcați electric, electronii sunt supuși acțiunii forței de atracție electrice Couloumb.

Echilibrul dintre forțele centrifugă și electrică menține electronii pe orbite pentru care, conform teoremei lui Plank, momentul unghiular este un multiplu întreg. Cuantificarea momentului orbital permite determinarea razelor orbitelor, a vitezelor unghiulare admisibile și energia pe care o are un electron de pe orbita.

Efectul fotoelectric

Pentru explicarea efectului fotovoltaic, un fenomen de tip interacțiune câmp-substanță, este convenabil să se considere că lumina este o colecție materială, imponderabila de fotini, respectiv de particule care posedă energie numite fotoni. Fotonii au suficienta energie pentru a dizloca, prin ciocnire, un electron de pe un nivel inferior pe un nivel superior.

Dacă un foton cu energia de 13,59 eV interacționează cu un electron de pe prima orbită, îl poate deplasa de pe aceasta pe orbita E infinit, separându-l de nucleu. Această cantitate de energie se numeste energie de izolare, iar extracția electronului reprezintă efectul fotoelectric extern.

Pentru izolarea atomului de hidrogen fotonul incident trebuie să aibă o lungime de undă corespunzătoare, ceea ce îl situează în domeniul radiației X.

Celulele fotovoltaice convertesc lumina din spectrul vizibil, de la ultraviolet la infraroșu, iar energiile fotonilor sunt mai mici decat energia razelor X. prin urmare, efectul fotoelectric extern nu este prezent, iar celulele fotovoltaice funcționează folosind efectul fotoelectric intern.

Stari energetice în atomi molecule și corpuri solide.

Electroni moleculelor cu mai multi atomi prezintă stari energetice diferite de cele ale electronilor atomilor cu un sigur electron. Interacțiunile între electronii moleculelor cu mai mulți atomi distribuie stările energetice pe niveluri energetice învecinate, mai înguste. Într-un corp solid cu k atomi aceste niveluri sunt atât de apropiate încât nu mai este posibilă separarea lor. În aceste împrejurări, nivelurile energetice devin benzi de energie. Benzile de energie pot accepta însă doar un numar finit de electroni.

În modelul benzilor de energie electronii populează benzile succesiv, una după alta, începând cu prima bandă, corespunzătoare nivelului energetic minim. Banda de nivel maximcomplet ocupată se numește bandă de valență. Următoarea bandă, care poate fi parțial ocupată sau poate fi complet goală, se numește bandă de conducție. Intervalul dintre banda de valență sși banda de conducție este alcătuit din niveluri de energie interzise și este numit bandă interzisă. Ecranul de energie, corespunzător benzii interzise este notat cu Eg.

Materialele solide se clasifică în conductori, semiconductori și izolanți în funție de dispunerea și gradul de ocupare a benzilor de energie.

Benzi de energie în conductoare, semiconductoare și izolante.

În corpurile conductoare electronii ocupă doar parțial BC, BC și BV se pot suprapune, iar electronii pot circula în solid, contribuind la conducția electronica. Macroscopic, materialele conductoare prezintă o rezistivitate electrică foarte mică, cele mai multe dintre ele fiind metalice.

Corpurile izolatoare au rezistivitate electrică foarte mare. În cazul lor banda de conducție este complet goalăși este necesarăo cantitate reletiv mare de energie pentru a ridica electronii din banda de valență în banda de conducție. Materialele semiconductoare sunt importante în costructia celulelor fotovoltaice.

Dacă energia unui foton incident care ciocneste un semiconductor este mai mica decât Eg, atunci electronul extras nu poate fi deplasat din banda de lavență in banda de conducție.dacă însă energia fotonului este mai mare decat Eg atunci electronul este deplasat din banda de valență în banda de conducție, cu o parte din aceasta energie. Surplusul de energie este pierdut deoarece electronul revine la limita inferioară a benzii de conducție.

Cele mai importante aplicatii ale efectului fotoelectric intern sunt celulele fotovoltaice și fotorezistențele.

Principiul de fincționare al celulei fotovoltaice

Materialele semiconductoare sunt elemente din grupa a IV-a a tabelului periodic de exemplu: Si, Ge, Sn. În construcția celulelor fotovoltaice se utilizează și compuși formați din câte două elemente, compușii III-V unul din gupa III și unul din grupa VI, copuși II-VI sau din diferite alte combinații care pot prezenta patru electroni de valență: GaAs(III-V), CdTe(II-Vi)

Cele mai multe celule fotovoltaicesunt fabricate din siliciu, acesta este materialul cel mai abundent din natură, dar nu se gasește în stare pură.

Structura cristalină a siliciului

Siliciul are în medie, patru electroni de valență. Pentru o configurație electronică stabilă este necesar ca doi electroni din atomi vecini în laticea cristalină să formeze o pereche legată covalent. Cei doi atomi folosesc împreună perechea de electroni. Legaturile covalente între patru atomi vecini dau siliciului o stabilitate electronică similară cu aceea a argonului. În modelul benzilor de energie banda de valență este complet ocupată, iar banda de conducție este goală. Furnizarea unei cantități suficiente de energie prin iluminare sau incalzire poate ridica electronii din banda de valență în banda de conducție, care devin astfel liberi să se circule în latrice. Un electron defect sau un gol ramâne în banda de valență. Formarea electronului defect sau a golului explică conducțăa intrinseacă în semiconductori.

Electronii și golurile sunt generați in perechi de aceea sunt tot atât de multe goluri și electroni, respectiv n=p. Produsul dintre densitățile de goluri și electroni este numit densitatea de purtatori de sarcină intriseci. Această marime depinde de temperatură, T și de ecartul de energie.

Dacă cristalului de Si i se aplică o tensiune ellectrică atunci electronii încarcați negativ migrează spre anod. Electronii aflați în vecinătatea unui gol pot să ajungă în golul creat de acest curent astfel încât golurile și electronii se mișcă, aparent, în direcții opuse.

Atomii din grupa a V-a prezintă cinci electroni de valentă. Dacă acești atomi sunt înglobați într-o latrice de siliciu, doar pentru electroni sunt legați covalent al cincilea electron rămâne liber, și cantitate mică de energie îl poate trece in bada de conducție.

Înglobarea unor atomi din grupa a V-a condtituie doparea de tip n, atomii impurității sunt donori. În semiconductorii dopați n purtatorii majoritari sunt electronii, deoarece aceștia au mult mai mulți electroni decât goluri. Densitatea electronilor de tip n este:

Înglobarea unor atomi din grupa a III-a cu trei atomi de valență, în latricea de Si crează un gol de valență astfel încât golurile sunt purtători majoritari. O cantitate mică de energie, poate elibera un gol care devinemobil. Acest proces este numit dopare de tip p, iar atomii de impurități se numesc acceptori. Densitatea de acceptori, densitatea stării efective și energia de izolare a aceptorilor dau densitatea de goluri pentru semiconductorul de tip p.

Prin interfațarea unui semiconductor de tip p cu unul de tip n se formează o joncțiunep-n. electronii sifuzează din regiunea n în regiunea p, iar golurile difuzează din regiunea p în n. la nivelul interfeței se formează o regiune de sarcină liberă: în regiunean, de unde electronii au difuzat în regiunea p , rămân atomi ionizați pozitiv, constituind o sarcină spațială pozitivă. În regiunea p de unde golurile au difuzat în regiunea n, rămân atomi ionizați negativ, constituind o sarcină spațială negativă. Între cele două regiuni de sarcini spatiale din vecinătatea interfeței apare un câmp electric, care acționează împotriva deplasării sarcinilor,. Tensiunea electrică asociată câmpuluielectric de barieră produs de sarcinile localizate la nivelul interfetei p-n este:

Sarcinile spațiale localizate la nivelul interfeței formează un sistem complet astfel incât între lungimile de difuziune există o relație, iar grosimea totală a regiunii spațială de la nivelul joncțiunii este:

Electronii deplasați din banda de valență în banda de conducție sunt atrași de câmpul electric de barieră în regiunea n. Același lucru se întâmplă și cu golurile generate care se deplasează in regiunea p.

Celula solară poate concerti doar o parte din energia fotonilor în curent electric. Fotonii cu energii mai micide Eg nu pot deplasa electroni din banda de valență în banda de conducție.

Pe de altă parte, celula reflectă o parte din lumina solară incidentă și transmite o altă parte din aceasta, iar electronii se pot recombina cu golurile. Toate aceste fenomene reduc eficiența globală a conversiei fotovoltaice.

Cantitatea de energie folosită în conversie depinde de lungimea de undă a fotonului incident și de celula solară care folosește o parte din energia fotonilor care au energia mai ridicată și lungime de undă mai ică.energia în exces este transferată cristalinului sub formă de caldură.

Sunt câteva mărimi importante pentru evaluarea performanței unei celule fotovoltaice și dimensionarea ei.

Eficiența cuantică de colectare externă, reprezintă probabilitatea ca un foton incident să genereze o pereche gol-electron.

Raspunsul spectral , este o masură a acelei parți de energie care este convertită în purtători de sarcină:

Curentul fotovoltaic, este curentul electric masurat în absența unui câmp electric extern atunci cand celula este scurtcircuitată. Pentru o celula cu suprafața de arie A cu raspunsul spectral S.

Iradianța absorbită de semiconductor,E, este o parte din iradianța incidentă, E0. Această marime depinde de grosimea semiconductorului, d și de coeficientul de absorbție al materialului.

Captarea și conversia directă a energiei solare în electricitate

Efectul fotovoltaic

Fenomenul generării unui curent electric într-un circuit, sub acțiunea luminii, prin efect fotovoltaic care a fost descoperit de fizicianul Becquerel, în anul 1893.

Acesta a observat că în circuitul electric al unui electrod cufundat într-o solutie de electrolit, apare curent electric.

Ulterior Frankel în anul 1935, landu în 1936 și alți fizicieni au descoperit că prin iluminarea unei secțiuni din suprafața unui semiconductor, iar cealaltă secțiune din suprafața semiconductorului rămâne neluminată, între capetele semiconductorului apare o diferență de potențial.

Acest fenomen a fost pus în evidență cu ajutorul unui semiconductor prevazut cu doi electrozi metalici, conectați la un galvanometru.

Semiconductor

Raze de lumină

Electrod metalic

Galvanometru

Dacă iluminăm o regiune din suprafața semiconductorului, iar cealaltă regiune rămâne neluminată, acul indicator al galvanometrului va indica prezența unui curent electric în semiconductor.

Se cunoaște că lumina este alcătuită din particule numite fotoni. Fiecare foton are o anumită energie caracteristică nivelului energetic al învelișului electronic al atomului de unde provin sau sunt emiși. Acești fotoni, sunt fotoni electronici dar și termici, în in variantele infraroșii vizibili și respectiv ultravioleți.

La interacțiunea fotonilor electronici cu materia, se produc urmatoarele procese:

• un foton electronic poate fi absorbit de un electron situat pe o orbită energetică fundamentală din învelișul electronic al atomului și va trece pe o orbită superioară. În acest caz, electronul nu are o situiație stabilă datorită fotonuli și energiei absorbite, astfel că va reveni pe orbita fundamentală inferioară de unde a plecat inițial, emițând și fotonul și energia absorbită;

• un foton electronic smulge un electron din învelișul electronic al atomului consumându-și complet energia iar electronul eliberat se numește fotoelectron;

• un foton electric se ciocnește cu un electron din învelișul electronic al atomului pe care il smulge din atom și caruia îi transmite numai o parte din energia sa. Fotonul este astfel deviat de la direcția sa inițială și are o frecvență mai mică decât cea pe care a avut-o înaintea ciocnirii cu electronul.

Într-un corp solid atomii au o configurație caracteristică fiecărui material, iar o configurație care se repetă periodic în volumul materialului formează o rețea cristalină.

În nodurile rețelei cristaline se află atomii, iar legăturile dintre aceștia sunt realizate cu ajutorul electronilor care au sarcină electrică negativă și gravitează în jurul nucleelor încarcate pozitiv.

Dacă electronii se deplasează liberi în rețeaua cristalină, corpurile sunt bune conductoare de electricitate, iar dacă electronii nu se pot deplasa liberi în rețeaua cristalină corpurile nu sunt bune conductoare de electricitate. Metalele sunt bune conductoare de electricitae, iar izolatorii nu sunt buni conductori de electricitate.

Semiconductorii se situează din punct de vedere al conductanței electrice între metale și izolatori. Ei sunt buni conducători de electricitate în momentul în care materialului i se comunică energie din exterior, prin iluminare sau prin încălzire.

Sub interacțiunea energiei primite din exterior sau se mai numește si energie de activare, electronii ies din starea în care se află inițial în rețeaua cristalină și se deplasează liberi în rețea.

În semiconductori există două tipuri de purtători de sarcini: electronii purtători de sarcini negative și ionii pozitivi, goluri purtătoare de sarcini pozitive. Un gol sau o sarcină pozitivă ia naștere în momentul în care unui electron i s-a transmis energia de activare și acesta parasește atomul care devine ion pozitiv.

Schimbul de electroni

Dacă un câmp electric obligă electronii să se deplaseze ordonat, locurile rămase goale se deplasează în sens contrar mișcării electronilor.

Semiconductorul în care numarul sarcinilor negative-electronii, este egal cu numărul sarcinilor pozitive goluri care se numește semiconductor intrinsec. Semiconductoarele impurificate controlat se numesc semiconductoare extrinseci.

O dată cu transmiterea energiei de activare, în material va crește în mod egal numarul purtătorilor de sarcini negative și pozitive, deoarecela smulgerea unui electron din legătura sa atomică apare simultan un gol și astfel se generează o pereche de electron gol. În felul acesta crește conductibilitatea electrică a semiconductorilor, ceea ce se mai întâmplă de asemenea și în cazul când aceștia conțin impurități.

Dacă in rețeaua cristalină a siliciului care asre patru electroni de valență se introduce un atom de arseniu, adica cinci atomi de valență, unul din electronii de valență ai arseniului este i plus față de numaărul de electroni de valență ai siliciului. Electronul în plus fiind slab legat de atomul de arseniu, devine liber și în acest caz, atomul de arseniu devine ion pozitiv.

Siliciul impurificat cu arseniu este un semiconductor de tip n, iar arseniul este o impuritate care donează electronii. Siliciul impurificat cu galiu, care are numai trei electroni de valență este un semiconductor de tip p, iar galiul este o impuritate acceptoare de electroni.

Celule pe bază de siliciu

Celulele solare sau fotovoltaice se pot clasifica după mai multe criterii, cea mai întânlită este după materialul din care sunt realizate sau după grosimea acestora.

O largă utilizare o au celulele pe bază de siliciu, diferențiate: după grosimea materialului depus, după substratul și materialul condensat, după varietatea proprietăților fizice și a randamentului. Sunt realizare în variante următoare: monocristaline, policristaline și siliciu amorf.

Celulele solare cu strat subșire se deosebesc de celulele tradiționale, adică celulele solare cristaline bazate pe plăci de siliciu, înainte de toate și prin 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, proprietăți care nu sunt încă pe deplin clarificate din punct de vedere teoretic.

Deoarece în cazul celulelor solare cristaline, lumina este absorbită numai într-un strat superficial cu o adancime de cca 10 µm, celulele cu strat subțire sunt de 100 de ori mai subțiri. Celulele cu strat subțire se obțin de cele mai multe ori prin condensarea din faza groasă direct pe un material purtător care poate fi sticlă, folie metalică, material sintetic, sau alt material, astfel încât, procesul costisitor de debitare a blocurilor de siliciu poate fi eliminat.

Cel mai întrebuințat material pentru celulele cu strat foarte subțire este siliciul amorf, iar modulele cu celule de acest tip au o durată de viață lungă, cu randament stabil pe o perioadă de mai mult de 10 ani.

Alte materiale ce se mai pot întrebuința sunt: siliciul microcristalin, arseniura de galiu, teluriura de cadmiu sau legături cupru-indiu-sulf-seleniu, respectiv celule CIGS- unde în funție de tip, S poate însemna sulf sau seleniu, modulele pe bază de celule cu strat subțire CIS au deja randamente de 19-20 %.

Conversia fotovoltaică

Conversia fotovoltaică este transferarea directă a unei părți din energia radiației solare în energie electrică, realizabilă la nivelul atomic al unor dispozitive semiconductoare. Sistemele de conversie au evoluat odată cu tehnologia de fabricație a semiconductoarelor. Caracteristica acestora este conductivitatea electrica, respectiv proprietatea de a lăsa să circule curentul electric generat de deplasarea orintată a electronilor din structură. Materialele semiconductoare au conductivitatea electrică cuprinsă între 10 la minus 8 S/m, valoare peste care materialele sunt dielectice și 10 la 5 S/m, valoare peste care materialele sunt electroconductoare. Conducticitatea semiconductoarelor este însă dependentă de iluminare, de tensiune, de presiune, de câmpul magnetic și de structura lor atomică. În cadrul acestor limite, conductivitatea lor se inhibă sau se dezvoltă, schimbându-le starea. Atunci cand electronii de valență din structura semiconductoarelor, primesc din afară o cantitate de energie de ordinul electronvolților, aceștia devin liberi. Pragul de energie necesar eliberării, specific fiecărui tip de semiconductor, se numește energie de activare. În anumite condiții, fotonii din radiația solară pot ceda electronilor de valență energia specifică de activare, absorția facându-se întotdeauna cu degajare de căldură. Atât electronii orientați in deplasarea orientală, cât și golurile ramase în structură după eliberarea lor, participă la conducția semiconductoarelor. Deoarece inclusiv golurile se constituie în particule fictive de sarcină pozitivă, egală cantitativ cu sarcina electronilor.

În semiconductoarele pure, numite și intrinseci, numărul electronilor ce pot fi eliberați sete egal cu numărul golurilor, conducția fiind de tip intrinsec. În semiconductoarele cu impurități. Numite și extrinseci, aceste numere nu mai sunt egale, conducția fiind de tip extinsec. Impuritățile donoare fac ca electronii să devină purtătorii majoritari în conducția electrică, semiconductorul fiind de „tip n”. impuritățile acceptoare determină majoritatea golurilor ca purtători de sarcină, semiconductorul fiind de „tip p”.

În anul 1839, Edmond Becquerel descoperă efectul fotovoltaic produs prin transferul de esnergie de la fotonii radiației solare către particulele din structura unui dispozitiv semiconductor, la bornele căruia se culege un curent electric.

În 1870, Heinrich hetz a experimentat efectul fotovoltaic pe siliciu, dar rezultatele atragătoare s-au obținut după 1950 cțnd Czochralski a perfectat procedeul de purificare a siliciului care îi poartă și numele.

Evoluția ulterioară a tehnicii semiconductoarelor a determinat și perfecționarea celulelor solare ca dispozitive de conversie fotovoltaică pe baza semiconductoarelor.

Conform lui Bohr, inclusiv în semiconductoare, structurile atomice au stări energetice particulare, asociate cu nivelul energetic atomic, cărora le corespund configurații electronice date. La semiconductoarele expuse radiației solare, energia absorbită de electronii e la fotoni la o tranziție, este egală cu diferența dintre nivelul energetic al starii inițiale și cel al starii finale. Se definește astfel energia de legătură cafiind, cantitatea de energie necesară pentru a disloca un electron din legătura sa covalentă. Trecerea semiconductoarelor în stare de conducție și randamentul conversiei, depin de acordarea configurației lor electronice cu lungimea de undă a radiației.

Nivelul energetic al atomilor, la care electronii se mențin în legătură covalentă, se numește bandă de valență. Deasupra acesteia se gasesc niveluri energetice superioare care pot fi ocupate de electronii excitați, dislocați din legături covalente.

În structurile cristaline aceste niveluri reprezintă banda de conducție. Între banda de condăucție și banda de valență se gasește banda interzisă, specifică fiecarui tip de semiconductor, respectiv pragul energetic la care nu mai există niveluri de energie pentru electroni. Pentru atrece din banda de valență în banda de conducție, un electron trebuie să absoarbă de la un foton o cantitate de energie mai mare decât largimea benzii interzise.

Trebuie înțeles faptul că benzile energetice nu au dimensiuni geometrice, ele reprezentțnd doar nivelurile energetice proprii electronilor în diferite stări.

Efectul fotovoltaic în semiconductoare este așadar rezultatul a două fenomene simultane, absorția și conducția.

Nivelul energetic al eletrinilor din structura semiconduvctelor poate fi prestabilit prin dopare, respectiv tehnica de dozare a impurităților în material prin care pot fi aduși la conducție electronii de valență din structura atomilor.

Cristalul de germaniu are în structură atomi înconjurați echidistant de alți patru atomi, fiecare din aceștia având câte 4 electroni de valență. Fiecare din electroni formează pereche cu câte un electron al atomului vecin, în legătura covalentă. Această legatură este ruptă daca unul din electroni primește enegie de activare și trece în banda de conducție.

Energia de activare pentru cristalul de germaniu este de 0.72 eV, o valoare mică față de media de 0.25÷3 eV specifică majorității semiconductoarelor. La o temperatură absolută de 0 grade, germaniul se comportă ca un dielectric, toți electronii fiind în legături covalente. La creștera temperaturii însă, datorită caracterului fluctuant al energiei de agitație termică, o parte din electroni sunt dizlocați, lăsând în urma lor golur. În această stare, acțiunea unui câmp electric exterior determină dislocarea altor electroni care, ocupă golurile inișial libere lăsând în urma lor alte goluri. Germaniul trece astfel în conducție, electronii deplasându-se într-un sens iar golurile în sens opus.

Cunoscându-se comportarea în stare pură, s-a observat că doparea germaniului se poate face astfel:

Introducând atomi pentravalenți cu 5 electroni de valență din care 4 se leagă covalent în structura germaniului, iar al 5-lea rămâne liber și primind energia de activare de la un foton, trece în banda de conducție. Se obține un semiconductor de tip n ai cariu purtători de sarcină majoritari devin electronii bombardați de fotonii radiației.

Introducând atomi trivalenți, de bor, indiu sau tritiu, aceștia acceptă câte un electron liber din structura germaniului, golurile lasate fiind ocupate apoi de electronii de valență ai atomilor vecini. Semiconductorul obținut este de tip p în care bombardamentul cu fotoni generează conducția cu purtători majoritari.

Doparea este deci o modalitate de creștere a conductivitații proprii semiconductoarelor, prin modificarea controlată a structurii lor atomice. În sensul conversiei fotovoltaice, prin dopare se extinde spectrul utilizabil din radiația solară și se reduce nivelul energiei de activare în semiconductorul utilizat.

Joncțiunea p-n

Prin iluminarea semiconductoarelor de tip n, se transmite energia de activare, care duce la apariția de perechi electron-gol. Deoarece în semiconductorul de tip n există deja foarte mulți electroni liberi, numărul electronilor nou creați va fi foarte mic față de numărul inișial de electroni.

Prin iluminarea semiconductorului de tip p, li se asigură de asemenea energie de activare, care duce la apariția de perechi electron-gol.

Fiindcă în semiconductorul de tip p există deja foarte multe goluri libere, numărul electronilor nou creați va fi foarte mic față de numarul creat inițial.

În prezent, se utilizează semiconductorul în care fenomenul conversiei fotovoltaice are loc la contactul intim dintre doi semiconductori, unul de tip n și altul de tip p, adică o joncțiune p-n.

Semiconductorii de acest tip se pot forma din doi semiconductori, realizați din bucăți de materiale diferite sau din acelați material. În cadrul aceluiași semiconductor se pot realiza două secțiuni, una de tp n și cealaltă de tip p.

Astfel, în semiconductoarele de siliciu în care există două secțiuni interioare, una de tip n și cealaltă de tip p, joncțiunea obținută se numește homojoncțiune.

În secțiunea n a semiconductorului, se află mai mulți electroni și foarte puține goluri, iar în secțiunea p se află mai multe goluri și foarte puțini electroni.

Electronii majoritari din secțiunea n sunt foarte înghesuiți și tind să părăsească secțiunea n pentru a trece în secțiunea p. electronii liberi în stare de înghesuială din secțiunea n, obligați să stea într-un domeniu finit, trec în secțiunea p în mod liber, proces numit difuziune. Dacă nu intervine nici o altă cauză din exterior asupra acestei difuzii, ea continuă până ce numărul de particule se egalează între cele două secțiuni și obligă astfel atomii din material să ocupe poziții bine determinate în rețeaua cristalină.

Deplasarea electronilor din secțiunea n în p, se face în zona I să ramână ionii pozitivi, iar deplasarea golurilor din secțiunea p în n, face ca în zona II să rămână ioni negativi. Concentrațiile de electroni și goluri nu vor putea să se uniformizeze în cele două secțiuni n și p, ci se va stabili o situație de echilibru pentru deplasarea golurilor din aceleași zone.

În cazul acesta, rezultă sarcini neconpensate pozitive în zona I și sarcini necompensate negative în zona II.

În prezența jonțiunii n-p și a fenomenului de difuziune sarcinile pozitive s-au separat de cele negative, dinsecțiunile în care ele se conpensau inițial. Ca urmare va aprea un câmp electric E-intern și corespunzător o tensiune U- internă, în cele două zone.

Pe ansamblu celor două secțini n și p, sarcina negativă va echilibra sarcina pozitivă, iar semiconductorul păstrează neutralitatea electrică. Trebuie precizat în final că aceasta a fost comportarea unei joncțiunip-n în echilibrul termic fără acțiuni perturbatoare exterioare. Când spunem această structură echilibrată intern, la acțiunea luminii fotonii vor cădea pe o secțiune p a semiconductorului și vor fi absorbiți.

Dacă energia fotonilor este mai mare decât energia de activare, va genera perechi, electroni –goluri, iar dacă enegia fotonului este mică, el vatrece prin semiconductor cedând-și energia parțial sau total rețelei cristaline, care se va încalzi fară a putea însă produce perechi de purtători.

Electrozii și golurile nou create se mișcă liber în interiorul secțiunip prin fenomenul de difuziune, iar electronii ajung la jonțiune unde vor fi atrași de sarcina pozitivă a zonei și vor trece joncțiunea, fiind nevoite să rămână în secțiunea p.

Astfel apare o separere a purtătorilor de srcină nou creați și deci prezența câmpului electric E-intern, la joncțiunea, ca urmare, în secțiunea p apare o sarcină neconpensabilă pozitivă. Dacă lumina va cădea pe secțiunea n a semiconductorului și fotonii vor fi absorbiți, numai când energia fotonilor este mai mare decât energia de activare, aceștia vor genera perechi de electroni- goluri, iar electronii și golurile nou create se vor mișca liber în interiorul secțiunii p prin fenomenul de difuzie.

De asemenea, electronii respinși sunt nevoiți să rămână în secțiunea n ți ca atare, în această secțiune apare o sarcină neconpensată negativă.

Deci , în urma interecțiunii fotonilor cu semiconduntorul, în interiorul acestuia apar sarcini electrice pozitive în secțiunea p și sarcini eletrice negative în secțiunea n și un câmp electric E cu sens opus câmpului E-intern.

Dacă numărul de fotoni este suficient, cele două câmpuri se anulează reciproc și nu mai poate exista câmp intern care să separe purtătorii de sarcină, aceasta este condiția ce determină tensiunea în gol a homojoncțiunii U-intern.

Dacă se închide circuitul pe o rezistență, prin aceasta va trece un curent , deci se consumă o energie electrică ce reprezintă o fracțiune din energia fotonilorincidenți. Fracțiunea de energie a fotonilor incidenți incidenți se numește randament n și caracterizează un anumit tip de fotoconvertor.

O celulă fotovoltaică de siliciu se compune dintr-o plăcuță de siliciu de tip n, pe care se suprapune o secțiune de tip p, astfel că prin difuzia unei impurități acceptoare, se realizează joncțiunea p-n. în unele cazuri, electronul superior este acoperit cu un strat de protecție transparent.

În prezent se utilizează baterii fotovoltaice confecționate din astfel de celule fotovoltaice pentru conversia energiei solare în energie electrică. Sateliții și navale cosmice sunt echipate și funționează cu ajutorul unor baterii fotovoltaice.

Celula fotovoltaică

Dispozitivul tehnic realizat într-o schemă electrică echivalentă joncțiunii p-n reprezintă celula fotovoltaică. Numită și celula solară sau celula PV, aceasta este practic convertorul de energie radiată în energie electrică. Conversia sa produce atunci când energia fotonilor din radiașia solară incidentă pe dispozitiv, Wf=h•v, depășește în valoare amplitudinea energetică a benzii interzise din semiconductoare, Wb, respectiv când Wf > Wb. În aceste condiții, electronii bombardați de fotoni trec în banda de conducție, lăsân în urma lor goluri și formează un curent electric pe rezistență la care este conectată celula.

Prin expunere la radiații, în regiunile neutre ale joncțiunii perechile de electron-gol sunt separate printr-un proces de difuziune lent și apoi refăcute rapid.

În zona de trecere însă, sarcinile electrice sunt separate de câmpul electric imprimat Ei și neexistând electroni liberi, recombinarea este anulată. Dacă la bornele electrice a și b se concentrează rezistența de sarcină R, curentul de sarcină Is orientat de la n la p, determină pe această cădere de tensiune U. la rândul sau tensiunea determinată în joncțiune, curentul direct Id,opus curentului de sarcină. Curentul net prin rezistență R va fi I=Is-Id.

Luând în calcul rezistența de scurgere prin izolația celulei ri, care tinde spre infinit și rezistența proprie semiconductorelor și bornelor electrice rs, care tinde spre zero, schema electrică echivalentă celulei fotovoltaice este:

La funționarea scurtcircuit, tensiunea la borne este nulă, rezultând un curent maxim de scurcircuit Isc = Is. La funcționarea în gol, tensiunea de mers în gol este maximă. Atât Isc cât și Ug sunt dependente de iluminare. Regimul de funcționare a fotocelulei în orice moment este dat prin caracteristică I-U.

Pe caracteristica I-U există un punct M de putere maximă a conversiei, cu coordonatele Im și Um, care în funție de iluminare, reprezintă valorile optime de curent și tensiune în funționarea fotocelulei.

Utilizarea semiconductoarelor cu bandă interzisă mai largă, permite creșterea tensiunii în detrimentul curentului, datorită restricționării fotonilor incidenți. Pentru obținerea valorilor obtime, particulare fiecărei aplicații, se va urmări practic un compromis între cresterea procesului de conducție. Pentru o sarcină pasivă, valoarea optimă a rezistențeide sarcină este: Rm = Um/ Im. Randamentul fotocelulei este ɳm = Pm/Pr, unde Pm = Im • Um este puterea maximă reazilabilă iar Pr este puterea radiației incidente.

Randamentul conversiei este direct legat de lărgimea spectrului utilizat, prin acordarea nivelurilor energetice ale benzilor interzise cu lungimea de undă a radiației, respectiv cu valorile de energie a fotonilor. Aceasta presupune utilizarea semicondutoarelor după caracteristicele lor. De exeplu siliciul, având un nivel al benzii interzise mai mic de 1,1 eV dă un randament bun în spectru ultraviolet. Galiu-Arsen cu 1,43 eV este utilizabil în spectru vizibil, iar Galiu-Arsen-Aluminiu cu 1,7 eV în infraroșu.

În raport cu banda interzisă, doar 45% din semiconductoarele cunoscute pot fi utilizate în conversia fotovoltaică deoarece, energia fotonilor din radiația solară fie este prea mică în lumina roșie 1,7 eV fie este prea mare în lumină albastră 2,9 eV.

Materialele utilizate pot fi: siliciu, arseniura de galiu, sufură de cadmiu, telulura de cadmiu, germaniul, fosfura de indiu, antimoniura de aluminiu, fosfura de galiu.

În funșie de aplicație, celulele fotovoltaice sunt compuse din una sau mai multe joncțiuni, dacă se realizează între materiale de același fel se numesc homojoncțiuni iar între materiale diferite heterojonțiuni.

Siliciul este astăzi cel mai utilizat semiconductor, fiind abundent și ieftin având structurăatomică cu 14 electroni din care 4 pe orbita exterioară, foarte ușor de combinat. Fiecare atom deține în comun câte unul din cei 4 electroni de valență, între atomii învecinați existând o rețea cristalină.

În raport cu structura internă și tehnologia de prelucrare, tipurile de siliciu utilizate în celulele fotovoltaice sunt:

-Siliciul monocristalin cu un grad de puritate de 99,99%, obținut prin topirea siliciului natural. După turnarea în formă de lingouri, racirea se face lent, iar prin tăiere în wafere de 100 µm grosime se obțin feliile subțiri utilizate în formarea joncțiunilor. Același rezultat se obție prin tehnologia de crestere în formă de bandă, avantajoasă prin eliminarea pierderilor de 15÷25% produse la tăirea mecanică. Procesarea continuă cu doparea, aplicarea stratului antireflectant, depunerea contactelor electrice în formă de grilă și coacerea în atmosferă controlată după tehnologie beatch.

-Siliciul polictristalin, conține mai multe tipuri de cristale în care la suprafața de separeție, ordinea este destrămată iar electroni liberi au tendința de a se recombina cu goluri, atenuând conducția. Aceasta se obține prin depunere în film subțire, printr-o tehnologie economică care elimină etapele energointesive de topire, urnare și topire a lingourilor. Prin turnarea în film subțire se pot obține folii de dimensiuni mari ce pot intra singure în componența unui modul fotovoltaic. Avantajos este și faptul că filmul subțire poate fi strat antireflectant.

-Siliciul amorf nu are structură cristalină ordonată, fiind obținut prin depunere în strat subțire. Modificarea controlată acompoziției și hidrogenarea îl face de 40 de ori mai eficient în conversie decât este siliciul cristalin. Un strat de numai 1 µm grosime poate absorbi 90% din energia radiației incidente. Grosimea structurilor de siliciu amorf poate fi de 0.008 µm în regiunea p, între 0,5 și 1µm în regiunea intermediareă și de 0,02 µm în regiunea n. Astfel utilizarea lui este largă și în aplicații miniaturale, ceasuri sau calculator de buzunar, dar și în sistem thim-film încorporat în panouri prefabricate pentru construcții.

Structura tipică a celulei fotovoltaice cu siliciu amorf este de tip p-i-n, în care între regiunile p și n se intercalează în joncțiune un strat semiconductor intermediar.

Stratul dopat p este semitransparent, permițând pătrunderea fotonilor în stratul intermediar unde sunt eliberați electronii executați și ia naștere câmpul electric interior ei. Stratul n paticipă la conducție fiind generatorul de goluri.

Alte materiale semiconductoare utilizate la constructia celulelor fotovoltaice sunt diseleniu de cupru și indiu telura de cadmiu. Acestea pot fi dopate în strat foarte subțire ce galiu, în scopul largirii benzii interzise și au specific un coeficient de absorbție foarte ridicat, de circa 99%. Ca atare pot fi utilizate la conversia radiațiilor puternice, în regiunile cu insolare intensă, pentru producerea unor tensiuni mărite.

Galiul este un element rar întțnlt în natură, putând fi colectat ca produs secundar al rafinării aluminiului, iar arseniul este foarte toxic. Astfel arseniul de galiu, deși are o bandă interzisă de 1,43 eV și un coeficient de absorbție ridicat, se utilizează rar și in special la aplicaîiile din spațiul extraterestru.

Din totalul aplicațiilor dezvoltate astăzi circa 48% utilizează siliciu monocristalin , 30% siliciu policristalin, 20% siliciu amorf, restul fiind din alte materiale semiconductoare.

Sisteme fotovoltaice

Ansamblul echipamentelor tehnice prin care se realizează conversia fotovoltaică precum și stocarea și distribuția energiei electrice astfel obținute, reprezintă sistemul sau centrala fotovoltaică. Cetralele PV pot funcționa conectate la sistemul electromagnetic sau independente. În aplicațiile simple de tip insular, aceasta reprezintă sursa unică de energie electrică. Continuarea în furnizare crește în aplicațiile insulare dacă sistemul este hibrid, complementar cu alte tipuri de surse regenerabile.

Complementarea principală și specifică este generatorul fotovoltaic, compus din unu sau mai multe module conectate între ele. Modulele sunt panouri suport în care se montează celule fotovoltaice interconectate și din care se culeg tensiuni standardizate. Cu ajutorul modulelor se asigură protecția și ricidizarea PV, unghiul de espunere și eventual orientarea după radiația solară.

În figura de mai sus sunt reprezentate componentele unui modul PV. Protectorul față este transparent, eventual din geam de 2 mm, cu rol de protecție la interperii și care trebuie intreținut, curat în permanență. Rama de fixare și suportul spate au rolul de protecție, rigidizare și fixare, fiind confecționate din materiale ușoare cum ar fi aluminiul, fibră de sticlă sau materiale compzite.

Confecționată din EVA sau PVB, folia intermediară este transparentă și perfect aderentă la celule și protector. Celulele PV sunt interconectate electric înte ele și la bornele modulului. Etanșarea modulului și în același timp atenuarea șocurilor mecanice se face prin garnitura de cauciuc. Cel mai des sunt utilizate module plane.

Pentru creșterea randamentului, în aplicațiile speciale se utilizează module PV cu concentrarea radiației. Acestea sunt echipamente la nivelul ficarei celule și inclusiv la nivelul modulului cu concentratoare tip lentilă Fresnel. Creșterea randamentului cu astfel de echipamente nu justifică întotdeauna creșterea consumului de montaj cu circa 6 USD/W și a energiei electrice furnizate, cu mult mai mult decât media de 40 cenți USD/kWhe.

Utilizarea concentratoarelor devine rentabilă însă în centrele PV cu puteri instalate mai mari de 100 kW, prin creșterea puterii specifice pe unitatea de suprafață și reducerea numărului de celule pe modul. Temperatura de lucru ridicată, impune însă ssteme de răcire forțată a modulelor iar congenerarea este nerentabilă tehnic.

Randamentul centralelor fotovoltaice mari crește semnificativ dacă modulele sunt echipate cu sisteme electromagnetice de urmărire a Soarelui pe boltă. Aceasta asigură schimbarea poziției modulelor în plan orizontal și vertical după pziția instantanee a Soarelui, prin acționarea cu servomotoare comandate de senzori. În acest mod, pe întreg circuitul diurn, rdiația solară captată este maximă.

Sistemele fotovoltaice conectate la rețea se compun în principal din generator fotovoltaic de curent continuu, invertor cu echipament de condiționarea puterii și panou de distribuție a electricității către rețea și consumatorii proprii de curent alternativ.

La dimensionarea unei centrale PV se va ține seam de rețea, respectiv de compatibilitatea cu sistemul electromagnetic și în același timp, de obținerea puterii maxime la generator.Funționarea diurnă compensează deficitul de energie la vârf de sarcină și în același timp poate îmbunătății parametrii electrici ai rețelei. Centralele PV au o inerție foarte mică la punearea sau scoaterea din funționare după ciclul diurn-nocturn, sau în zilele cu insoleiere slabă, schimbarea stării facându-se fără pierderi. Prin automatizare, acestea pot lucra concomitent în generare distribuită, ducând la reducerea costurilor cu energia pe centrul de consum deservit.

Sistemele fotovoltaice independente, cu sau fară stocarea parțială de esnergie, au o largă utilizare în montaj insular, mai ales în zonele îndepărtate, unde extinderea rețelelor electrice este costisitoare.

Varianta cu stocare e enegie electrică se compune din generator fotovoltaic, echipamentul de ăncărcare al bateriei cu maximizator de putere, panou de distribuție la consumatorii de curent continuu, baterie de acumulatori, invertor și panou de alimentare a consumatorilor de curent alternativ.

Stocarea parțială de energie electrică în bateria de acumulatori se face controlat și permite alimentarea consumatorilor pe timpul nopții, atunci când generatorul nu funționează. Se asigură astfel continuarea ăn alimentare a centrului de consum deservit.

Varianta fară stocare de energie electrică este mai ieftină, lipsind echipamentul de stocare, dar alimentarea consumatorilor este discontinuă dupa ciclul diurn-nocturn și continuu dependentă de intensitatea radiașiei solare.

La puteri instalate mici și prin confecții pliante, asemenea sisteme pot fi mobile și ușor de instalat pe locații provizorii. Sunt numeroase exemple în care sistemele fotovoltaice reprezintă soluția economică în care sistemele fotovoltaice reprezintă soluția economică în alimentarea cu enegie electrică cum sunt: gospodării rurale izolate, cabane montane, stații meteo, relee de telecomunicații, balize de semnalizare arine sau aeriene, rezervații naturale și altele. Sistemele fotovoltaice hibride cumulează conversia unor surse diferite , din care, în funție de potențialul local, una unapoate fi de bază iar celelate complementare. Deși au costuri de inestiții mai mari, astfel de sisteme pot asigura continuitatea în alimentare, solicitată chiar și de consumatori pentru care acest criteriu este determinat. Un rol important îl joacă în acest caz bateria de acumulatori.

Conversia termică a radiației solare

Fotonii radiației solare incidente pe materia terestră netransparentă, cedează particulelor întânlite, energie termică. Cantitatea de cădură absobită la nivelul moleculelor este dependentă de intensitatea radiației, timpul de expunere, factorii atmosferici, structura și suprafața corpului radiat. Căldura înmagazinează temporar în masa de substanță terestră este sursă de echilibrare a fenomenelor termoenergetice naturale.

Transformarea energiei solare radiante în caldură, cu ajutorul unor dispozitive tehnice, reprezintă o coversie pasivă, directă. Dispozitivele sunt numite captatoare solare și au rolul de a apta și transfera căldura unui agent fluid ce o poate transporta și apoi ceda ca energie utilă.

Cele mai simple captatoare sunt cele plane. Acestea se compun dintr-o incintă etanșă cu protectorul față din material transparent și protectorul spate din material reflectant, între care se poziționează registrul receptor. Receptorul este un labirint de conducte din material de conductivitate ridicată, de obicei din cupru, prin care se realizează o suprafață de schimb de căldură mărită. Conductele sunt vopsite în straturi succesive spre exterior cu anticoroziv, strat optic selectiv absorbant și strat antireflectant. prin conductele registrului circulă agentul termic, de obicei apa. Expunerea la radiația solară creează în incinta captatorului efectul de seră, o mare parte din caldura dezvoltată fiind preluată de agentul termic în circulație forțată. Cantitatea de căldură preluată este în funcție de intensitatea radiației, de suprafața expusă a captatorului, de timpul de expunere și conductivitatea termică a materialului utilizat.

Un sistem de producere a apei calde prin conversia directă a radiației solare este format în principal din sursa de apă rece, pompa de alimentare, captatorul solar, rezervorul de apă caldă și rețeaua de distribuție la consumatori.

Asemenea sisteme de preparare a apei calde menajere la temperaturi de 60-80 grade , sunt tot mai mult utilizate în lume, aparatul energetic global depășind 4,5 Gj/an.

Avantajele în utilizare sun date prin nutralizarea de combustibili și de costul redus de producere a apei menajere. Un dezavantaj ar putea fi discontinuitatea în furnizarea apei calde în raport cu civlul nocturn sau radiația slabă în zilele noroase. Acesta poate fi însă atenuat prin cuplarea sistemului cu un boiler electric complementar și o bună dimensionare și izolare a rezervorului tampon în care opșional, se poate monta și o rezistență electrică.

Pentru creșterea randamentului, poate fi utilizat un agent fluid intermediar, cum este antigelul, care în circuit închis prin registrul receptor, cedează căldura apei într-un schimbător de cădură.

Capacitatea de generare și randamentul sistemului cresc semnificativ prin utilizarea de captatoare plane echipate cu concentratoare tip lentile Fresnel. Costurile sunt mai mari dar reducerea dimensiunilor captatorului poate fi un avantaj pentru anumite aplicații.

Concentrarea radiației se poate obține și prin utilizarea de oglinzi clindro-parabolice reflectante, ce facilitează pe registrul receptor. Temperatura agentului termic este mult mai mare decât în cazul sistemelor fără concentrare. Și costurile de investiții cresc semnificativ, inclusiv prin faptul că oglinzile reflectamte trebuie echipate cu senzori și mecanisme de urmarire a Soarelui pe bolta zilnică și sezonieră. Asemenea aplicații nu s-au dezvoltat la scară comercială deoarece pe lângă copetitivitatea redusă, spațiul ocupat de ansamblul oglinzilor este mare și nu permit amplasarea pe cladiri.

Experimental, în California – SUA a fost pusă în funție o centrală termică turn.

Registrul receptor, de mari dimensiuni este practic un cazan de aburi suspendat la 45 m pe un turn. În jurul acestuia, la sol, se dezvoltă concentric câmpul de heliostate format din oglonzi reflectate orientate, ce facilitează pe receptor. Orientarea heliostatelor după pziția Soarelui se face în două planuri, cu servomotoare comandate de senzori. Temperatura agentului termic ajunge și la 1400 grade iar puterea instalată este de 10 MWt.

Costurile de investiții foarte mari pentru o centrală de acest tip nu sunt însă justificate de performanțele sale.

În schimb, conversia termică a radiației solare s-a dezvoltat la nivel comercial în aplicații de mică anvergură, cum sunt cele lefate de conceptul cladirilor independente energetic. Așa numita „casa inteligentă” este în curs de perfecytare si la noi în țară. Pe lângă exploatarea surselor regenerabile, conceptul aduce în plan principl conservarea energiei astfel obținute. În mod practic, eliminarea pierderilor capătă valențele surselor de energie. Costrucșia presupune o zidărie cu masa termică ridicată, cu proprități de absorbție a caldurii solare și o inerșie mare în căderea ei la exterior. Se pot utiliza în acest sens sisteme de stocare parțială a caldurii în pereți, acoperișuri sau subsoluri, prin incorporarea unor perne de apă, aer sau alți agenți cu inerție termică. Efectul este amplificat si prin tehnici simple cum sunt orientate ferestrele pe axa E-V prin care se obține o iluminare directă cel puțin 6 ore pe zi, utilizarea culorilor închise și neacoperirea podelelor pentru o mai bună absorbție și utilizarea culorilor dechise pe pereții interiori, pentru o mai bună refletare a radiației. O serie de construcții auxiliare pe fațada sudică pot deveni instalații solare pasive, ce înmagazineză căldură prin efectul de seră. Astfel din sere sau terase închise în stică, aerul cald pateu fi dirijat la interior prin fante de circulație naturală. Ferstrele etanșe cu geam dublu, în interiorul cărora se introduce gaz inert, contribuie substanțial la absorția și înmagazinarea căldurii în interior.

Conversia radiației solare în caldură oferă și prin instalații pasive, o soluție eficientă în respectarea criteriilor de evaluare modernă aconstrucțiilor. Sursa de energie este practic nepoluantă ți coplementară fiind, nu costă nimic.

Studiu de caz

În Judeșul Dâmbovița, singurele turbine eoliene care sunt funționale se gasesc în orașul Târgoviște.

Aceste turbine eoliene se gîsesc în incinta Campusului universității Valahia din târgoviște, unde sunt aplasate trei turbine eoliene. Două turbine eoliene de dimensiuni mici care au puterea de 1 kw și o turbină eoliană de dimensiune medie de utere 3kW, toate cele trei turbine sunt amplasate pe acoperișul Institutului de Cercetare al Universității.

Turbina eoliană Aeolos – H 1 kw este un generator cu coadă foarte fiabilă și cu un mod foarte simplu de instalare. În anul 1986 s-a construit prima instalație de 1 kw în Danemarca ca aplicație la rețea pentru alimentarea cu energie a locuițelor.

Turbina:

• Puterea nominală: 1 kW

• Viteză vânt de pornire: 2,5 m/s

• Viteză vânt de putere nominală: 25 m/s

• Viteză vânt maximă: 45 m/s

• Timp de viață: 25 ani

• Greutate totală: 60 kg

Rotorul:

• Diametrul rotorului: 3,2 m

• Viteza rotorului: 350 rpm

• Materialul lamei : fibră de sticlă

Generatorul:

• Frecvența: 50 Hz Sau 60 Hz

• Tensiunea: 48 VDC

• Tipul: trei faze permanent (generator magnetic)

• eficiența generatorului: >0,96

Controlul și siguranța sistemului:

• Controlul puterii: defecțiune laterală a roții de vânt

• sistem de siguranță secundar: sistemul de frânare electronic

Turnuri:

• Înălțimea: 9 m

• Ancorarea turnului: 9 m

Garanție:

• Garanție standard: 5 ani

• Garanție extinsă: 10 ani

În graficul de mai sus observăm că turbina eoliană produce cea mai mare energie electrică la o viteză a văntului de 12 m/s, energia produsă fiind de 1470 W.

Nivelul maxim de zgomot se obține la o viteză a vântului de 10 m/s unde produce în jur de 46 db.

Capacitatea de producție a turbinei eoliene Aeolos – H 1 kW.

Turbina eoliană Aeolos – V 1 kW

Turbina eoliană Aeolos este o turbină eoliană verticală, destul de fiabilă, silențioasă și care are o viteză de pornire joasă. Aceasta utilizează un generator tri-fazic, având un rotor cu o viteză de pornire de 1,5 m/s.

Aceste turbine au fost folosite pentru școli, locuințe, supermachet-uri.

Elicele turbinei eoliene folosește un designe aerodinamic care poate să limiteze viteza de rotație cu 320 rpm, chiar dacă viteza vântului este de 30 m/s. Această eoliană este mult mai sigură decât turbinele clasice cu ax vertical. Atunci când sunt furtuni sau alte fenomene meteorologice se utilizează frâna electronică și cea mecanică.

Randamentul depinde de viteza vântului și puterea generatorului. Elicele turbinei eoloiene este dintr-un aliaj de aluminiu de calitate superioară și durează peste 20 de ani. Nivelul de zgomot este foarte redus la turbina eoliană Aeolos, nu se aude de la 20 de m distanță, zgomotul mediu fiind undeva mai mic de 45 db la viteza de 8 m/s.

Specificații:

•Tipul generatorului: trifazic

• Înălșime rotor: 2,8 m

• Diametru rotor: 2 m

• Greutatea turbinei: 78 kg

• Număr pale construcție: 3 aliaj aluminiu

• Temperatura funcționare: -20 grade C până la +50 grade C

• Greutatea turbină 28 kg

• Durata de viață: 20 ani

Performanță:

• Putere nominală: 1 kW

• Putere maximă: 1,5 kW

• Viteză vânt la pornire: 1,5 m/s

• Viteză vânt la putere nominală: 10 m/s

• Viteză vânt maximă: 50 m/s

• Eficiență generator: >96%

• Zgomot: ˂45 db

• Garanșie: 5 ani standard, 10 ani extinsă.

Curba de putere a turbinei eoliene Aeolos – V 1 kW

Capacitatea de producție a turbinei eoliene Aeolos – v 1 kW

Curba de putere a turbinei eoliene Aeolos – V 1 kW

Sistem de utilizare individuală a turbinei eoliene Aeolos – V 10 kW

Turbina eoliană maglev – 3kW

Turbina eoliană Maglev este un nou tip de turbină care funționează pe principiul vechilor eoliene, dar în loc să folosescă rulmenți, folosește o pernă magnetică. Eolienele Maglev sunt turbine cu ax vertical unde partea motoare sete suspendată pe o bază magnetică și care este alcătită din neodimium, care este un metal foarte rar care nu pierde din proprietățile de frecare.

Turbinele Mglev prezintă foarte multe avantaje în comparație cu celelalte turbine eoliene tradiționale. Un prim ajantaj este faptul că acestea pot funționa la viteze foarte mici ale vântului, cum ar fi 1,5 m/s, dar și la viteze foarte mari de peste 40 m/s. Un al dilea avantaj important este că turbina Maglev are o eficiență foarte bună de peste 95%. Cea mai mare turbină tradițională realizată pateu să producă chiar și un gigawatt, destul pentru a alimenta 750,000 de locuințe. În plus la o eoliană Maglev cheltuielile de întreținere sunt cu 50% mai mici față de cele cele cu turvina cu ax orizontal și se estimează ca o astfel de eoliană ar putea funționa 500 de ani.

Specificații:

• Putere nominală: 3 kW

• Diametrul rotorului: 4,2 m

• Greutate: 720 kg

• Numar pale construcție: 7 ( 3 Darrieusși 4 Savonius)

• Viteză vânt la pornire: 2,2 m/s

• Viteză vânt la putere nominală: 2,5 m/s

• Viteză vânt maximă: 15 m/s

• Rezistență putere vânt: 60 m/s

• Tipul generator turbină eoliană: tifazic

• Temperatură de funcționare: -40 +50 grade C

• Sistem principal de frânare: frânare hidraulică

Detali constructive ale turbinei eoliene Maglev – 3 kW

Viteza medie lunară a vântului în județul Dâmbovița

Pentru estimarea capacității de producție al sistemului de turbine eoliene din campusul Universității Valahia din Târgoviște, se pornește de la datele privind viteza vțntului în localitatea de amplasare. Pe baza înregistrărilor zilnice ale vitezei vântului la Târgoviște, s-a calculat viteza medie lunară a vântului, prezentă în tabelul următor.

Evaluarea impactului asupra mediului al sistemelor eoliene

Factorii care influențeazî mediul acționează fiecare diferit în funție de zonă sau de perioada de timp, (faza de construcție, exploatare, desfacere), din cauza aceasta pentru fiecare factor pe care il identificăm zona examinată, având în vedere caracteristicile zonei alese.

Când se stabilește zona de influență, trebuie analizat fiecare efect în parte. Unele efecte țin cont de direcția vîntului, (efectul de umbrire, propagarea sunetului), iar cealaltă parte nu (zgomot, periclitarea pasărilor în zbor, utilizarea terenului). Printre aceste efecte sunt unele care se găsesc numai pe teritoriul parcurilor eoliene (pericolul potențial pentru pasări în zbor, modificarea utilizării terenului), respectiv și care mai acționează și în afara acestuia (zgomotul și efectul de umbrire). În parcurile eoliene cel mai mare factor care afectează este cel al zgomotului și cea datorită efectului de umbrire.

Trebuie să examinăm dacă această zonă de influență se extinde asupra zonelor protejate, sau zone locuibile, respectiv de ce trasee ale păsărilor călătoare se intersectează și cât de aproape sunt ele de parcul eolian.

Solicitarea cea mai mare asupra dediului în timpul lucrărilor de construcție o reprezintă deplasarea pe teren a mijloacelor de transport și a utilajelor grele. Când se organizează construcția trebuie să avem în grijă ca în cursul lucrărilor utilajele să se deplaseze pe zone cât mai mici.

Stratul de pământ fertil escavat trebuie tratat conform planului de recuperare a humusului. Lucrul trebuie să fie interzis pe vreme ploiosă, când solul este moale.

Poluarea solului datorită utilajelor în lucru și scurgerile de lubrifianți trebuie evitate iar deșeurile și substanțele poluante tebuie să fie transportate de pe teren.

Activitățile de construcție sunt recomandat a fi executate în perioade când se deranjează cel mai puțin locuitorii din împrejurimi.

Limitarea efectelor asupra mediului aparute în timpul fazei de investiție pot fi următoarele:

Să se utilizeze mașini de lucru și autovehihule moderne

Umidificarea după nevoie a cantității de pământ deplasate

Operațiile să fie efectuate în condiții meteorologice favorabile

Organizarea ritmică a transporturilor în afara perioadelor de vârf;

Să se evite ridicarea prafului în perioadele uscate prin stropirea traseelor;

Utilizarea materialelor prietenoase față de mediul înconjurător;

Să fie protejate habitatele;

Pentru a nu se deranja păsările care cuibăresc, ampasarea turbinelor se face în lunile dintre perioadele de cuibărire (din august până în aprilie).

Fundație de beton de mari dimensiuni pentru turbine eoliene de putere mare

Efectele poluării aerului apărute pe tipul fazelor de exploatare și propagarea substanțelor poluante pot fi limitate prin metodele următoare:

La iluminarea turbinelor trebuie sa procedăm după conformitatea prescripțiilor autorităților de navigare aeriană (se vor utiliza lumini roșii sau albe);

Se recomandă utilizarea sperietoarelor de păsări cu o folie florescentă și care să protejeze mediul;

În lipsa datelor experimentale, este recomandat să se utilizeze monitorizarea populațiilor care cuibăresc, se hrănesc în zona parcului eolian.

În funție de scopul pentru care sunt utilizate, există două mari tipuri de instalații solare: pentru energie electrică și panouri solare termice pentru prepararea apei menajere. Locuintele care au fost prevăzute cu ambele sisteme au fost numite case cu 0 facturi. Astfel, ajungem la cel mai mare dezavantaj al instalațiilor de acest tip și anume că ele nu pot asigura independența energetică a unei clădiri în procent de 100%.

În România, cele mai cunoscute și cele mai des instalate sunt panourile solare termice, fiind incluse în programul casa verde. Sub denumirea de panouri solare se regăsesc panouri solare termice pentru prepararea apei calde menajere și panouri fotovoltaice care generează energie electrică.

Fiecare dintre aceste este diferit nu doar prin formă de energie eliberată, dar și prin tehnologia independentă pentru încălzirea apei calde, respectiv transormarea energiei solare în electrică. Pri urmare, principiile de funționare între cele două sunt total diferite, chiar dacă folosesc radiația solară drept sursă gratuită de cobustibil

Panourile pentru apă caldă sunt colectoare solare care captează căldura în tuburi. Apoi aceasta este preluată de către un agent termic, apă sau antigel, in funție de tehnologia utilizata. Încălzirea apei calde menajere are loc prin transfer de căldură între agentul termic și schimbătorul de căldură existent la nivelul boilerului.

Principiul de funționare a panourilor termice constă în captarea energiei solare și transormarea acesteia în energie termică. Radiația soarelui întânlește suprafața de absorbție a colectorului, energia calorică fiind preluată de agentul termic care circulă prin conductele termo-conductoare.

Avantajele utilizării panourilor solare au facut ca acestea să devină din ce în ce mai populare în rândul consumatorilor. Ecologia si scăderea impactului asupra mediului este beneficiul cel mai mediatizat.

Energia solară aduce avantaje și dezavantaje, beneficiile tind să surclaseze eventualele aspecte mai puțin convenabile. Soarele ca sursă inepuizabilă de energie, gratuitatea energiei solare și diminuarea costurilor la încălzire prin utilizarea unei surse ecologice, costurile reduse de întreținere sunt cele mai importante argumente.

De la nivelul guvernamental, OMG, companii, până la conștiința individuală se observă preocuparea pentru înlocuirea surselor poluante de energie cu surse ecologice pentru a reduce impactul negativ asupra mediului. Este un semn de responsabilitate și respect pentru copii noștri și pentru toate generațiile care vor venii.

Sistemele de încălzire care utilizează combustibil convențional fosilier în atmosferă un volum mare de gaze de ardere care contribuie la îmbunătățirea efectului de seră și la încălzirea globală.

Panourile solare termice și electrice-fotovoltaice, utilizează energia solară drept resursă inepuizabilă și regenerabilă, emisia de gaze fiind 0 pe întreaga durată a exploatării. Un singur panou utiluzat pentru alimentarea unui boiler reduce anual emisiile de dioxid de carbon cu aproximativ 700 kg.

Utilizând radiația soarelui ca aport de încălzire sau furnizarea de energie electrică, se reduce semnificativ amprenta de carbon a unei entități fizice sau juridice.

Amprenta de dioxid de carbon reprezintă volumul total al gazelor de seră emise de către o organizație, o comunitate sau o companie în desfăsurarea activității.

Reducerea amprentei de dioxid de carbon este una dintre cele mai importante preocupări pe segmentul de responsabilitate organizațională, comunitară și internațională.

Date privind reducerea de dioxid de carbon din atmsferă folosind panourile solare din cadrul Institutului de cercetare Campus Valahia.

Companiile implementează proiecte pentru sustenabilitate și reducerea amprentei de carbon, dorind să lase un mediu cțt mai curat generațiilor care urmează. De aceea aplelează la surse de energie naturală și inepuizabilă, precum cea solară sau eoliană. Parlamentul european are în plan reducerea amprentei de dioxid de carbon a clădirii în care își desfășoară activitatea cu până la 30% până în 2020, iar pentru atingerea obiectelor a prevăzut instituția cu panouri solare și ale tehnologii ecologice.

Combustibilul fosil, aflat în subsol, s-a format de-a lungul existenței Pământului, iar prin extracția continuă de cărbune și țiței aceste resurse s-au diminuat considerabil.

Prin utilizarea unui panou solar pentru încălzirea apei calde se consumă aproximativ o tonă de țâței într-un singur an.

Panourile solare pot asigura pânănla 80% din necesarul anual de apa caldă menajeră a unei locuințe, reprezentând o economie consistentă pentru fiecare familie. Funcționând tot anul, panourile solare vidate pot gestiona intregul volum de apa caldă menajeră pe durata sezonului cald, randamentul scăzând iarna.

Concluzii

Lista figurilor

Lista tabelelor

Lista abrevierilor

Bibliografie

Cristian Mărgărit – energia regenerabilă între complementaritate și alternativă, Ed. Cetatea de Scaun, Târgoviște, 2006.

V. Drăgan, V. Buchiu, Natalia Buchiu, L. Gheorghiu – Energii regenerabile și utilizarea acestora, Vol.1, București, 2009.

Adrian Badea, Horia Necula – Surse regenerabile de energie, Ed. Agir, București, 2013.