PROIECTARE SPATIU RELAXARE STUDENTI PANOU [630270]

CAPITOLUL 4
PROIECTARE SPATIU RELAXARE STUDENTI – PANOU
FOTOVOLTAIC

4.1. Generalități privind energia solară
Energia solară este o energie regenerabilă , care este „ produsă prin transferul energiei
luminoase radiată de la Soare ” [23].
Soarele este și va fi „izvorul” de energie al viitorului, deoarece cât timp vom exista pe
Pământ vom putea să utilizăm energia provenită de la acest corp ceresc. Specialiștii astronomi
spun că perioada de existență a Soarelui este de 5 miliarde de ani, practic din punct de vedere
al duratei de viață, Soarele, definește întreaga noastră existență, adică, atunci când soarele va
dispărea acest lucru va conduce la extincția tuturor planetelor sistemului nostru solar inclusiv
planetei Pământ și în consecință acest lucru duce la concluzia că energia solară este o energie
inepuizabilă.
Utilizarea directă a energiei solare pentru producerea energiei electrice a cunoscut o
dezvoltare intensă odată cu preocupările pentru protecția mediului înconjurător și având în
vedere realizările importante privind sistemele de transformare a energiei solare în energie
electrică.
Transformarea energiei solare în energie electrică are ca temei fenomenul fotoelectric
intern (remarcat de Alexandre Edmond Becquerel, în anul 1839). Explicația teoretică a acestui
feneomen i se atribuie lui Albert Einstein în anul 1907, iar pentru aportul considerabil în acest
sector de cercetare a facut să-i aducă în anul 1921 premiul Nobel.
Prima celulă fotoelectrică a fost realizată în anul 1953, având un randament de 4% iar
prima utilizare practică a fost semnalată la alimentarea cu energie electrică a primilor sateliți
americani.
Cantitatea de energie utilă întregii planete este de aproximativ 16 terawați. (Un terawatt
înseamnă o mie de miliarde de wați.). Se estimează că în anul 2020 enrgia necesară planetei va
semnala o mărire considerabilă de 20 TW, din pricina evoluției tehnologice și a globalizării.
Valoarea aproximativă a enrgiei luminii solare pe pământ este de 120.000 TW, de aceea
se consideră că enrgia provenită de la Soare este nelimitată.
“Soarele poate fi exploatat în două moduri principale. Unul este producerea de abur,
fie prin oglinzi parabolice, precum cele din Nevada, fie prin oglinzi plate ghidate computerizat,
numite heliostate, care concentrează lumina solară pe un receptor, din vârful unui „turn de
energie“ uriaș. Al doilea este conversia directă în electricitate, cu ajutorul panourilor
fotovoltaice din semiconductoare precum siliciul. Fiecare abordare are avantajele ei.

Până acum, generarea de abur, numită și concentrare solară sau heliotermică, s-a
dovedit mai eficientă decât metoda fotovoltaică – transformă în electricitate un procent mai
mare din lumina solară. Dar necesită hectare de teren și kilometri de cabluri pentru transferul
la consumatori.
Panourile fotovoltaice pot fi montate pe acoperișuri acolo unde sunt necesare. Ambele
surse de energie au același dezavantaj evident: scad pe vreme noroasă și nu funcționează
noaptea. Dar inginerii dezvoltă deja sisteme de stocare a energiei pentru perioadele fară
lumină” [24].

4.2.1. Radiația solară
Radiația solară corespunde unei părți a spectrului radiației electromagnetice, având
lungimi de undă cuprinse între zero și infinit, fiecare dintre aceste frecvențe având efecte
diferite și energii atașate diferite, prezentate în tabelul 4.1 [25].
Tabelul 4.1. Spectrul radiațiilor electromagnetice
Tipul radiației
electromagnetice Domeniul lungimilor
de undă [m] Nivelul energetic
Radiații cosmice <10-14 foarte mare
Radiații gama 10-14 ÷ 10-12 mare
Raze X 10-12 ÷ 10-8 mare
Ultraviolet 10-8 ÷ 10-7 mare
Ultraviolet 10-7 ÷ 10-6 relativ mare
Lumină vizibilă 0,38*10-6 ÷ 0,78*10-6 moderat
Infraroșu 10-5 relativ redus
Infraroșu 10-5 ÷ 10-3 redus
Microunde 10-3 ÷ 10-2 redus
Unde TV 10-2 ÷ 10-1 foarte redus
Unde radio 1 foarte redus

Radiația solară degajată de Soare către Pământ, determină un transfer de energie de
2,21*1017 kWh în afara atmosferei, iar constanta solară înregistrează o valoare medie de 1373
W/m2.
Datorită disipării în atmosferă a radiației solare, aproximativ 1000 W/m2 ajung la
suprafața pământului, într-o zi senină, sub formă de radiații directe și difuze (fig. 4.1).
Soarele emite o radiație electromagnetică cu o putere de aproximativ 3.86 × 1026 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 4.2 [26].

Fig. 4.1. Radiații directe și radiații difuze

Fig. 4.2. Spectrul radiației solare
Pentru a lua în considerație pierderile de energie la trecerea prin atmosferă (grosimea
atmosferei) este definit factorul atmosferi AM ( air mass) (fig. 4.2) și se calculează conform
relației [27].
AM=1
cos𝜃௭ , (4.1)
unde z este unghiul razelor solare față de zenit (verticala în puntul analizat).
PV

Fig. 4.2. Factorul atmosferic AM
În mod obișnuit, instalațiile fotoelectrice din România se definesc pentru AM1,5 pentru
z = 48. În zonele ecuatoriale în care soarele poate ajunge perpendicular pe suprafața
pământului se operează cu AM1 ( z = 0) iar zonele polare pot fi caracterizate de AM2 ( z =
60) [28].
În figura 4.3, este reprezentată 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 0,02 m3/m2, conținut de ozon 0,0034 m3/m2, ambele
măsurate în condiții optime de temperatură și distanță medie Pământ Soare [29].

Fig. 4.3. Intensitatea radiației solare normale la suprafață

Pentru ca panourile fotovoltaice să funcționeze optim, trebuie avut în vedere faptul că
nimic nu trebuie să se interpună între acestea și soare, adică radiația solară trebuie să fie directă.
Valoarea radiației solare cu cea mai mare intensitate se găsește la punctul său de maxim spre
Nord în emisfera sudică și spre Sud în emisfera nordică, lucru ce se explică prin distanța redusă
pe care undele fluxului luminos trebuie să le străbată de-a lungul atmosferei terestre.
Înclinarea unei suprafețe, orientată spre sud ca în figura 4.4 și poziția ei față de soare
este înfățișat de unghiul h (înălțimea la care se găsește soarele la ora respectivă) și unghiul
azimutal  . Prin intermediul mișcării de revoluție a Pământului, poziția soarelui este diferită
față de suprafața din figura 4.4 și în funcție de sezon [30].

Fig. 4.4. Unghiuri solare

4.2.2. Potențialul energiei solare în Romania și în București

România beneficiază, prin prisma poziției geografice, cît și a condițiilor climatice,de un
potențial redutabil pentru implementarea măsurilor de optimizare și intensificare a energiei
soalare.
În figura 4.5 se remarcă harta cu distribuția radiației solare pe suprafața României și
observăm că în zonele sud-estice, respectiv Oltenia, Muntenia, Dobrogea se înregistrează o
radianță maximă, cu un potențial energetic solar ce variază între 1390  1460 kWh/m2/an, dar

asta nu denotă faptul că în celelalte zone nu se întâlnește o intensitate considerabilă, ci doar o
diferență mică și anume valori cuprinse între 1140  1350 kWh/m2/an.
Cu ajutorul parametrilor meteorologici avem evidențiată măsurarea radiațiilor solare ce
rezultă din adunarea tuturor radiațiilor solare căzute direct sau difuz pe suprafața pământului.

Fig. 4.5. Distribuția geografică a potențialului energetic solar din România

În București după câte se poate remarca din figura 4.5, datorită așezării sale geografice
există un potențial energetic foarte ridicat, ceea ce denotă faptul că este o zonă propice pentru
a utiliza din plin energia provenită de la Soare, fiind însorit majoritatea anului circa 210 zile,
iar acest lucru ar trebui încurajat pentru că este bine să valorificăm energia verde, curată,
nepoluantă.
O altă observație, este faptul că luna cu cele mai mari valori ale radiației solare este luna
iunie, ce poate atinge 1,49 kWh/m2/zi, în timp ce luna cu cele mai scăzute valori este februarie
semnalând o valoare de doar 0,34 kWh/m2/zi.
Extrapolând la teritoriul Europei se poate constata, pe baza hărții intensității radiației
solare (fig. 4.6), că arealul maxim al fluxului energetic solar se găsește tot în partea sudică,
modificându-se înspre partea nordică cu valori mai scăzute.

Fig. 4.6. Harta intensității radiației solare în Europa

4.2. Generalități despre panourile fotovoltaice
Panourile fotovoltaice sunt sisteme competente să modifice fluxul de radiație luminoasă
cu ajutorul unui mecanism chimic de conversie, direct în energie electrică. Această transformare
a energiei se face într-un mod static, mai concis, în contact cu razele soarelui, celula fotovoltaică
produce energie electrică, lucru ce denotă faptul că producerea acestei energii nepoluante duce
la îndeplinirea principiilor ecologice, deci fără a compromite posibilitățile de satisfacere a
nevoilor generațiilor următoare.
Celule solare sunt concepute dintr-un material semiconductor (siliciu), iar când lumina
soarelui lovește panoul, se desprind electroni. Prin polarizare pozitiv negativ, se creează un
circuit electric, în care bateriile sunt acumulatori de energie. Cum la nivelul panoului este
produs curent continuu (DC), invertorul îl transformă în curent alternativ (AC), pentru a fi
utilizat în gospodării, toate elementele electrice din case funcționând pe curent alternativ [30].
În figura 4.7 se schematizează structura unei celule fotoelectrice, mai exact aceste celule
sunt diode semiconductoare de suprafață mare, care sub acțiunea fotonilor acestea absorb
energia degajată și o transmit acumulatorilor.

Fig. 4.7. Structura și principiul de funcționare al unei celule PV cu siliciu
Aceste celule fotovoltaice sunt confecționate din materiale durabile, rezistente la
schimbările nefavorabile ale atmosferei, la radiațiile ultraviolete, cât și împotriva grindinei,
având un strat exterior din sticlă specială.
Durata de viață ale acestor panouri fotovoltaice se estimează între 20  30 de ani, timp
în care investiția primordială se recuperează. În plus, dacă utilizatorii casnici optează pentru un
sistem de panouri on-grid, aceștia devin mici producători de energie electrică, adică atunci când
nu folosesc întreaga cantitate de energie captată, aceasta se transferă în sistemul
electroenergetic național (SEN) scurtând astfel timpul de amortizare a cheluielilor.
De-a lungul istoriei panourile fotovoltaice au fost utilizate pe scară largă în mai multe
domenii de activitate (fig. 4.8), precum asamblarea pe terminale complexe, sateliții, industria
auto, pe diverse electrocasnice, pentru iluminatul stradal, pentru corturi care au integrate
pachete de panouri pentru camping, pentru locuințele individuale, dar și în multe altele.

Fig. 4.8. Moduri de utilizare ale panourilor fotovoltaice

4.2.1. Tipurile principale de panouri fotovoltaice
a) Monocristaline
b) Policristaline
c) Amorfe
Panourile fotovoltaice monocristaline, policristaline și amorfe se pot utiliza în cadrul
sistemelor fotovoltaice legate la rețea (ON GRID) sau sisteme fotovoltaice cu acumulatori
(sisteme izolate, OFF GRID).
a) Panourile fotovoltaice cu celule monocristaline
Din punct de vedere al eficienței, panourile fotovoltaice cu celule monocristaline sunt
cele mai avantajoase.
Etape constructive:
Celulele din siliciu monocristalin (fig. 4.9) au un aspect regulat, cu o nuanță de albastru
închis spre negru și sunt alcătuite din blocuri dintr-un singur cristal obținut prin metoda
Czochralski de creștere a cristalelor, rezultând astfel o materie primă cu un înalt nivel de puritate
chimică. Astfel, aceste plăci confecționate sunt secționate în straturi subțiri de dimensiuni 10 x
10 cm, pentru a fi mai usor manevrate și asamblate.

Sunt mult mai eficiente în condiții de lumină cu o intensitate mai scăzută, chiar și în
cazul unei radiații difuze, în schimb în condiții de lumină puternică are un randament puțin mai
redus.
Aceste celule oferă cele mai bune randamente (tabelul 4.2), iar prețul de producție este
destul de ridicat. Se observă că celulele care sunt fabricate în serie au randamente mai scăzute
față de cele fabricate pe cale experimentală.
Tabelul 4.2. Valori ale eficiențelor celulelor PV în funcție de tipul acestora
Tip celule
fotovoltaice Randament [%]
fabricate în serie fabricate în laborator
Monocristaline 16 ÷ 17 24
Policristaline 12 ÷ 13 17
Amorfe 6 ÷ 7 12

Fig. 4.9. Panouri fotovoltaice cu celule monocristaline

b) Panourile fotovoltaice cu celule policristaline
Aceste tipuri de celule fotoelectrice au un randament mai scăzut față de cele
monocristaline, deoarece în procesul de fabricație apar imperfecțiuni de natură materială.
Etape constructive:
Celulele din siliciu policristalin (fig. 4.10) sunt ușor de recunoscut datorită aspectului
neuniform și coloristicii de diverse nuanțe de albastru. Acestea sunt produse din turnarea
siliciului în stare lichidă, în formă de blocuri, urmând ca acesta să se solidifice, creându-se
cristale neuniforme având dimensiuni de 10 x 10 cm, cu grosimi de 0,24 ÷ 0,3 mm, dar din

cauza acestui proces simplu apar imperfecțiuni/defecțiuni, lucru ce duce la scăderea
randamentului panoului fotovoltaic.
Oferă un randament bun pe timpul unei lumini exacerbate cu valori cuprinse între 12 ÷
13%, iar pe măsură ce lumina se temperează scade și eficiența.
Din punct de vedere economic, celulele policristaline sunt mai ieftine decât cele
monocristaline.

Fig. 4.10. Panouri fotovoltaice cu celule policristaline

c) Panourile fotovoltaice cu celule amorfe
După cum îi spune și numele celule amorfe nu prezintă o structură cristalină, regulată,
fiind unicololore.
Etape constructive:
Celulele de tip amorf (fig. 4.11) sunt executate dintr-un film subțire de siliciu, turnat pe
sticlă, plastic sau inox, tocmai pentru a le conferii o rezistență sporită și în cazul plasticului
oferă flexibilitate, motiv pentru care pot fi utilizate în multe aplicații, totodată folosindu-se o
cantitate redusă de material, chestiune ce se va reflecta în prețul de vânzare.
Tehnologia de fabricație a acestor celule fotovoltaice amorfe este bine cunoscută de mai
bine de 15 ani. Sunt cele mai indicate din punct de vedere economic.
Ceea ce trebuie spus este că oferă o eficiență mai redusă, dar la fel ca și celuele
monocristaline funcționează optim chiar și în cazul unui cer înnorat.

Fig. 4.11. Panouri fotovoltaice cu celule amorfe (stânga) și film subțire (dreapta)

4.2.2. Utilizarea energiei generate de panourile fotovoltaice
Energia pe care o utilizăm cu ajutorul panourilor fotovoltaice poate fi strict
casnică/independentă, prin sistemele off-grid, poate fi și cu injectare în sistemul
electroenergetic național (SEN), prin sistemele on-grid, dar poate fi și hibridă/mixtă/compusă,
adică să le cuprindă pe amândouă.
Sistemele Off Grid
Sistemul fotovoltaic Off-Grid, sau cu alte cuvinte sistemul independent/izolat,
neracordat la rețeaua electroenergetică, este un sistem ce stochează energia eletrică în
acumulatori de unde poate fi utilizată când va fi nevoie de aceasta, astfel reiese și un prim
beneficiu al acestui tip.
Utilitatea practică a acestora este văzută în zonele în care nu se pot face conectări la
sistemul electroenergetic național, din motive obiective, fie că sunt distanțe foarte mari de cablu
și stâlpi, fie din motive birocratice respectiv avize de conectare scumpe ori fiindcă este necesar
un timp îndelungat de proiectare și de execuție al lucrării.
Peste toate aceste avantaje, se mai enumeră și