Reglarea Temperaturii Intr O Incinta Folosind Energia Solara

CUPRINS:

INTRODUCERE

CAPITOLUL I

1.1.Surse de energie regenerabilă

1.2.Energii regenaribile(solară,geotermală,eoliană,etc)

1.2.1.Generalități privind energia

1.2.2.Condiții energetice actuale

1.2.3.Tipuri de energii regenerabile

1.3.Energia solară

1.3.1.Considerații privind radiația solară

1.3.2.Structura chimică

1.3.3.Structura de benzi

1.3.4.Echilibrul termodinamic

1.3.5.Nivelul Fermi

1.4.Conversia energiei solare în energia electrică

1.4.1.Efectul fotovoltaic

1.4.2.Caracteristici ale celulor fotovoltaice

1.4.3.Coeficient masic de aer

1.5.Energie solară.Panouri fotovoltaice și aplicații ale celulelor fotovoltaice

CAPITOLUL II

2.1.Structura sistemului

2.2.Sistemul de orientare al panoului

CAPITOLUL III

3.1.Prezentarea soluției prezentate

3.2.Proiectarea modelului CAD

3.3.Memoriul de calcul justificat

3.4.Simularea funcționării sistemului

CAPITOLUL IV

4.1.Structura:controller, driver, motor,senzori

4.2.Algoritm de comanda

4.3.Program

CAPITOLUL V

5.1. Eficiența economică

CAPITOLUL VI

6.1. Parametrii tehnico-funcționali obținuți

Bibliografie

INTRODUCERE

Efectul fotovoltaic este principalul proces fizic care stă la baza tehnologiilor [1] de construcție a celulelor solare care convertesc lumina de la soare în electricitate.

În anul 1839 fizicianul francez ,Edmund Becquerel, la vârsta de 19 ani descoperă efectul fotovoltaic în timpul unui experiment cu o celulă electrolitică făcuta din doi electrozi de metal.

Tânărul fizician descoperă că anumite materiale pot produce energie electrică în cantități mici , în momentul expunerii la soare.Prima celulă solară a fost construită de către Charles Fritts care a acoperit selenium semiconductor cu un film subțire de aur, pentru a forma o joncțiune metal semiconductor ,cu o eficiență de 1% a dispozitivului.

Celule solare au devenit de uz practic, ca sursă de energie, în anul 1941 când Russel Ohl , a dezvoltat tehnologia joncțiunilor p/n , ce a permis atingerea unor eficiențe mai mari de 5% între anii 1950-1960.

Astăzi celulele solare dezvoltate la nivel de laborator ating eficiențe >20% , iar la nivel industrial se situează în medie de 13%(..raportul Comisiei Europene-bibliografie).

Vârsta modernă a tehnologiilor solare a fost în anul 1954 când Bell Laboratories dezvoltau experimente cu semiconductori , descoperind accidental că siliciu dopat cu anumite impurități era sensibil la lumină..Astfel s-a inventat primul dispozitiv practic de conversie a energiei solare în energie electrică cu o eficiență de 6% de către Daryl Chapin, Calvin Fuller și Gerald Pearson (D.M.Chapin , C.S. Fuller și G.L Pearson, J.Appl.Phys).

Prima baterie de celule solare a fost construită în 1954, primul panou solar fiind folosit pe satelitul Vanguard 1 lansat în martie 1958.Acesta era format din celule solare produse de către Hoffman Electronics, creând un interes în producerea și lansarea de comunicații geostațiare cu sateliți alimentați cu energie electrică primită de la panouri solare.

Prima heterostructură de GaAs a fost creată în anul 1970, pe care s-au construit celule solare de o mare eficiență. Astfel s-a creat primul heterotranzistor care a revoluționat telefonia mobilă și comunicațiile prin satelit de către Zhores Alferov (Alferov ,Zh.I.V.M.Andreev, M.B.Kagan,I.I.Protasov și V.G.Trofin , Fiz.Tekn .Poluprovodn-Nobel Prize 2000).

Depunerea chimică din faza de vapori a compușilor metaloorganici , cunoscută sub denumirea de tehnologia MOCVD, dezvoltată în anul 1980 , permite elaborarea celulelor solare pe GaAs.

Applied Solar Energy Corporation (ASEC) dezvoltă în SUA , prima celulă solară cu o eficiență de 17% față de coeficientul AM0 .ASEC a dezvoltat celule cu “joncțiune duală” prin depunerea de GaAs pe substrat de GE , ceea ce a permis tensiuni mari în circuit deschis.

În anul 2007 celulele cu joncțiune duală pe structuri GaAs ating o eficiență de 30% AM0.

CAPITOLUL 1

1.1.SURSE DE ENERGIE REGENERABILÃ

În practică , energiile provenite din surse care fie că regenerează de la sine în scurt timp , fie sunt surse practice inepuizabile ,sunt considerate energii regenerabile.

Acest termen de energie regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile.Utilizând diferite procedee oamenii pot capta energia luminii solare , a vânturilor, a apelor curgătoare , a proceselor biologice și a căldurii geotermale.

Energia generată prin arderea combustibililor fosili cum ar fi țițeiul , cărbunele și gazele naturale , precum și energia nucleară sunt surse de energie ne-reinnoibile.

Aceste resurse sunt limitate la existența zăcămintelor respective și sunt considerate ne-regenerabile (teoria academicianului român Ludovic Mrazec de formare anorganică a țițeiului și a gazelor naturale).

În cadrul statelor europene din punct vedere energetic s-au produs transformări majore determinate de necesitatea creșterii siguranței în alimentarea cu energie a consumatorilor, iar în cadrul acestei cerințe sursele regenerabile de energie oferă o soluție viabilă, inclusiv aceea de protecție a mediului înconjurător, siguranța alimentării cu energie a consumatorilor din statele europene fiind asigurată și prin luarea în considerare a importurilor, în condițiile liberalizării pieței de energie și în conformitate cu nevoia stringentă de a atenua impactul asupra mediului climatic planetar.

1.2. ENERGII REGENERABILE

1.2.1. GENERALITÃȚI PRINVIND ENERGIA

Prin transferul energiei vântului unei turbine eoliene se generează energia eoliană.

Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafețeii Pământului de către energia radiată de Soare și care ajunge la suprafața planetei noastre.

Această încălzire variabilă a straturilor de aer produce zone de aer de densități diferite , fapt pentru care se creează diferite mișcări ale aerului.Pentru antrenarea elicelor turbinelor , care sunt capabile de a genera electricitate este folosită energia cinetică a vântului.Unele turbine eoliene sunt capabile de a produce până la 5MW de energie electrică deși acest lucru necesită o viteză constantă a vântului de aproximativ 5.5m/s sau 20 kilometri pe oră.Deoarece vânturi puternice se pot găsi la altitudine mai mare și în zonele oceanice, sunt puține zone ale Pământului unde există vânturi cu viteze constante, de valoarea menționată anterior.

Energia care este direct produsă prin transferul energiei luminioase radiate de către Soare definește conceptul de energie solară.Această energie solară poate fi folosită să genereze energie electrică sau să încălzească aerul din interiorul unei clădiri.

Deși energia solară este reînnoibilă și ușor de produs , problema principală este că soarele nu oferă energie constantă în nici un loc pe Pământ.Lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricității decât pentru un timp limitat în fiecare zi datorită rotației Pământului în jurul axei sale și a alternanței zi-noapte.De asemenea existența zilelor noroase ,atunci când potențialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui , duce la o limitare a folosirii acestui tip de energie implicit și aplicațiilor acestei forme de energie reînnoibilă.Dezavantaje nu există deoarece instalațiile solare aduc beneficii din toate punctele de vedere.

Panourile solare produc energie electrică de 9h/zi (calculul se face pe minim:iarna ziua are 9 ore). Astfel timp de 9 ore ziua aceste panouri solare produc energie electrică și în același timp înmagazinează energie în baterii , pentru a fi folosită noaptea.

Instalațiile solare sunt de două tipuri și anume:termice și fotovoltaice.Instalațiile solare fotovoltaice produc energie electrică gratis în timp ce instalațiile solare termice ajută la economisirea gazului în proporție de 75%pe an.O casă care are la dispoziție ambele instalații solare(cu panouri fotovoltaice și termice în vid) este considerată o casă “Fără Facturi” deoarece energia acumulată ziua în baterii este trimisă în rețea.

1.2.2.CONDIȚIILE ENERGETICE ACTUALE

Instalațiile solare funcționează chiar și atunci când cerul este înnorat, ele fiind rezistente la grindină (în cazul celor mai bune panouri).Investițiile globale anuale în energia regenerabilă a cunoscut o creștere în ultimii ani de la 39 miliarde de dolari în anul 2005 la 55 miliarde de dolari în 2006.Pentru anul 2007 investițiile au atins un nivel de 100 miliarde de dolari , iar pentru anul 2010 tehnologiile verzi au atras 243 miliarde dolari în finanțări și investiții.

Directiva europeană din anul 2005 sub sintagma “20/20/20” stabilește că până în anul 2020 UE trebuie să-și reducă cu 20% emisiile de noxe și să producă 20% din totalul energiei din surse regenerabile.De asemenea statele Uniunii Europene trebuie să amestece treptat combustibilul tradițional utilizat în transport cu biocombustibilul , astfel încât la nivelul anului 2010 biodieselul să reprezinte 5.75% din motorina de pe piață , urmând ca în anul 2020 ponderea să crească cu 20%.

Prin surse de energie se înțeleg în sens comun materialele și tehnologiile folosite pentru obținerea diferitelor forme de energie necesare dezvoltării societății.Aceste surse trebuie să se găsească în cantități corespunzătoare și să fie exploatabile convenabil din punct de vedere tehnic, economic și al unei perspective durabile cum ar fi:

Combustibilii fosili care provin din resturi organice din plante și animale.Totuși principalii combustibili fosili rămân cărbunii , gazele și petrolul.Aceștia acoperă circa 80% din consumul de energie.Pentru a produce energie , combustibilii fosili trebuie să ardă , fiind clasificați epuizabili , deoarece rezervele existente se consumă mai repede decât se produc altele noi.

Cărbunele este tipul de rocă sedimentară care se formează din resturi de plante.Probabil , în urma cu 425 milioane de ani , când au apărut plantele , a apărut și acumularea de cărbune, dar majoritatea zăcămintelor s-au format în Carbonifer.Copacii în descompunere din zonele mlaștinoase au format turba, care s-a scufundat tot mai mult și s-a transformat în lignit , apoi în cărbune bituminos și mai apoi în antracit –cărbunele de cea mai bună calitate.Cărbunele produce 27% din energia luminii,fiind folosit în centralele electrice și în industrie.

Petrolul și gazele naturale au luat naștere prin acumularea de sedimente în oceanele pline de viață marină.Ființele marine microscopice îngropate din ce în ce mai adânc , timp de milioane de ani, s-au descompus și au format zăcăminte de țiței și gaze.Nu există sursa de petrol sau gaze mai tânără de 1-2 milioane de ani.

Energia nucleară este data de uraniu , un metal care se regăsește în scoarța planetei, acesta fiind un element rar .Uraniul este folosit pentru producerea căldurii prin fuziunea nucleară(spargerea atomilor de uraniu).Căldura produce aburi , aceștia pun în mișcare turbinele pentru a fi realizată electricitatea.Deșeurile sunt foarte radioactive și trebuiesc izolate timp de mii de ani.Cei mai importanți producători de uraniu sunt SUA , Franța, Europa de Vest și Japonia.

1.2.3.TIPURI DE ENERGII REGENERABILE

Punerea in practica a unei strategii energetice pentru valorifacea potentialului surselor de energie regenerabile reprezinta o oportunitate si se inscribe in coordonatele dezvoltarii energetice la nivel global, oferind un cadru adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare la alternativele energetice.

Căldura solară este una din energiile alternative care poate fi folosită pentru producerea energiei , printr-o formă simplificată a unui geam îndreptat spre Sud.

Panourile solare pot fi folosite pentru căldură și apă , fiind montate pe acoperiș.Un exemplu ar fi Israel-ul unde peste 80% din case au apă caldă asigurată de panourile solare.

Un șir de oglinzi (la o scară mai mare) care urmăresc soarele și reflectă lumina spre un turn în care încălzește apa sau produce abur , pot pune în mișcare turbinele electrice.

Celule fotovoltaice montproduce aburi , aceștia pun în mișcare turbinele pentru a fi realizată electricitatea.Deșeurile sunt foarte radioactive și trebuiesc izolate timp de mii de ani.Cei mai importanți producători de uraniu sunt SUA , Franța, Europa de Vest și Japonia.

1.2.3.TIPURI DE ENERGII REGENERABILE

Punerea in practica a unei strategii energetice pentru valorifacea potentialului surselor de energie regenerabile reprezinta o oportunitate si se inscribe in coordonatele dezvoltarii energetice la nivel global, oferind un cadru adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare la alternativele energetice.

Căldura solară este una din energiile alternative care poate fi folosită pentru producerea energiei , printr-o formă simplificată a unui geam îndreptat spre Sud.

Panourile solare pot fi folosite pentru căldură și apă , fiind montate pe acoperiș.Un exemplu ar fi Israel-ul unde peste 80% din case au apă caldă asigurată de panourile solare.

Un șir de oglinzi (la o scară mai mare) care urmăresc soarele și reflectă lumina spre un turn în care încălzește apa sau produce abur , pot pune în mișcare turbinele electrice.

Celule fotovoltaice montate pe acoperiș și care absorb lumina solară fiind transformată direct în electricitate , este o altă metodă.Această tehnică o folosesc printre primele țări în curs de dezvoltare precum Republica Dominicană , Sri Lnaka, și Zimbabwe.

Energia hidroelectrică:

Forța apei aflată în cădere pune în mișcare turbinele care produc electricitate. Apa , se adună într-un lac de acumulare și canalizează printr-un baraj. Condițiile necesare pentru energia hidroelectrică este un curent puternic rapid de apă și o înălțime semnificativă de la care să cadă apa.

Reprezintă o sursă inepuizabilă , dar barajele au o viață limitată. Principalii utilizatori sunt Norvegia și Brazilia, unde hidroenergia depășește 90% din consumul de energie electrică , SUA, Canada, China și Rusia.

Energia mareelor:

Pentru ca puterea mareelor să genereze electricitate, e necesară o diferență minimă de 8 m între flux și reflux și de un golf îngust sau estuar (gură de revărsare a unui fluviu) care să maximizeze forța apei.

Curentul puternic al mareelor pune în mișcare turbinele montate într-un baraj ridicat de-a curmezișul golfului.

Puterea mareelor este inepuizabilă, dar dezechilibrează habitatul estuarului și prea puține coaste oferă condițiile ideale.

Cea mai mare centrală bazată pe maree se află pe râul Rance, în Franța, care produce majoritatea energiei consumate în Bretania și alte câteva regiuni. Mai există și alte uzine experimentale în Canada, Rusia și China.

Energia geotermală:

Este nevoie de o sursa naturală de caldură, o cameră magmatică, izvoare subterane și roca poroasă prin care să circule aburii și apa. Aburii și apa fierbinte sunt utilizați direct pentru încalzire, aburii fiind folosiți pentru a genera electricitate. Utilizatorii principali sunt: Islanda, unde peste 45% din energia țării provine din resurse geotermale, SUA, Filipine, Indonezia, Mexic, Italia și Noua Zeelandă.

Energia eoliană:

Puterea vântului acționează asupra morilor de vânt și turbinelor care generează energie. O fermă eoliană are nevoie de un loc cu vânt constant dintr-o directivă stabilă, cum ar fi trecătorile din munți, coastele și insulele. Cei mai importanți utilizatori sunt : SUA, Germania, Danemarca și India.

ENERGIA SOLARA

Din punct de vedere al posibilităților de folosire a energiei solare se pot clasifica trei categorii după cum urmează: procesul termic, procesul fotochimic și procesul foloelectric. În cadrul procesului termic, energia radiantă este absorbită ca și căldură de către un receptor sau o substanță de recepționare care apoi este succedată de o creștere de temperatură (vaporizare) sau alte procese care implică absorbția căldurii. Procesele în care energia luminoasă cauzează un proces chimic sunt procesele fotochimice, iar cel fotoelectric implică o conversie directă a radiației solare în energia electrică.

1.3.1. CONSIDERAȚII PRIVIND RADIAȚIA SOLARÃ

Sursa principală de energie a Pământului este Soarele el contribuind la menținerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K(-273°C) întâlnită în spațiul interplanetar și reprezintă singura sursă de energie capabilă să întrețină viața pe Pământ, deoarece în miezul Soarelui au loc în continuu reacții de fuziune nucleară, prin care hidrogenul este transformat în heliu, astfel în prezent compoziția masică a Soarelui este de circa 71% hydrogen, 27.1% heliu, 0.97% oxigen și alte elemente în concentrații mai reduse.

Figura 1.3.1: Stuctura unei celule fotovoltaice

O celulă fotovoltaică este alcătuită din două straturi de siliciu semiconductor dopat. Fotonii din radiația solară ce cad pe siliciu sunt absorbiți inducând procese de generare de electroni liberi. Doparea siliciului cu diferite metale sau nemetale intensifică generarea unor sarcini electrice.Doparea cu fosfor induce în siliciu sarcini negative suplimentare, astfel siliciu dopat cu fosfor se numește dopat n sau N-Si. Siliciu dopat n este un conductor electric mai bun decât siliciu monocristalin pur, deoarece fosforul are valența 5, iar siliciu valența 4, prin urmare impuritatea cu o valență mai mare decât a siliciului este capabil să doneze electroni suplimentari.

Doparea cu bor produce semiconductori de tip p cu exces de sarcini pozitive astfel o lipsă de electroni generează locuri cu ioni pozitivi în siliciul dopat p, aceste locuri încărcate pozitiv se numesc “goluri”.Pentru a înțelege cum funcționează orice dispozitiv electronic, inclusiv celulele fotovoltaice este necesar în primul rând să vedem structura semiconductorilor care stau la baza întregii electronicii de astăzi. Germaniu și siliciu sunt reprezentativi, însă siliciul este cel mai intens utilizat în aplicațiile moderne.

1.3.2. STRUCTURA CHIMICÃ

Structura de siliciu pur , este reprezentată printr-un cristal tridimensional în care atomii ocupă vârfurile unui cub, după cum sunt dirijați și electronii săi de valență. Siliciul este un element din grupa a IV-a în Tabelul Periodic din care face parte și carbonul, germaniul. Caracteristica esențială a acestor elemente este că fiecare atom are patru electroni de valență pe care îi poate pune în comun cu cei ai atomilor vecini formând legături. Dacă există un factor extrem, de exemplu, temperatura, atunci cu creșterea ei, datorită agitației termice o parte din legături eliberează electroni în rețeaua cristalină, în cosecință crește conductivitatea electrică a siliciului.

Figura 1.3.2: Structura de siliciu Figura 1.3.3: Dopare

Locurile rămase neocupate de electroni denumite și valențe libere sunt definite goluri. Concentrațiile de goluri (np) și electronic (ne) sunt egale, iar semiconductorul se numește intrinsec.

Curentul care “curge” prin semiconductor este format din două componente: electroni și goluri.

Electronii au avut nevoie pentru a “rupe” legătura covalentă de o anumită cantitate de energie minimă necesară pentru a putea trece în spațiile interstițiale ale rețelei de siliciu. Această energie minimă de a trece din stare legată (valență) în stare liberă (de conducție) se numește energia benzii interzise. Golurile rămân localizate în stările energetice libere din zona de valență (banda de valență) care are o structură de nivele de energie provenită din nivelele atomice de valență ale siliciului. Domeniul de energii pe care le au electronii liberi formează banda de conducție.

În concluzie electronii “sar” între pozițiile rețelei pentru a umple vacanțele lăsate de electronii liberi. Ei se mișcă liber în zona de energii ce formează banda de conducție. Golurile se mișcă în banda de valență în sens opus, în exterior întotdeauna măsurăm un curent de electroni și nu de goluri.

Figura 1.3.4: Transportul de electroni

1.3.3. Structura de benzi

Nivelurile de energie au electronii dispuși pe atomi individuali, electronii de valență sau cei de pe ultimul nivel energetic sunt determinanți în inducerea de caracteristici a conducției materialelor.

Vaporii sau gazul (atunci când atomii sunt în stare liberă) au o configurație electronică conform descrierii din tabelul periodic cu semiconductorii grupelor III, IV si V (a), distanța dintre atomi reducându-se până la ajungerea unor valori de echilibru prin condensare și solidificare, fiind dependente de structura nivelurilor energetice a electronilor de valență și natura atomilor.

Figura 1.3.5 Etapele nivelelelor energetice ale atomilor

Nivelele energetice ale atomilor se separă în subbenzi de valență (electronii de valență) și benzi cu nivele energetice libere (banda de conducție – b,c,d,e), deși au o configurație electronică ns2p2 de natura interacțiilor reciproce și a miezului ionic, pe care o ocupă electronii de valență .

Distanța interatomică, diametrul atomilor, natura configurațiilor interne a resturilor de electroni(miezul ionic) este puternic determinată de lărgimea benzii interzise și natura conducției electrice.

Prin introducerea de impurități de genul Arsenicului și a Fosforului se substituie atomii de Siliciu inducând o creștere a numărului de electroni iar semiconductorul devine dopat n; Arsenicul și Fosforul sunt elemente din grupa a V-a a tabelului periodic, având 5 electroni de valență, 4 dintre ei făcând legaturi chimice cu atomii de siliciu adiacenți, iar al 5-lea rămânand neîmperecheat putând fi deplasat sub acțiunea unui câmp electric.Semiconductorii cu exces de electroni se identifică ca electroni de tip n.

Figura 1.3.6: Dopare de tip P

Figura 1.3.7: Dopare de tip N

Se pot forma 3 legături cu atomi adiacenți de siliciu dacă se introduce substițional atomii cu 3 electroni de valență (exemplu Al din grupa a-III-a și Ga), a patra legatură nu poate fi formată, având un “gol” în cristal sau o lipsă de electroni, acolo unde există loc liber electronii se vor deplasa spre acel spațiu pentru a îl completa așa cum se observă în figurile 2.8 si 2.9.

Figura 1.3.8 Figura 1.3.9

Golul lăsat în urma legăturii covalente “goale” va fi umplut de electronii ce se deplasează și care vor încerca să o completeze, astfel golurile par a se deplasa ca sarcini pozitive prin cristal, fiind definit un semiconductor de tip P.

1.3.4. ECHILIBRUL TERMODINAMIC AL PURTATORILOR DE SARCINI, POTENTIAL CHIMIC

Prin introducerea unei noțiuni care descrie echilibrul sarcinilor electrice din semiconductori intrinseci sau extrinseci (dopați) se va înțelege funcționarea joncțiunilor din celulele solare. Concentrațiile purtătorilor de sarcini sunt egale într-un semiconductor intrinsic, astfel încât la 0 K agitația termică este nulă, atunci când electronii ocupă un nivel maxim al energiei, iar golurile unui minim, concentrațiile fiind egale.

Pentru aceasta, termodinamica ne spune ca potențialele chimice ale celor două componente trebuie să fie egale, iar Enrico Fermi dezvoltând această teorie și 0 K fiind dedus, energia maximă pe care o ocupă electronii se află la mijlocul benzii interzise pentru semiconductorii intrinseci (AB).

Figura 1.3.10: Nivelul Fermi

Banda de conducție (BC) este zona de energii unde conducția electrică, adică mișcarea liberă a electronilor este posibilă, electronii cu astfel de energii “eliberându-se” de atomii originali și mișcându-se liberi prin cristal. Banda de valență (BV) este zona de energii unde conducția electrică nu este posibilă, electronii fiind legați de atomi. Banda interzisă este intervalul energetic dintre banda de valență și cea de conducție unde electronii nu pot rămâne, ei trebuind să câștige energie pentru a se face transferul în banda de conducție sau să piardă energie și să revină în banda de valență.

1.3.5. NIVELUL FERMI

Cel mai înalt nivel de energie din cristal care poate fi populat cu electroni la temperaturi de 0 K (Kelvin) este definit nivelul Fermi.Pentru realizarea conducției sunt disponibili electronii cu energie mai mare decât valoarea EF, invers ei fiind legați în structura cristalului. Semnificația cu potențialul chimic definit în termodinamic este identic cu nivelul Fermi.

Diagrama A – reprezintă un conductor electric (cupru sau argint), banda de conducție și banda de valență se suprapun, iar electronii trec liberi fără a fi necesar un supliment de energie.

Diagrama B – prezintă un izolator tipic (sticle, ceramici) electronii fiind localizați pe structura atomică și necesitând energii mari pentru a putea fi extrași în banda de conducție.

Diagrama C – reprezintă cristilul dopat N de tipul Si sau G, lărgimea benzii interzise fiind prezentă (0.53 eV), dar mult mai mică decât un izolator (>5 eV),în cristalul dopat N electronii au suficientă energie termică pentru a sări în banda de conducție astfel încât nivelul Fermi este deplasat înspre această bandă.

Diagrama D – reprezintă un semiconductor de tip P, impuritățile de tip P tind să atragă și să rețină electronii liberi, aceasta “trage” nivelul Fermi în jos spre banda de valență. Punerea în contact ai semiconductorilor de tip N cu tip P, duce la transferul reciproc de sarcini astfel încât nivelele Fermi ale celor două se “echilibrează” (egalitatea potențialelor chimice), în consecință benzile de conducție și de valență se deplasează spre atingerea unei noi stări de echilibru (diagrama E). Joncțiunea P – N va crea un câmp electric a cărui valoare maximă depinde de concentrațiile dopanților la interfața de contact dintre cei doi semiconductori care vor forma un strat de sarcini electrice(strat de baraj).

Sub acțiunea radiației incidente care generează perechi electron-gol, vor reduce bariera de potențial permițând “curgerea” unui curent electric, rezultând expunerea la lumină într-o celulă solară a semiconductorului n. Conversia cuantei luminoase în energie electrică poate fi făcută cu ajutorul semiconductorului pentru care excitarea electronilor și generarea de perechi electroni gol indusă de cuanta luminoasă are un puternic efect asupra conductivității. Nu este suficient ca electronii să fie excitați și să se miște liberi dacă nu există o forță care să îi pună în mișcare, forță care poate fi provocată de prezența unui gradient al potențialului electric cum ar fi cea în joncțiunea t-n a semiconductorilor dopați.

1.4. CONVERSIA ENERGIEI SOLARE ÎN ENERGIE ELECTRICÃ

1.4.1. EFECTUL FOTOVOLTAIC

Apariția unei tensiuni electromotoare într-un semiconductor iluminat definește efectul fotovoltaic.

Absorbția radiației incidente este determinată printre alte fenomene de către interacțiunea dintre un solid și undele electromagnetice, în ceea ce privește semiconductorii un mecanism de absorbție constă în tranziției unui electron din banda de valență în banda de conducție.

Creșterea conductivității electrice numită și fenomen de fotoconductibilitate(efect fotoelectric intern) crește odată cu numărul purtătorului de sarcini libere, astfel pentru producerea efectului fotovoltaic, o condiție necesară este generarea perechilor electroni – gol sub secțiunea luminii, dar care nu este și suficientă.

Redistribuirea purtătorilor noi de sarcină determină aparitia unei diferențe dintre suprafața iluminată și cea neiluminată, astfel încât redistribuirea poate fi determinată de:

Efectul Dember care reprezintă generarea neuniformă a purtătorilor de sarcină într-un semiconductor omogen.

Realizarea unui câmp intern local din semiconductor prin doparea diferită a acestuia (joncțiune p-n).

Gradientul timpului de viață al purtătorilor de sarcină.

Efectul fotoelectromagnetic prin prezența unui câmp magnetic.

Banda de conducție care este nepopulată de 0 K într-un semiconductor intrinsec, fiind separată de banda de valență ocupată printr-o bandă interzisă Eg determină valoarea minimă a intervalului de energie interzis prin diferența dintre valorile maxime a energiei în banda de valență și minime în banda de conducție.

În aproprierea marginei inferioare a zonei de conducție, pentru atomii donori, dar și în vecinătatea marginei superioare a zonei de valență pentru atomii acceptori se găsesc în zona interzisă nivelele energetice ale impurităților dintr-un semiconductor extrinsic.

Diferența de energie dintre marginea zonei de valență sau de conducție și nivelele impurităților mai mică de (≈0.01 eV) ajungând chiar și la temperatura camerei, determină ionizarea atomilor, lucru explicat prin creșterea conductibilității electrice determinate de impurități.

1.4.2. CARACTERISTICI ALE CELULE FOTOVOLTAICE

Sistemele fotovoltaice sunt sisteme ce produc energie electrică direct din radiația solară, ele produc energie electrică fără a consuma combustibili fosili. Joncțiunea p-n poate fi folosită pentru a converti radiația solară în energie electrică, celula solară fiind formată în așa fel încât materialul de tip p să poată fi expus la radiația solară incidentă de exemplu: prin expunerea unui strat subțire de material de tip p pe un semiconductor de tip n. În întuneric curentul total dat de joncțiune fiind zero.

Figura 1.4.1: Joncțiunea radiației solare

PRIMA GENERAȚIE :

Acestea au fost dispozitive unei joncțiuni constuite pe siliciu monocristalin, astfel joncțiunile p-n pe siliciu monocristalin ating limita teoretică în eficiență de 31%. Pentru bibliografie [Green, Martin A (în aprilie 2002), “Third generation photovoltaics: solar cells for 2020 and beyond” – “A treia generație de celule fotovoltaice: celule solare pentru 2020 și viitor”. Raportul de amortizare a investiției este estimat între 5 și 7 ani.

A DOUA GENERAȚIE:

Celulele solare în strat subțire, ele fiind rezultatul dezvoltării unor noi tehnologii alternative de producție, depunerile făcându-se din faza de vapori, electrodepuneri, pulverizare ultrasonică astfel implementându-se procese ce simplifică metodele de fabricație și costurile pe celula solară.

În cadrul celei de a doua generație de material care au avut succes se regăsesc: CdTe (telurida de cadmiu), CuInGaSe (seleni de Cu Indiu Cadmiu) , siliciu amorf, siliciu micromorfic, aceste materiale fiind depuse secvențial în filme subțiri pe subtraturi de sticlă, ceramic sau chiar plastice.

CIGS – cupru-indiu-galiu-diselenid, reprezintă un compus din grupele I-III-VI cu caracteristici de material semiconductor. Materialul având o soluție solidă de Cu-In-Se (abreviere CIS) și seleniura de galiu cu formula chimică CuInxGa(1-X)Se2, unde x are valorile între 0 si 1 cu o structură a semiconductorului tetraedrică de tipul calcopiritelor cu lărgimea benzii interzise variind continuu de la 1 eV (x=1, CuInSe) la 1.7 eV pentru CuGaSe (x=0).

Celulele DSC – sunt celulele solare cu sensibilizatori pe bază de coloranți, fiind descoperiți de Gratzel și sunt celule solare care exploatează transferul de electroni de la un colorant printr-un solid sub acțiunea radiației solare.

CdTe – reprezintă Teluridele de cadmiu și sunt utilizate ca ferestre optice în infraroșu si ca material pentru celule solare, de obicei se utilizează un “sandwich” de CdTe-CdS pentru formarea unui joncțiuni fotovoltaice p-n.

Comercializarea acestor produse tehnologice este în curs de dezvolare la început ea fiind ușor dificilă, în 2007 compania First Solar realizând o centrală fotovoltaică de 200MW din celule solare CdTe, apoi cei de la Wurth Solar comercializând GICS care produc 15MW, iar Nanosolar comercializează tehnologii GICS cu capacitate de producție de 430MW în 2009.

A TREIA GENERAȚIE:

Face referire la îmbunătățirea performanțelor electrice ale generației a doua (tehnologiile planare pe straturi subțiri) menținând prețurile de cost cât mai mici, astfel cererile curente au ca scop atingerea eficienței de conversie de 30 – 60%, astfel putând depăși limitele teoretice de conversie calculate pentru joncțiunea p-n pe siliciu monocristalin în anii 1960 de către Shockley și Queisser (limita Schockley), limita estimată de 31% pentru 1 soare (1370 W/m2).

O altă directivă este de a concentra radiația solară pe arii de celule fotovoltaice utilizând oglinzi Fresnel care pot atinge cu aproximație concentrații de 46000 sori și în consecință un randament mai sporit.Celulele fotovoltaice multijoncțiune sunt proiectate pentru a absorbi spectrul solar în domeniul IR – UV ceea ce le permite funcționarea și pe perioada nopții.

Tabel 1 Eficiența celulelor solare în funcție de tehnologia utilizată (compilare NIST-Japan

Astfel pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzis Eg are valori între 0,2 și 2,3 eV, deci producându-se tranziția electronului din B.V. in B.C. fotonii cu frecvențe de cel puțin:

(1)

Intervalul energetic 0,2-2,3 eV îi corespunde intervalul de lungimi de undă 6,2-0,5 µ, deci fotonii din domeniul vizibil și infraroșu sunt cei ce determină tranziția, astfel dacă notăm cu n0 și p0 concentrațiile electronilor și golurilor în lipsa iluminării și la echilibru termic, sub acțiunea unui câmp electric E apare un curent diferit :

1.4.3. COEFICIENTUL MASIC DE AER (AIM)

AIM se caracterizează printr-un spectru solar după ce radiația solară trece prin atmosferă, acesta fiind folosit la caracterizarea performanțelor celulelor solare în condiții standardizate definite de simbolul AM și un număr, spre exemplu AM1.5 este universal folosit pentru a caracteriza puterea generată de panourile solare.

Radiația solară este foarte apropiată de radiatorul ideal echivalentă cu radiația spectrală a unui corp negru la temperatura de 5800K, astfel radiația solară traversând atmosfera și reacționând cu anumiți compuși chimici care absorb anumite lungimi de undă din spectru, cel mai bun exemplu fiind absorbția ultravioletelor de către ozon în atmosfera superioară ce reduce dramatic cantitatea de lungimi de unde scurte care ajung pe pământ. O componentă mult mai activă o reprezintă vaporii de apă ce absorb spectrul solar pe diverse lungimi de undă, astfel oxigenul, dioxidul de carbon și azotul contribuie și ei la absorbția radiației solare, prin urmare spectrul solar ce ajunge pe suprafața pământului este restrâns între infraroșu îndepărtat și ultraviolet apropiat.

Un rol important îl joacă împrăștierea radiației în atmosferă, acest lucru realizându-se când soarele este la apus, drumul radiației este mai lung, iar împrăștierea radiației cu lungimi mici de undă este împrăștiată mai mult, fapt care îi dă soarelui la apus culoarea roșie datorită fenomenelor de împrăștiere, astfel pentru o grosime de l0 a atmosferei în funcție de unghiul de incidență a radiației θ, aceasta parcurgând un drum mai lung:

Spectrul solar în afara atmosferei este corespunzător radiației corpului negru la 5800K va avea AM0 semnificând “zero atmosfere”, celule folosite pentru tehnologia spațială cum ar fi comunicațiile prin satelit care sunt în general caracterizate folosind AM0, iar spectrul solar la nivelul apei atunci când soarele este perpendicular, coeficientul este AM1 ceea ce semnifică o atmosferă, iar celule solare pe bază de siliciu nu sunt sensibile la spectrul pierdut în atmosferă, ele fiind dependente de lărgimea benzii interzise care este corespondentă cu energia fotonilor din spectrul vizibil ca urmare celulele solare sunt mai eficiente la AM1 decât la AM0.

În general panourile solare operează sub o anumită grosime a atmosferei dacă soarele este incident sub un unghi de vizibilitate diferit de cel de la ecuator. Deoarece dezvoltarea celulelor solare este concentrată în SUA, Japonia și Europa se va lua în considerare standardul AM 1.5, adică 1.5 grosimea atmosferei ceea ce corespunde unui unghi de zenith solar de 480, acesta fiind considerat standardul terestru de caracterizare a panourilor solare, astfel rezultând că panourile solare ce operează la poli vor trebuie să folosească AM2, iar cele ce operează la altitudini mari AM<1.

Efectul de apariție a unei tensiuni electromotoare sub acțiunea energiei solare este denumit efect fotovoltaic și a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839, denumirea acestui efect provenind din cuvântul grecesc phos, care înseamnă lumină și din numele fizicianului Allesandro Volta, acesta fiind realizatorul primei baterii electrice din lume.

Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative(electroni) și pozitive(goluri) într-un material solid atunci când suprafața acestuia interacționează cu lumina, iar datorită polarizării electrice a materialului respectiv care se produce datorită acțiunii luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric în circuit închis, acele dispozitive care funcționează pe baza acestui fenomen sunt denumite celule fotovoltaice sau celule electrice solare, dar pentru a furniza o putere electrică rezonabilă, aceste celule nu pot funcționa individual ci trebuie legate în serie într-un număr cât 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 se pot realiza din mai multe materiale semiconductoare dar în proporție de 95% ele sunt realizate din siliciu (Si) reprezentând al doilea element chimic și cel mai răspândit în scoarța terestră, reprezentând circa 25% din aceasta rezultând că este disponibil în cantități suficiente fiind astfel și ieftin, în plus prelucrarea acestui material nefiind agresivă pentru mediul ambiant.

Figura 1.4.2: Structura energetică a materialelor semiconductoare

Datorită accesibilității acestor nivele energetice pentru electroni banda de valență este separată de banda energetică interzisă, reprezentând adevărate “bariere energetice” pentru electroni, astfel nivelul energetic cel mai ridicat dintre cele ocupate de electroni este denumit și banda energetică de valență sau mai simplu banda de valență.

Diferența de potențial energetic ∆E 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 ∆E=Ec-Ev, iar în cazul siliciului monocristalin, valoarea acestei bariere energetice este ∆E ≈1eV, iar în acest caz siliciu amorf poate să ajungă și la ∆E≈1.7eV, aceste valori ale barierei energetice reprezentând cuante de energie care se transmit electronilor de pe stratul de valență pentru ca aceștia să devină liberi astfel trecând pe banda de conducție, acest fenomen producându-se în cadrul celulelor fotovoltaice.

Pentru fabricarea acestor celule Si este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice pentru obținerea unui surplus de sarcini electrice negative(electroni) sau pozitive (goluri), astfel obținându-se straturile de siliciu semiconductoare de tip n, respective de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice care predomină. Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este de circa 0.3mm, iar grosimea stratului n este de circa 0.002mm, în mod uzual deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice amplasându-se un strat antireflexie, acesta având 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 având dimensiuni uzuale de 10x10cm și mai recent 15x15cm. Primele celule fotovoltaice au fost utilizate în 1958 pe satelitul Vanguard I, iar eficiența de conversie a energiei radiației solare în electricitate era de 10%, puterea totală a acelor celule fotovoltaice a fost cam circa 0.1W, dar până în 2005, puterea toată instalată pe planetă a panourilor fotovoltaice depășea 1GW=1.000.000.000W.

În prezent construcțiile de celule fotovoltaice au eficiențe în jurul valorii de 15%, ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută, acesta fiind motivul pentru care panourile fotovoltaice sunt amplasate predonderent în zonele caracterizate prin radiație solară intensă, dar cu toate acestea, țări cum ar fi 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.

După natura cristalină a materialului semiconductor utilizat la fabricarea acestora se disting trei tipuri de celule fotovoltaice:

Monocristaline obtinându-se sub forma de baghetă sau vergea, prin turnarea siliciului pur, aceste baghete se taie ulterior în placi subțiri care se utilizează în fabricația celulelor fotovoltaice, acest procedeu tehnologic asigurând cel mai ridicat nivel de eficiență a conversiei fotoelectrice, dar este și cel mai costisitor.

Policristaline se pot obține în urma unui proces de producție mai puțin ieftin, el constând în turnarea siliciului lichid în blocuri care ulterior sunt tăiate în plăci subțiri, iar în procesul de solidificare se formează cristale de diferite forme și dimensiuni la marginea acestor cristale apar și unele defecte de structură, astfel ca urmare a acestor defecte celulele fotovoltaice fabricate după această metodă sunt mai putin eficiente.

Amorfe , structură care se obține prin depunerea unui film extrem de subțire pe o suprafață de sticlă sau pe un substrat realizat dintr-un 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 apărând și numeroase defecte care diminuează performanțele electrice ale materialului, grosimea stratului de amorf de siliciu obținut prin această metodă este mai mică de 1 µm comparativ cu un fir de păr uman care are între 50…100µm.

Costurile de fabricație ale siliciului amorf sunt foarte reduse datorită creșterii extrem de reduse de material utilizat, dar eficient celulelor fotovoltaice, care utilizează siliciu amorf fiind mult redus decât a celor care utilizează structuri cristaline de material. Celulele fotovoltaice cu siliciu amorf utilizate la fabricarea echipamentelor cu putere redusă cum ar fi ceasurile, calculatoarele de buzunar sunt datorate costului redus. Performanțele celor trei tipuri de celule fotovoltaice din punct de vedere a conversie de energie a radiației solare în energie electrică se prezintă astfel:

Tabel 2

O parte semnificativă din fotonii care alcătuiesc radiația solară au un nivel energetic insuficient pentru determinarea trecerii electronilor de pe stratul de valență pe cel de conducție, astfel încât energia fotonilor cu nivel energetic prea scăzut se transformă în căldură și nu în energie electrică. Pe suprafața celulelor fotovoltaice pot apărea pierderi optice datorate reflexiei radiației solare sau pierderi datorate rezistenței electrice a materialului semiconductor, cablurilor electrice de legătură.

Defectele de structură a materialelor din care este realizată celula fotovoltaică înrăutățesc performanțele acestora astfel încât eficiențile maxime teoretice ale conversiei fotovoltaice care pot fi atinse în condiții optime, pentru diferite tipuri de materiale semiconductoare împreună cu valoarea “barierei energetice”, mai precis diferența dintre nivelul energetic al benzii de valență cu cel de conducție.

Figura 1.4.3 Eficiența teoretică și nivelul barierei energetice pentru diferite materiale semiconductoare

În figura 2.13 se poate observa valoarea eficienței teoretice a Si monocristalin fiind de circa 28% dar valorile acestor parametri pentru toate materialele se regăsesc sub nivelul de 30%.În prezent se caută soluții în ceea ce privește îmbunătățirea performanței celulelor fotovoltaice, dar și pentru reducerea costurilor de fabricație a acestora respectiv a panourilor care le conțin de către toți producătorii.

Utilizarea unor materiale noi cum ar fi: Galiu-Arseniu(GaAs), Carmiu-Teluriu(Cd-Te) sau Cupru-Indiu-Seleniu(CuInSe2) duc la realizarea într-o structură piramidală în care lumina incidentă lovește de mai multe ori suprafața celulei fotovoltaice duc la realizarea de suprafețe cu pierderi prin reflexii minime.

Având ca scop captarea energiei luminoase într-un domeniu de lungimi de undă cât mai larg au fost realizate celule fotovoltaice tandem construite din materiale semiconductoare diferite.

Prin intermediul unui sistem de oglinzi care fac parte dintr-un concentrator de lumină se poate mări intensitatea radiației luminoase, dar putându-se urmări și deplasarea soarelui pe cer. Realizarea eficientă a unei joncțiuni dintre un strat subțire de oxid și un semiconductor duce la producerea câmpului electric intern.

O altă tendință ar fi utilizarea celulelor Gratzel care sunt definite ca celule electrovoltaice cu lichid electrochimic care utilizează dioxid de titan ca electrolit și o vopsea specială ducând la îmbunătățirea procesului de absorbție a luminii.

1.5. ENERGIA SOLARÃ. PANOURI FOTOVOLTAICE ȘI APLICAȚII ALE CELULELOR FOTOVOLTAICE

Prin tehnica spațiala ce utilizează energie electrică produsă de celulele solare pornind de la aparate de uz comun putem enumera câteva aplicații cum ar fi:

Ceasurile de mână sunt cele dotate cu celule solare incluse în cadran care încarcă un acumulator cu litiu cu o independență de 150 – 240 de zile prezentând o scădere a capacității de maximum 20 % după o funcționare de 20 de ani, fiind produse de firma japoneză Citizen.

Calculatoarele de buzunar pot dispune de alimentare dublă de la baterie și celula solară sau alimentare simplă doar de la celula solară, caz în care pentru funcționare necesită o iluminare relativ puternică .

Lampadarul – montând pe un stâlp de iluminare un panou solar de circa 40Wc care alimentează o baterie de circa 50 Ah asigurând o autonomie de circa 5 zile a 8 ore de noapte astfel încât aprinderea și stingerea acestuia fiind asigurată de un programator inclus.

Balizele luminoase sunt corpuri de iluminat încastrate în asfalt care cu ajutorul unuia sau mai multor leduri pe baza energiei acumulate în cursul zilei prin intermediul luminii solare au o autonomie de 6-7 zile fără soare.

Pompa de apă – sisteme de panouri solare cu o putere cuprinsă între 80-1200wc alimentată prin intermediul unui panou de comandă, pompa elicoidală cu o înălțime de pompare de 5-230 metri și un debit de 0.8m3/zi -95m3/zi.

Automobilele solare sunt construite utilizând rezultate ale tehnicii spațiale tehnologia de fabricație a bicicletelor, industria de automobile și tehnologia energiei reînnoibile. Cadrul este realizat din materiale ușoare cum ar fi: fibra de carbon, fibra de sticlă, Kevlar asamblate prin lipire cu rășini sintetice(epoxidice), fiind purtătorul a sute de celule solare legate între ele, un astfel de ansamblu poate produce o putere de până la 2Kw(2.6 CP) într-o zi însorită(figura 1.5.1).

Figura 1.5.1: Automobil electric

Primul avion solar cu o greutate de 12 kg a fost Sunrise I având o putere de 450W furnizată de circa 1000 celule solare a efectuat primul zbor pe 4 noiembrie 1974,urmat de Sunrise II la 27 septembrie 1975 care este acționat de un motor de 600W fiind alimentat de 4480 celule solare. Pe 11 septembrie 1995 Pathfinder realizează recordul de zbor de 12 ore la o altitudine de 15.240 metri, pe 7 iulie 1997 la o altitudine 21.802 metri , iar în 1998 din Pathfinder ia ființă Pathfinder_Plus care are o putere instalată a celulelor solare de 7,5KW fiind alimentat de șase motoare cu 1.5KW putere fiecare(figura 1.5.2).

Figura 1.5.2: Avion solar Pathfinder

Satelitul Stardust care are o suprafață de panouri solare de 6,6 m2 ce stochează energia necesară în perioada de umbră în acumulatoare de tip nichel-hidrogen(NiH2) cu o capacitate de 16Ah.

Stația spațială internațională (ISS) este alimentată cu energie electrică având ca sursă celule solare care echipează 8 panouri desfășurate pe o lungime de câte 35.05 metri lunigme și 11.58 metri lățime cu o masă de 1.1 tona fiecare. Celulele solare sunt așezate în rânduri de câte 400 atingând un număr de 32800 pe o aripă, un panou furnizează stației 32,8 KW energie electrică cu o tensiune reglată la 140 W prin “Utility transfer assembly”(UTA)-transferul util al ansamblului. În perioada de eclipsă (35 minute din fiecare 90 minute a rotație pe orbită) energia este stocată în baterii de nichel-hidrogen care sunt proiectate pentru 38000 cicluri descărcare-încărcare, respectiv o durată de viață de 6,5 ani, panourile fiind orientate permanent către soare de sistemele BGA(Beta Gimbal Assembly)-asamblare gimbal beta și SARJ (Solar alfa rotary joint)-Articulație de rotație solară alfa, pentru maximizarea puterii furnizate(figura 1.5.3: Stația spațială internațională).

Figura 1.5.3: Stația spațială internațională

Panourile solare utilizate în regim casnic prezintă o importanță în cazul locuințelor izolate fără record la rețeaua de curent alternative. În sistemele mai evaluate opțional pe lângă panouri mai sunt montate si:

Baterie de acumulatori pentru livrarea energiei și în lipsa luminii solare, regulator de tensiune pentru prevenirea supraîncărcării bateriei, dispozitive de conectare în cazul descărcării sub limita acumulatorilor și dispozitiv de măsurare ce indică direcția de alimentare și cantitatea de energie propusă consumată.

Figura 1.5.4: Panouri solare utilizate în regim casnic

Pentru locuințele racordate la rețeaua de curent alternativ există posibilitatea teoretică a eliminării din schemă a bateriei de acumulatori, energia suplimentară fiind măsurată în ambele direcții la surplus sau lipsă cu ajutorul unui invertor.

În Austria la Gleisdorf din anul 1998 pe strada supranumită și strada energiei solare găsim arborele solar cu o înălțime de 17.3metri care are o structură de oțel de 12.7 tone pe care sunt montate 140 de panouri solare cu o producție anuală de 6650 kWh alimentând la rândul sau 70 de stâlpi de iluminare.

Figura 1.5.5: Arbore solar / Austria

CAPITOLUL II –REGLAREA TEMPERATURII ÎNTR-O INCINTÃ FOLOSIND ENERGIA SOLARÃ

STRUCTURA SISTEMULUI

Să se proiecteze un sistem de reglare a temperaturii într-o incintă folosind ca sursă de energie – energia solară. Panoul fotovoltaic, pentru atingerea unui randament maxim trebuie orientat după luminozitate maximă, soarele emitând în mod continuu cantități uriașe de energie. Pe pământ ajunge doar o parte din această radiație a soarelui, care pentru o zi este mai mare decât întregul consum al pământului pe durata unui an întreg ; totusi nu toată energia soarelui ajunge pe solul pământului, o parte din ea fiind absorbită de atmosfera sau reflectată înapoi în spațiu, iar în funcție de perioada zilei, locație, condiții meteorologice, intensitatea luminii ce ajunge pe pământ variază. Radiația solară ajunsă pe pământ este măsurată în Wh/m2 pe zi sau KWh/m2 pe an, având ca bază comună standard de calcul o putere de 1000Wh/m2 timp de o zi în cazul unei zile însorite, putere regăsită într-o zi de vară pe suprafața unui metru pătrat unde soarele este perpendicular cu acesta.

Figura 2.1

Radiația solară ce cade pe sol poate varia atât cu perioada zilei dar și în funcție de locație, mai ales în zonele de munte. În funcție de variațiile dintre locații datorate de diferențele de latitudine și condițiile meteorologice iradiația solară poate varia între 1000KWh/m2 pe an în țările din Europa de Nord și 2000-2500KWh/m2 în cazul zonelor cu deșert.

Figura 2.2 Raport intre consum si aport energetic pe 12 luni

Raza luminoasă parcurge o linie dreaptă de la Soare spre Pământ, astfel încât la intrarea în atmosfera Pământului o parte din lumină se împrăștie, o alta parte ajunge la sol într-o linie dreaptă, iar restul luminii este absorbită de atmosferă. Lumina împrăștiată în atmosferă este ceea ce noi numim lumină difuză sau radiația difuză. Raza de lumină ajunsă la suprafața solului fără să fie împrăștiată este cunoscută sub denumirea de radiație directă, aceasta fiind cea mai cunoscută și resimțită în mod direct de către oameni.

Radiațiile solare ajunse cu adevărat pe solul pământului într-o mică parte sunt identificate în figura 2.2:

În mod direct;

Absorbție;

Reflexie;

În mod indirect.

Un panou solar poate produce energie electrică chiar și atunci când nu există radiație directă astfel încât dacă este înnourat sistemul solar va produce energie electrică. Condițiile optime de obținere a energiei electrice sunt în zilele însorite și se obțin prin orientarea panoului direct către soare. Dacă nu se opteaza pentru sisteme de orientare automată în funcție de soare se va realiza un compromis în așezarea panourilor astfel încât pentru zonele care se regăsesc în emisfera nordică panourile vor fi orientate spre sud și cele pentru emisfera sudică vor fi orientate spre nord.

Datorită poziției geografice a României, radiația solară pe metru pătrat se situează între 900 și 1450 kWh în funcție de anotimp, astfel în timpul iernii putem capta până la 5kWh/m2 într-o zi senină, iar vara cantitatea de energie captată poate fi și de 5 ori mai mare datorită perioadei mai mari de insolație. Cantitatea de energie solară medie pe metru pătrat/zi (kWh/mp/zi) conform măsurătorilor NASA este dată în tabelul de mai jos și ne ajută la dimensionarea sistemului în funcție de necesitățile noastre și gradul de insolație al zonei.

Figura 2.4: kWh/mp/zi

2.2 SISTEME DE ORIENTARE

Soarele traversează cerul de la est la vest, iar panourile solare au un randament ridicat dacă sunt orientate perpendicular cu soarele la mijlocul zile atunci când intensitatea luminoasă este cea mai mare, majoritatea sistemelor solare fiind montate pe acoperiș într-un cadru metalic cu o poziție fixă ceea ce duce la nerealizarea urmăririi Soarelui. Unghiul dintre planul orizontal și panoul solar este numit unghi de înclinare.

Deoarece pământul se rotește în jurul soarelui există variații și în funcție de anotimpuri, soarele nu ajunge în același unghi pe sol atât iarna cât și vara. Poziționarea panourilor în timpul verii este mai orizontală decât pe timpul iernii, poziție ce dezavantajează producția de energie pe timpul iernii ceea ce va duce la un compromis între cele două situații, fiecare latitudine are un unghi de înclinație optim astfel încât în zonele foarte apropiate de Ecuator panourile pot avea un unghi de înclinație aproape de zero.

Unghiul optim pentru vară și iarnă poate fi reprezentat ca îin figura 3.3:

Figura 2.5

Radiații solare pe timp de iarnă;

Radiații solare pe timp de vară.

Un efect minor asupra producției de energie electrică pot avea deviațiile de 5 grade de la unghiul optim, iar efecte mai importante asupra sistemului fotovoltaic pot surveni prin diferențele datorate condițiilor meteorologice. Unghiul de înclinare poate fi ales în funcție de necesarul de energie electrică dintr-o anumită lună pentru sistemele independente.

Dispozitivul mecanic care permite panoului solar să urmărească curba descrisă de mișcarea soarelui pe cer este numic Panel Tracking(Sistem de urmărire a panoului), dispozitiv care permite obținerea unei puteri maxime a panoului fotovoltaic din menținerea în permanență a unui unghi optim de incidență a razelor solare pe suprafața panoului. În general ca energie produsă zilnic suplimentar din această metodă este cu 15% mai mare în perioada de iarnă, iar vara apropiindu-se de 30 %.

Producția maximă de energie din celule solare cu Siliciu se bazează pe monitorizarea curentului și tensiunii. Nu se poate produce energie constantă atunci când iluminarea solară este în continuă schimbare. Schimbări în diagrama curent-tensiune prin încălzirea modulelor solare sau iluminarea la intensități variabile, pot fi cauze importante ale scăderii de eficiență în generatoarele solare. În cazul în care invertorul care genereaza energie electrică compatibilă cu rețeaua AC nu este acordat cu tensiunea de ieșire și de curentul cu condițiile actuale , se va pierde mai mult din energia electrică produsă. De aceea, au apărut pe piață circuite electronice care se realizează urmărirea puterii maxime date de panoul solar (MPPT – Maximum Power Point Tracking) pentru a optimiza conversia energiei, precum și componentele electronice de by-pass, pentru a preveni ca modulele temporar neproductive să întrerupă producția celulelor active. Panourile solare au eficiență maximă în condiții ideale; puterea electrică generată la iluminarea aproape de Ecuator într-o zi senină, când energia de la Soare pe un metru pătrat din suprafața Pământului primește mai mult de 1 kW de putere. Condițiile reale de mediu sau nepotriviri de caracteristici electrice ale panourilor fotovoltaice (PV) reduc eficiența sistemului total.

Panourile compuse din celule conținând material fotovoltaic (adesea siliciu) realizează generarea de energie fotovoltaică, transformând radiațiile solare în curent electric. Motivul pentru alegerea unei instalații “Panel tracking ” în loc de a avea o instalație fixă este pentru a crește productivitatea de energie în timpul zile. Dacă este posibilă instalarea unui sistem de urmărire (tracker) crescând producția de energie (kWh) incluzând și greutatea suplimentară a sistemului de urmărire. Randamentul investițiilor de urmărire într-un sistem solar este de aproximativ 4-5 ani, în figura 2.4 se poate observa diferența între un panou fix și unul cu sistem de poziționare/urmărire, astfel observându-se că cel fix are o putere de absorbție mărită la aproximativ 2 ore după răsărit și având o cotă maximă pe la miezul unei zile, apoi scăzând și nu mai captează cu 2 ore înainte de apus, în schimb cel cu sistem de orientare poate să capteze de la răsărit până la apus și la o intensitatea maximă mult mai mare decât cea a celui fix.

Figura 2.6: Capacitatea de absorbție a panourilor fotovoltaice cu și fără reglaj automat

CAPITOLUL III

PREZENTAREA SOLUTIEI DE SISTEM DE ORIENTARE ADOPTAT

Având în vedere sistemul de poziționare al panoului în funcție de luminozitatea maximă pentru a avea un randament maxim, se va ține cont de panoul fotovoltaic, motoarele pas cu pas, capacitatea de încărcare a acumulatorului și gestionarea corectă a energiei prin intermediul controler-ului solar…

Figura 3.1: Schema cinematică a sistemului

Panoul fotovoltaic;

Motor pas cu pas numărul 1;

Motor pas cu pas numărul 2;

Roata dințată 1;

Roata dințată 2;

Casetă rulmenți;

Placa de susținere;

Roata dințată 3;

Roata dințată 4;

Rulmenți

Pe panoul fotovoltaic (1) se regăsesc două elemente de prindere și centrare în care este prinsă o tijă susținută de doi rulmenți aflați în caseta (6), la un capăt fiind fixată o roată dințată 1 condusă(4) dându-i o mișcare în jurul axei Z, angrenată de roata dințată (5) care este condusă de către arborele motorului MPP1(2) fixat pe o placă (7) și care îi dă o rotație în jurul axei Y de către o roată condusă (8) care la rândul ei este angrenată de către roata conducătoare (9) aflată pe rotorul MPP2(3),…

Panourile fotovoltaice în funcție de sistemele pentru care sunt folosite se împart în trei tipuri:

On-grid – reprezentând un sistem care debitează energia în sistemul energetic național;

Off-grid – reprezentând un sistem care acumulează energia și o folosește local;

Mixt – reprezentând un sistem care și debitează energia în sistemul național dar o poate și înmagazina în scopul folosirii la nivel local.

Sistemele on-grid pot fi ideale sub forma unei investiții de mare rentabilitate și siguranță pe un termen lung, beneficiarul ar putea să se raporteze la ele ca la o “pensie solară” întrucât sistemele fotovoltaice cu debitare în rețea pot genera venituri semnificative pe termen lung, dar amplasarea lor să fie în zone ideale pentru funcționarea acestora.(exemplu: pentru o investiție între 20.000 si 25.000 Euro, sistemul poate produce o rentă/pensie anuală între 5000 si 6800 Euro, durata de viață a sistemului fiind între 20 si 30 de ani).

Sistemele Off-Grid sunt cele mai potrivite pentru zonele în care lipsește sau se află la o distanță mare de rețeaua națională de distribuție a energiei, astfel rentabilitatea economică fiind justificată la distanțe mai mari de 1 kilometru față de cea mai apropiată linie de distribuție a energiei sau în cazul necesității unei surse de energie de rezervă/back-up. Sistemele de rezervă sau back-up își au rolul acolo unde rețeaua de distribuție funcționează instabil, din motive meteorologice sau geografice, sau în locații în care lipsa sau întreruperea energiei electrice poate genera pagube.

Sistemele mixte au rolul de a combina eficiența economică tipică sistemelor On-grid cu siguranța sistemelor Off-Grid neputând fi folosite ca sursă alternativă de alimentare. Sistemele Off-Grid și Mixte pot avea în componența lor atât turbine eoliene cât și panouri fotovoltaice, în acest mod mărindu-și eficiența tehnică.

Motoarele pas cu pas prescurtat MPP reprezintă un convertor electromecanic care realizează transformarea unui tren de impulsuri digitale într-o mișcare proporțional a axului sau, astfel mișcările rotorului unui MPP constau în deplasări unghiulare discrete, succesive de mărimi egale, aceștia fiind pașii motorului, astfel viteza unui motor pas cu pas poate fi reglată în limite largi prin modificarea frecvenței impulsurilor de intrare.

Avantajele și dezavantajele utilizării motoarelor pas cu pas:

Avantaje:

Pot asigura conversia numărului de impulsuri în deplasări și ca urmare pot fi utilizate în circuite deschise;

Au o gamă largă de frecvențe de comandă;

Au precizie de poziționare;

Permit porniri și opriri fără pierderi de pași;

Pot memora poziția;

Sunt compatibile cu comanda numerică.

Dezavantaje:

Viteza de rotație relativ scăzută;

Puterea dezvoltată la arbore de valoare redusă;

Au randamentul energetic scăzut.

Din punct de vedere al construcției circuitele magnetice sunt:

Motoarele pas cu pas cu reluctantă variabilă – atât statorului cât și rotorul sunt prevăzute cu dinți uniform distribuiți, pe dinții statorului fiind montate înfașurările de comandă, rotorul având rol pasiv, acest tip de motor poate asigura pași unghiulari mici și medii și poate opera în frecvențe de comandă mari, dar nu poate memora poziția.

Figura 3.2:Alimentarea unei singure faze a statorului

Figura 3.3: Alimentarea simultană a două faze successive

Motoarele pas cu pas cu magnet permanent au dinții rotorului constituiți din magneți permanenți și polii dispuși radial, astfel la alimentarea fazelor statorului se generează câmpuri magnetice care interacționează cu fluxurile magneților permanenți , dând naștere unor cupluri de forțe ce deplasează rotorul, acest tip poate memora poziția și are cuplu de menținere.

Motoarele pas cu pas hibride sunt o combinație între primele două tipuri, îmbinând avantajele ambelor și este variant majoritară în alegerea pentru diverse aplicații. În acest caz rotorul este constituit dintr-un magnet permanent, dispus longitudinal, la extremități fiind fixate două coroane dințate din material feromagnetic, dinții celor două coroane fiind decalați spațial astfel încât dacă un dinte al unei coroane se găsește în dreptul unui dinte statoric, dintele rotoric de pe cealaltă coroană să se afle la jumătatea unghiului dintre doi dinți statorici(figura 3.4).

Figura 3.4:MPP hybrid

Acționarea motoarelor pas cu pas se poate realiza prin comanda pașilor în mai multe moduri:

-Comandă în secvență simplă – când se alimentează câte o singură fază statorică AA’,BB’,CC’ (figura 3.2);

-Comandă în secvență dublă – când sunt alimentate simultan câte 2 faze: AA’+BB’,BB’+CC’ (figura 3.3);

-Comandă în secvență mixtă – presupunând alimentarea succesivă a unei faze AA’ urmată de alimentarea a doua faze, AA’+BB’, apoi a unei faze BB’, urmate de alte 2 faze BB’+CC’ etc.

-Comandă prin micropășire – reprezintă o metodă specială de control al poziției MPP în poziții intermediare celor obținuțe prin primele trei metode.

Din alt punct de vedere, referitor la menținerea/inversarea sensului sunt două moduri de comandă distincte:

Comandă unipolară, cu menținerea sensului curentului;

Comandă bipolară, cu alternarea sensului curentului.

3.2. PROIECTAREA MODELULUI CAD

3.3. MEMORIUL DE CALCUL

Pentru a afla elementele geometrice ale roților dințate cilindrice cu dinți drepți pentru o transmisie cunoscându-se modulul m=0.6mm dinstanța dintre axe A= angrenaj inferior/angrenaj superior, raportul de tranmistere i1,2=…

3.4. SIMULAREA FUNCȚIONÃRII SISTEMULUI

CAPITOLUL IV

4.1. STRUCTURA SISTEMULUI

Sistemul prezentata in figura …. Este format din ….

Panoul fotovoltaic

Panoul fotovoltaic ales este un panou fotovoltaic WoGer Solar 12v – 10w Off-Grid fiind ideal pentru această aplicație datorită independenței panoului față de rețeaua națională de distribuție, având următoarele caracteristici:

Putere maximă (Pmax)=10W;

Tensiune maximă (VMP)=18V;

Maxim de curent(Imp)=0.56A;

Tensiunea de circuit deschis (Voc)=22.18V;

Curent de scurt circuit (Isc)=0.63A;

Temperaturi de lucru=de la -40ºC la + 85ºC;

Rezistență la vânt (Pa)=2400;

Tip de culelule=poly-cristalin;

Max tensiune DC=1000V;

Toleranță= 3%;

Greutate= 1.1 kg;

Dimensiuni: 380x270x28 mm.

O mică umbrire de 10% poate duce la pierderi de 50% de energie. Modulul optimizator de putere SolarMagic maximizează potențialul energetic al fiecărui panou individual astfel se recuperează până la 57% din energia care s-ar pierde.

Controlerele electronice asociate panourilor solare garantează eficiența funcționării prin adaptare la schimbarea condițiilor de iluminare și prin a se asigura că celulele fotovoltaice și modulele funcționează aproape de vârful de putere posibil. Fiecare celulă solară are curba caracteristică curent-tensiune care reflectă răspunsul atât la temperatură, cât și la nivelul de lumină incidentă.

Celulele conectate într-un modul fotovoltaic pot genera o tensiune mare, dar curentul e foarte scăzut într-o zi înnorată sau de iarnă. Dacă nivelurile de tensiune cresc, tensiunea va scădea ușor, dar curentul va crește dramatic până când se apropie de nivelul său de vârf. Când modulul se încălzește, tensiunea de ieșire a modulului va scădea, reducând producția de energie în ansamblu. Ca rezultat, chiar și în timpul iluminării solare puternice, deși acestea ar trebui să aibă eficiența maximă, panourile fotovoltaice pot suferi o scădere considerabilă de eficiență de conversie, dacă circuitele electronice nu compensează aceasta, iar pentru aplicația noastra am ales un controler solar PV-10A cu următoarele caracteristici:

Tensiune de intrare: 10A/20A;

Tensiune nominală : 10A/20A;

25% supraalimentare: 1min;

Discontinuitatea sarcinei: 11.1V;

Reconectarea sarcinei: 12.6V;

Tensiune de egalizare(30 minute): 14.6V;

Stimularea tensiunii: 14.4V;

Tensiune de float???: 13.6V;

Temperatura comp(mV/℃): -30mV

Terminale : pentru fire de 6mm;

Temperatura : -35℃ pana la + 55 ℃.

DRIVERE MOTOR:

Are la baza circuitul L298N este un circuit monolithic a 15 linii Multiwatt și este un sistem de tensiune înaltă și curent înalt cu două punți duble , creat să accepte niveluri standard logice și drivere inductive cât și relee. Două intrări permit activarea sau dezactivarea independent de semnalele de intrare. Emițătorii de tranzistori mici de pe fiecare punte sunt conectați împreună și fiecare pentru terminalul extern poate fi folosit pentru conexiunea unui rezistor extern, o intrare suplimentară de alimentare este prevăzută cu o logică funcțională la o tensiune scăzută.

Figura 4.1: Diagrama bloc L298

Fișa tehnica L298:

Tensiune de operare până la 46V;

Curent DC total până la 4A;

Tensiune joasă;

Protecție pentru supraîncălzire

„o” logic tensiune de intrare până la 1.5V

Figura 4.2: L298

Tabel 4.1

Figura 4.3: Schema de conectare

Senzor curent A;

Ieșire 1;

Ieșire 2;

Sursă de tensiune Vs;

Intrare 1;

Permite 1/enable;

Intrare 2;

Masa/GND;

Sursă tensiune nivel logic -5V;

Intrare 3;

Permite 2/enable;

Intrare 4;

Ieșire 3;

Ieșire 4;

Senzor tensiune B

L298 poate integra doua etape a puterii de ieșire într-o configurație de punte și rezultatele sale pot conduce o sarcină inductivă în comun dar și în mod diferențial, în funcție de starea de intrare, astfel curentul care trece prin sarcină, iese prin puntea de ieșire permițând detectarea intensității în acel punct.

Tabel 4.2

Figura 4.7 Driverul motorului pas cu pas bipolar

Placa V10900 a fost creată pentru a conduce motoare pas cu pas unipolare (fie cu sau fără forțarea rezistorilor conectați), astfel pas întreg sau jumătate de pas sunt selectate, de asemenea și direcția și viteza ceasului extern prin conectorii logici. Intrări de activare și oprire sunt permi pentru a varia startul și stopul pentru implementarea funcției de pășire.

Figura 4.8: Schema driver V10900

Ceas 2

Ieșire

Ieșire +5V

Ceas extern

Intrare

Ceas placă de bază

Interfață logică sau pe placă +5v

Stop

Start

Selectarea direcției și modul de pășire

“Flag”

Încet=Stop

Sisteme de legături logici pot fi utilizate.

Arbore Motor???

Întoarce logica

Legat de placa de bază

Înregistrare forțată

Mișcările motorului

Blocul 1

Motorul poate necesita reglare suplimentară??

Încărcare logică (50-60HZ)

Sistemele fotovoltaice datorită independenței necisită stocarea energiei produse în acumulatori care să fie adecvați spațiului de lucru și puterii absorbite de către celule fotovoltaice, astfel cele mai utilizate sunt acumulatorii pe bază de litiu-ioni(Li-Ion) ele fiind noi dezvoltate, motiv pentru care prețurile încă sunt destul de mari și algoritmii controlelor de încărcare al invertoarelor de baterii nu sunt suficienți verificați.

Figura 4.9: Acumulator Litiu-Ion

Modelul folosit pentru aplicație este Sony SE US18650VT T 20A 18650 baterie litiu-ion, având urmatoarele caracteristici:

Li-ion 1600mAh18650 cell

Nume produs: SONY US18650VT C11 Lithium-ion Rechargable Battery

Model: 18650

Capacitate nominală: 1300mAh

Diametru: 18.0mm

Înălțime: 65.0mm

Greutate: 45g

Încărcare continuă maximă: 10A

Metoda de încărcare: Curent Continuu și Tensiune Continuă(4.2V)

Tensiune : 3.7V

Curent maxim de descărcare continuă: 20A

Temperatură de descărcare: -20ºC~ +60 ºC

Dimensiune: 65mm x 18 mm

Greutate netă: 45g

Rezistență: 16mΩ 

Folosită la diverse aplicații: dispozitive portabile, unelte electrice, torțe LED etc.

CAPITOLUL V

5.1.TEHNOLOGII DE FABRICAȚIE:

În cadrul primei etape a proiectării procesului tehnologic se stabilește rolul funcțional al piesei, care ne arată și proprietățile pe care trebuie să le îndeplinească piesa respectivă. După ce s-a determinat rolul funcțional, în continuare se alege materialul optim ce va fi folosit la obținerea piesei. O alegere optimă a unui material pentru o anumită destinație este o problemă foarte complexă, ce trebuie rezolvată de inginerul proiectant.

Concluzia este că dacă se doresc anumite proprietăți prestabilite, se realizează o proiectare a materialului cu o astfel de structură care să implice cerințele cerute de rolul funcțional. Cu alte cuvinte, se alege acel material care să îndeplinească cerințele minime de rezistență și durabilitateale ale piesei, în condițiile unui preț de cost minim și al unei fiabilități sporite.

Proprietățile unui material trebuie considerate ca o sumă de relații între material și mediul înconjurător în care va lucra.

Pentru o alegere rapidă a materialului se pleacă de la câteva date referitoare la :

Solicitările din timpul exploatării;

Condițiile de exploatare;

Clasa din care face parte piesa;

Condițiile de execuție.

Pentru realizarea piesei „Arbore”, ținând cont de proprietățile funcționale și de cele tehnologice ale acesteia, materialul optim ales este AlSiMg.

MATERIAL

Din STAS-ul înscris la rubrica “materialul piesei” din DEP se scot caracteristicile materialului piesei:

Compoziția chimică;

Starea de livrare;

Proprietățile mecanice: rezistența la tracțiune, duritatea în stare normalizată, duritatea în stare recoaptă, duritatea în stare îmbunătățită;

Compoziția chimică a aliajului AlSiMg, conform STAS, se prezintă în Tabelul 5.1 și Tabelul 5.2:

Tabelul 5.1

Tabelul 5.2

Proprietăți mecanice

Proprietațile mecanice se referă la modul în care se comportă un material sub acțiunea unor forțe exterioare cum ar fi:

Duritatea;

Reziliența;

Plasticitatea;

Elasticitatea;

Alungirea;

Rezistența la rupere

Rezistența la oboseală

Starea de livrare – sub formă de bare extrudate.

Caracteristice mecanice ale barelor extrudate din aliaje de aluminiu, funcție de starea de livrare, se prezintă în Tabelul 5.3:

Tabelul 5.3

M – fără tratament termic;

TF – tratament de punere în soluție, urmată de călire și îmbătrânire artificială.

5.1.2. PROCEDEU RECOMANDAT PENTRU OBȚINREA SEMIFABRICATULUI

Fig. 5.1 – Adaos de prelucrare

Pentru barele din metale și aliaje neferoase, valorile adaosurilor din Tabelul 5.4 se vor înmulți cu 0,8 … 0,85.

Diametrul barei pentru arborii în trepte se va determina după treapta cu diametrul cel mai mare: la diametrul final nominal al treptei cu secțiunea maximă se adaugă adaosul total din tabel, iar valoarea obținută se rotunjește până la diametrul cel mai apropiat, conform STAS 333-87, respectiv STAS 1800-80.

Pentru barele laminate neîndreptate, adaosul de prelucrare se va majora cu mărimea necesară pentru compensarea curbării de 5mm/m pentru baze ø>36 mm, respectiv de 10mm/m pentru ø < 36mm.

Tabelul 5.4

Observații:

Lungimea de debitarea a semifabricatului l este:

l=l0+2Ap

unde lo – lungimea piesei finite.

Pentru semifabricate debitate care nu se supun prelucrării fețelor frontale ale capetelor,

l=l0.

Lungimea de material consumată pentru debitarea unei singure piese este:

L=l0+2Ap+B

unde B – lățimea sculei de tăiere.

Lungimea de material consumată pentru debitarea a n piese (dacă nu rămâne rest de material) este:

Ln=n(l0+2Ap+B)-B

La debitarea din bară pe strung universal sau strung revolver:

Ln=n(l0+2Ap+B)+lp

unde lp- lungimea restului de material, necesară pentru prinderea barei în mandrină la tăierea ultimului semifabricat;

lp= 30-45 mm pentru prinderea în mandrina universală;

lp= 20-90 mm pentru prinderea în bucșa elastică a strungului automat.

Calcule:

Lungimea de material consumata pentru debitare unui arbore este:

n=4
l0=58mm
Ap=1mm

B=2mm

Ln=4(58+21+2)-2

Ln=246mm

Adaosuri de prelucrare pentru strunjirea de finisare și rectificarea suprafețelor frontale plane ale arborilor, în mm, sunt prezentate în Tabelul 5.5:

Tabelul 5.5

5.2. PROIECTAREA PROCESULUI TEHNOLOGIC DE EXECUȚIE A PIESEI

5.2.1. ANALIZA POSIBILITĂȚILOR DE OBȚINERE A CONDIȚIILOR TEHNICE PENTRU FIECARE SUPRAFAȚĂ A PIESEI

Tabelul 5.6:

Figura 5.2: Cote si tolerante arbore

Figura 5.3: Numerotarea suprafetelor

PROCESUL TEHNOLOGIC. STABILIREA SUCCESIUNII OPERAȚIILOR DE PRELUCRARE A PIESEI

Operațiile de prelucrare ale piesei sunt următoarele:

Strunjire

Strunjire frontală;

Strunjire cilindrică ø5 mm x 14 mm;

Strunjire cilindrică ø4 mm x 6 mm;

Teșire 0,5 mm x 450;

Filetare M4 x 4 mm;

Retezare din bară 58 mm;

Strunjire

Strunjire frontală;

Strunjire cilindrică ø5 mm x 14 mm;

Strunjire cilindrică ø4 mm x 6 mm;

Teșire 0,5 mm x 450;

Filetare M4 x 4 mm;

Frezare 2,4 mm x 6 mm;

Debavurare, curățare;

Control final.

CALCULUL ERORILOR DE ORIENTARE

Se alege suprafața a 6a a piesei (plană laterală) având iT12 și se efectuează calculul erorii de orientare în dispozitiv:

Pentru iT12, k=0.6

Operația este aceea de frezare.

Tcr=300=0.003

Deoarece BO=BM, rezultă că

Cum rezultă că eroarea de orientare este admisibilă.

Toleranța de execuție se adoptă din Tabelul 5.7, tabelul toleranțelor fundamentale.

Tabel 5.7