021 - Laborator 002 - Conversia Fotovoltaica
description
Transcript of 021 - Laborator 002 - Conversia Fotovoltaica
Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�
1/7
CONVERSIA FOTOVOLTAIC�
2.1. Considera�ii generale În urma reac�iilor termonucleare de transformare a hidrogenului în heliu care au loc în Soare la o temperatur� de cca. 20000000 ºC, se degaj� în mod continuu în spa�iul cosmic un flux de energie radiant� de cca. 8,8·1025 cal/s. Într-un interval de 20 de minute, Soarele furnizeaz� echivalentul consumului energetic anual al omenirii.
Cantitatea de energie care vine de la Soare, �i cade în unitatea de timp pe o suprafa�� unitar�, dispus� perpendicular pe razele solare se nume�te constant� solar� (E0), valoare standard pentru constanta solar� E0 = 1353 W/m2.
Conversia fotovoltaic� reprezint� conversia direct� a radia�iei solare în energie electric� cu ajutorul celulelor solare. Orice corp solid are o re�ea cristalin� realizat� din atomi ioni sau molecule fiecare dintre aceste particule reprezentând un sistem cuantic format din nuclee �i electroni.
Atomul este alc�tuit dintr-o regiune central�, foarte dens� care constituie nucleul �i o zon� în jurul acestuia, în care se învârt electronii, care constituie înveli�ul electronic (figura 2.1).
Fig. 2.1. Atomul
Orice material este caracterizat în func�ie de modul de interac�iune al atomilor de nivele energetice dispuse în banda de conduc�ie (BC), banda de valen�� (BV) �i band� interzis�.
2.2. Clasificarea materialelor dup� structura benzilor de energie a. Materiale electroizolante La 0º K izolantul are banda de valen��
complet ocupat� iar banda de conduc�ie complet liber�, deci este imposibil s� se stabileasc� un curent de conduc�ie.
∆WF > 3 eV La temperatura mediului ambiant se constat� c� datorit� benzi interzise Fermi, destul de lat�, probabilitatea de trecere a unui electron de valen�� din banda de valen�� în banda de conduc�ie este extrem de mic�. b. Semiconductori În cazul semiconductoarelor banda de valen�� este complet ocupat� cu electroni, banda de conduc�ie este complet liber�, îns� l��imea benzi interzise este considerabil mai mic�.
BAND� DE VALEN��
BAND� DE CONDUC�IE
FERMI > 3 eV
BAND� DE INTERZIS�
∆∆∆∆WF
E
Fig. 2.2. Materiale electroizolante
Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�
2/7
c. Metale Metalele nu au band� interzis�. Banda de conduc�ie este lipit� de o band� permis�
superioar� sau suprapus�.
Semiconductoarele sunt materiale care devin conductoare de electricitate când sunt
supuse ac�iunii luminii sau c�ldurii, dar care func�ioneaz� ca izolatoare la temperaturi sc�zute. Peste 95% din celulele solare existente în lume sunt realizate din siliciu (Si) ca material
semiconductor. Aducerea unui electron în starea de conduc�ie înseamn� trecerea electronului din banda
de valen�� în banda de conduc�ie. Dac� de pe un nivel oarecare din banda de valen�� a plecat un electron atunci r�mâne o stare energetic� liber� care poart� denumirea de gol. Acest gol poate fi ocupat de un electron vecin, cel mai apropriat dar în locul de unde a plecat electronul se formeaz� un gol, care la rândul lui va fi ocupat de un alt electron. Deci putem spune c� exist� o circula�ie de sarcin�.
Doparea sau impurificarea const� în introducerea controlat� de elemente chimice (atomi diferi�i) în re�eaua cristalin� a materialului semiconductor cu scopul de a ob�ine un surplus de sarcini pozitive rezultând semiconductorul de tip p sau un surplus de sarcini negative rezultând semiconductorul de tip n.
Impurit��ile pot fi: ��impurit��i donoare – donori - care dau nivele energetice mai apropiate de banda de
conduc�ie. Energia de ionizare a nivelelor donare este (0,01 ÷ 0,2) eV, astfel c� electronii pot fi transfera�i u�or de pe un nivel energetic donor în banda de conduc�ie. Din acest motiv, ace�ti semiconductorii se numesc semiconductori electronici sau de tip n. De exemplu un semiconductor de Si care este tetravalent impurificat cu un atom pentavalent, arseniu sau fosfor.
��impurit��ile acceptoare - care dau nivele energetice mai apropiate de banda de valen��. Aceste nivele pot primi u�or electroni din banda de valen��, l�sând în urma lor goluri libere care pot participa la conduc�ia electric�. Semiconductorii cu impurit��i acceptoare sunt numi�i semiconductori cu goluri sau de tip p. De exemplu un semiconductor de Si care este tetravalent impurificat cu un atom trivalent, bor sau aluminiu.
BAND� DE VALEN��
BAND� DE CONDUC�IE
BAND� DE INTERZIS� ∆∆∆∆WF
E
Fig. 2.3. Semiconductori
BC
E
BV
Regiune de suprapunere
Fig. 2.4. Metale
Fig. 2.5.
BC
BV
zona
interzis�
+
Nivel FERMI
-
Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�
3/7
Fig. 2.6. Fenomenul de dopare
Semiconductoarele mai pot fi intrinseci �i extrinseci. Semiconductori intrinseci – sunt semiconductorii care nu con�in impurit��i
(semiconductor pur) �i la echilibru termic, num�rul de electroni liberi este egal cu num�rul de goluri. În aplica�iile practice un semiconductor pur este deci un izolator. Semiconductori extrinseci – sunt semiconductorii care con�in impurit��i (majoritatea compu�ilor naturali).
2.3. Efectul fotovoltaic. Celula fotovoltaic� În�elegerea efectului fotovoltaic este legat de cunoa�terea fenomenelor care au loc în
jonc�iunea p-n a dou� materiale semiconductoare unul de tip "p" �i altul tip "n" ob�inute prin impurificare. În aproprierea jonc�iunii are loc o difuzie a purt�torilor de sarcin� majoritari dintr-o regiune în cealalt� regiune, unde sunt minoritari. Astfel golurile din regiunea p se deplaseaz� c�tre regiunea n �i invers – electronii din regiunea n se deplaseaz� c�tre regiunea p. Se stabile�te astfel o regiune cu sarcin� spa�ial� – pozitiv� în regiunea "n" �i negativ� în regiunea "p" - în imediata apropriere a jonc�iunii, restul semiconductorului r�mânând neutru.
nivel energetic al donorilor
nivel energetic al acceptor
EC
EV
+ + + + + + + +
- - - - - - - -
+ + + + + + + +
- - - - - - - -
BC electroni liberi
donori
Ed
Ea
BV goluri libere
acceptori
+ - +
-
-
+ + -
hν
IL
Id
iE�
R
U
I p n
Fig. 2.7. Efectul fotovoltaic intern
Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�
4/7
Regiunea de sarcin� spa�ial� va da na�tere unui câmp intern Ei orientat de la regiunea n spre regiunea p. Acest câmp intern se opune trecerii purt�torilor de sarcin� majoritari (golurile din regiunea p �i electronii din regiunea n) prin planul jonc�iuni generând o barier� de poten�ial.
Presupunem c� jonc�iunea p-n este expus� unei radia�ii incidente. Aceast� radia�ie putând fi echivalat� cu un flux de fotoni care au energia:
Wf = hν (2.1) h – constanta lui Planck; ν - frecven�a radia�iei.
Dac� energia fotonului este suficient de mare, atunci în urma coliziunii fotonului cu un
atom, electronul din banda de valen�� va trece în banda de conduc�ie, devenind liber, generând totodat� un gol în re�eaua cristalului. Astfel, sub ac�iunea fotonului are loc generarea de perechi electroni-goluri, efectul numindu-se efect fotovoltaic intern.
În regiunea jonc�iunii îns�, sarcinile sunt separate pe baza câmpului electric, apare astfel un curent IL prin jonc�iune, care circul� de la semiconductorul de tip n la semiconductorul de tip p care va duce la o c�dere de tensiune U pe sarcina R conectat� la borne. Tensiunea U, la rândul ei, provoac� prin jonc�iune un curent direct Id în sens opus curentului IL.
Curentul prin jonc�iune va fi:
��
�
�
��
�
�−−=−= 1eIIIII TU
U
0LdL (2.2)
IL – curentul care apare la separarea sarcinilor pe baza câmpului electric în regiunea jonc�iuni;
Id – curent direct în sens opus curentului Is care apare datorit� tensiunii U; I0 – intensitatea curentului de satura�ie la polarizarea invers�;
UT – tensiunea termic� corespunz�toare temperaturii de func�ionare a jonc�iunii:
eTk
UT
⋅= ;
k – constanta lui Boltzmman; T – temperatura absolut�; e – sarcina electronului; U – c�derea de tensiune pe rezisten�a exterioar�;
Caracteristicile celulei fotovoltaice pentru diferite valori ale radia�iei solare sunt
prezentate în figura 2.8.
Fig. 2.8. Caracteristicile celulei fotovoltaice a - la varia�ia radia�iei solare; b - la varia�ia temperaturii
E=1000W/m2
700W/m2
500W/m2
A I
0
1
2
3
4
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
U
a.
A I
4
3
2
1
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
U
Temperatura, °C 75 25 0
b.
Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�
5/7
Puterea maxim� are expresia:
M
2ML
M
M
L
0LMMMM eUkT
UIeeUkT
eUII
1IUIUP+
⋅⋅≅
+⋅���
����
�+⋅⋅=⋅= (2.3)
Sistem fotovoltaic, Escuain (Puertolas, Aragon, Spain)
Centru de afaceri solar, Doxford International 2.4. Analiza energetic� �i economic� a unui sistem hibrid Energia solar� sau eolian� pentru alimentarea unei case de vacan�� este una din cele
mai comune aplica�ii a energiei alternative aflat� într-o zon� f�r� acces la re�eaua public�. Pentru a determina pre�ul de cost al sistemului propus este necesar sa determin�m care
sunt consumatorii care vor folosii aceasta energie �i care este intervalul de timp în care ei func�ioneaz�.
Consumatori de curent alternativ
(AC)
Putere
(W)
Ore de func�ionare
pe Zi
Zile de func�ionare s�pt�mâna
Consumatori
de curent continu (DC)
Putere
(W)
Ore de func�ionare
pe Zi
Zile de func�ionare s�pt�mâna
Frigider 200 10 7 Bec 11 W – 4 buc 44 2 7
Televizor color 150 4 7
Receptor satelit 30 4 7
Radio-CD player 35 6 7
Rezerva de energie 50 3 7
Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�
6/7
Loca�ia dispune de urm�toarele caracteristici de poten�ial energetic: ��energie solar� timp de 4,5 ore pe zi; ��vânt continuu la 12m/s timp de 4 ore pe zi.
Pentru deservirea acestor consumatori sistemul poate folosi panouri solare sau un
generator eolian ( turbina eoliana) care trebuie sa produc� tot necesarul de energie electric�. Ace�ti consumatori au nevoie de 4 kWh pe zi timp de 7 zile pe s�pt�mân� sau putem
considera aproximativ un consum de 124 kWh/lun�. Sistemul are o autonomie de 2 zile, adic� poate furniza energia necesar� timp de 2 zile
chiar dac� nu avem nici un aport de energie de la panourile solare fotovoltaice sau turbina eolian�.
Investi�ia estimat� în sistemul hibrid (fotovoltaic+eolian): este:
Nr. crt. Echipament Pre�/buc.
[Euro] Cantitatea Pre� total [Euro]
1. Panou fotovoltaic 165W 751 10 7510,00 2. Turbina eoliana 2500 1 2500,00 3. Acumulatore 398 10 3980,00 4. Invertor 485 1 485,00 5. Regulator 260 2 520,00
TOTAL SISTEM 14995,00
+ -
�i/sau
Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�
7/7
2.5. Con�inutul lucr�rii În aceast� lucrare se prezint� o celul� fotovoltaic� cu ajutorul c�ruia se realizeaz� conversie energiei solare în energie electric�.
Fig. 2.9. Celula fotovoltaic� PS – panou solar (celula fotovoltaic�); R – reostat; V – voltmetru de cc; A – ampermetru de cc;
2.6. Chestiuni de studiat
În urma conversie energiei solare în energie electric� se va citi pe aparatele de m�sur� curentul I tensiunea iar puterea se va calcula cu rela�ia:
P = U · I (2.4) M�rimile achizi�ionate �i calculate se vor trece în tabel urm�tor:
Tabel 2.1. Date achizi�ionate
Nr crt. I U P [mA] [V] [mW]
Cazul 1. Cazul 2. Cazul 3. Cazul 4.
Se va trasa caracteristica I – U a celulei fotovoltaice.
R •
• •
PS radia�ii solare
A
V •