Conversia energiei solare in energie electrica

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi,Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică

AplicatăIngineria Sistemelor Electroenergetice

LUCRAREDE LICENŢĂ

ÎNDRUMĂTOR:Prof.univ.dr.ing.

ABSOLVENT:

IAŞI, 2011

Conversia energiei solare în energie electrică

Conversia

energiei solare în

energie electrică

2


Cuprins

Capitolul I

1 Introducere.................................................................................................................5

Capitolul II

2. Importanţa surselor regenerabile............................................................................10

Capitolul III

3. Efectul fotoelectric..................................................................................................21

3.1 Conversia fotoelectrică energie solare..................................................................27

3.2 Electul fotoelectric în homojoncţiune p-n……………………………..……...…27

3.3 Caracteristicile energetice ale fotocelulelor..........................................................30

3.4 Particularităţile heterojoncţiunilor semiconductoare............................................33

3.5 Particularităţile joncţinilor metal-semiconductor.................................................30

3.6 Factori limitativi ai eficienţei celulelor solare......................................................35

3.7 Pierderi de energie datorate recombinarii.............................................................36

3.8 Tipuri de celule solare...........................................................................................37

3.8.1 Celule solare cu siliciu.......................................................................................37

3.8.2 Celulele solare pe bază de sulfură de cadmiu....................................................39

3.8.3 Celulele solare pe bază de GaAs........................................................................40

3.8.4 Celule fotovoltaice cu siliciu cristalin................................................................40

3.8.5 Fotocelule cu siliciu amorf hidrogenat (a-Si:H).................................................41

3.8.6 Celule solare pe bază de CdS.............................................................................43

3.8.7 Celule solare din GaAs………………………………………………...........…44

3.9 Noi tendinţe in fabricaţia celulelor fotovoltaice...................................................45

3.10 Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute prin efect fotovoltaic.............46

3.11 Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu si alternative...........47

3


3.12 Sistem hibrid pentru producerea şi utilizarea simultană a curentului continuu şi

alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice ...................................................47

3.13 Sistem fotovoltaic racordat la reţea.....................................................................49

Capitolul IV

4. Prezentarea instalaţiei din laborator.........................................................................50

4.1 Componentele principale.......................................................................................50

4.2 Sisteme conectate la linia electrică(conectate la reţea)…………….……….........53

4.3 Curbele caracteristice a generatoarelor fotovoltaice..............................................53

4.4 Modul de conectare a celor două module..............................................................58

4.5 Conexiunile electrice între module…………………………………………....…59

4.6 Convenţia semnelor privind curenţii……………………………………..……..…60

4.7 Sistemul de control al transferului de putere între modulele fotovoltaice……..….61

4.8 Specificaţii electrice şi curbele caracteristice…………………………….………..61

4.9 Diagrama electrică a interconexiunilor dintre celule...............................................62

4.10 Determinări experimentale....................................................................................63

4.10.1 Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic........................................63

4.10.2 Funcţionarea în sarcină a instalaţiei de conversie a radiaţiei solare....................67

4

1


IntroducereEnergia primită de pământ de la soare a avut o importanţa deosebită în apariţia vieţii. Lumina

soarelui a remaniat atmosfera primitivă a pămantului saracind-o de dioxid de carbon şi îmbogaţind-o

în oxigen. Prin fotosinteza, procesul în care lumina absorbită de clorofila este utilizată la sinteza

unor compusi organici şi eliberarea simultana de oxigen in atmosfera.

Locul şi mareţia soarelui în activitatea terestra sub toate formele sale, i-a conferit de-a lungul

timpului statut de obiect venerat. Egiptenii antici aveau o concepţie asupra lumii care plasa soarele în

centrul universului. Ei adorau soarele cel mai presus zeu al lor, Ra, despre care afirmau ca a fost

creatorul lumii. Aztecii şi celelalte popoare din America Centrala au observat sistematic cerul si

puteau să prevada eclipsele solare şi lunare, ciclurile planetei Venus, miscarea aparenta a

constelaţiilor şi alte eveniment ceresti. Înca din antichitate omul a utilizat energia solara : Heron din

Alexandria a construit un dispozitiv pentru pomparea apei care folosea ca sursa primară de energie

soarele ; despre Arhimede se spunea că a incendiat flota grecească folosind oglinzi care au

concentrat razele soarelui pe panzele corabiilor. Castelul din Montezuma, din Arizona, construit în

jurul anului 700 e.n. sub o intensa boltă de stancă, pare o constructie climatizata utilizând energia

solara. Dar conceptul propriu-zis de energie termo – solara a aparut in 1787 cand omul de ştiinta

elvetian Horace de Saaussure a inventat primul colector solar.

Deşi efectul fotovoltaic a fost descoperit în anul 1839 de catre Edmond Becquerel şi prima

celula fotovoltaica a fost patentata in 1884 de un electrician din New York, Charles Edgard Fritts,

istoria celulelor fotovoltaice moderne începe abia în anul 1954 cand, Bell Laboratories echipa

Chapin, Fuell si Pearson construiesc prima celula fotovoltaica din siliciu. Primele celule fotovoltaice

şi-au gasit aplicaţie la alimentarea satelitilor artificiali. Aplicatiile terestre au urmat imediat : la

început acestea au fost ce numim azi aplicatii profesionale, furnizand mici cantitaţi de energie unor

echipamente de monitorizare si telecomunicaţii. Probabil una dintre cele mai atragatoare aplicaţii a

aparut la sfarşitul secolului XX prin integrare celulelor fotovoltaice în elementele de acoperiş şi

faţada ale cladirilor, determinand o noua formă de centrala electrică şi anume centrala distribuită.

5


Totuşi este evident ca de-a lungul istoriei omenirea s-a orientat spre utilizarea altor surse de

energie : lemn, apă, carbune, petrol. Acest fapt este explicabil datorită tehnologiilor simple şi

accesibile de exploatare a acestora. În plus şi azi mai exista reticiente în a considera energia solară,

sursa alternativă globală de energie.

Aparent, scepticii au argumente suficient de solide : dependenţa energiei solare de poziţia

geografică şi esenţial de condiţiile climatice, discontinuitatea sursei datorită ciclului natural zi –

noapte, dependenta de fenomene meteorologice aleatoare. Pe langă aceste fenomene naturale care nu

pot fi influenţate, exista o alta categorie de probleme legate de tehnologie care îşi asteaptă

rezolvarea : randamentul nu poate fi ridicat de conversie a energiei solare în energie electrică ţi

problemă delicată a stocarii acesteia.

Ultimele decenii au dus o schimbare radicală în plan concepţional prin conştientizarea

necesitaţii unei dezvoltari durabile a vieţii economice şi sociale, promovarea surselor regenerabile de

energie fiind considerată un element cheie. Din aceste surse, electricitatea obţinutâ prin conversia

energiei solare pare una dintre cele mai promitatoare surse de energie.

În prezent, generatoarele fotovoltaice sunt o realitate, ele functionand pe întregul glob şi

chiar mai mult sunt unică sursă de energie a sateliţilor şi Statiei Orbitale Internationale. De asemenea

în multe ţari se desfasoara programe ample de cercetare şi subventionale pentru a determina preturi

atractive de vanzare a energiei electrice obţinute pe cale solara. Atât problema disponibilului de

energie şi implicit, a costului ei, cât şi influenţa negativă a industriei energetice asupra naturii, au

stimulat un intens efort de cercetare şi inovare în acest domeniu de finalitate asupra solutiilor tehnice

de producere şi utilizare a energiei şi în direcţia implicarilor sociale şi chiar etice a consumului de

energie.

Unul din numeroasele aspecte, poate fi cel mai important, este utilizarea eficienta a energiei,

procedeu garantat de reducere a cererii de energie raportată la dezvoltarea economică. Anii scurşi de

la prima manifestare cu caracter de criza din energetica mondiala – criza petrolului din 1973 – au

fost bine folositi în acest sens de catre ştiinţa, care a reusit să pună la dispozitia consumatorilor

tehnologii cu randament energetic sporit şi cu consumuri specifice tot mai reduse. Aspectele

enuntate doar, aici, cuprind, în fapt, o problematica foarte largă, complexa şi importantă, care face

obiectul stiintei energetice.

Energia este un factor indispensabil al oricarei activitaţi a omului în societate, este, în prezent

mai scumpă şi mai dificil de obţinut decât în urmă cu un sfert de scol. Această realitate se manifestă,

în condiţiile complexe din lumea de azi, prin aspecte noi, atât cantitative, care privesc dimensiunile

rezervelor de agenţi energetici, cât şi calitative, prin penetrarea unor surse de enrgie sau procedee de

6


coversie a acesteia. Va puteţi imagina viaţa fară televizor, automobil sau computer, fară posibilitatea

de a va pregati zilnic hrana, fară încalzire în timpul rece al anului etc. ? Toate acestea sunt rezultatul

activitaţii creative a savanţilor şi inventatorilor, în special în ultimii 200 de ani. Toate acestea pot să

dispară, pe parcursul primei jumataţi a acestui secol, în urma epuizarii drastice a resurselor naturale

de combustibili fosili.

Cresterea consumului de energie conduce la sporirea continuă a volumului extragerii

combustibililor fosili, care asigura azi peste 85% din energia utilizată. În prezent, anual se consumă

energie echivalenta a peste 11 miliarde tone de combustibil conventional sau 459 EJ (459 x 1018 J),

din care doar 15,4% este de origine non fosilă. Deoarece populatia pe glob creşte şi concomitent,

sporeste gradul de inzestrare cu energie a economiei, aceasta cifra este in continuă crestere, ceea ce

va avea consecinte grave. Combustibilii cei mai acceptabili din punct de vedere economic – petrolul

si gazele naturale – se presupune ca se vor epuiza în ccca 30-50.

Azi cea mai mare parte a energiei necesare pentru consumul zilnic este obtinută prin arderea

combustibililor fosili – carbune, petrol şi gaze naturale. Mai multe milioane de ani, descompunerea

plantelor şi animalelor a condus la formarea combustibililor fosili care, însa, practic s-au consumat

pe parcursul doar a cca.200 de ani. Timp de milioane de ani, pe Terra s-a format atmosfera şi

întregul sistem vegetal şi într-o perioadă tot de cca. 200 de ani, doar în special in 100 de ani, mediul

a fost serios periclitat şi s-a ajuns in pragul unei catasftrofe ecologice. În anul 1960 s-a produs şi s-a

consumat 3000 TWh de electricitate. În 1970 acesta a crescut pana la 6000 TWh. În anul 2000 au

fost consumate 150000 TWh.

Chiar daca ar fi posibila reducerea la jumatatea a consumului de energie electrică în ţarile

industrial dezvoltate şi creşterea, în acelaşi timp a consumului pe cap de locuitor în India, China ssa.

Ţari din lumea a 3-a doar cu 25%, cerere globală de energie electrică s-ar dubla fată de cea de azi.

Ce surse de energie sunt necesare pentru a satisface aceste cerinţe ? Creşterea producerii energiei

electrice prin arderea combustibililor fosili tradiţionali ar periclita şi mai mult impactul ecologic.

Speranţa energeticienilor se bazează pe gasirea de noi soluţii şi procedee, care ar satisface

necesitaţile de energie ale omenirii în urmatoarele decenii sau secole. În prim plan au fost puse

soluţiile legate de energia nucleară, însa, dupa avariile de la centralele Three Miles Island din SUA şi

Cernobil din Ucraina, s-a simţit necesitatea elaborarea unor soluţii mai prietenoase mediului.

Notiunea de eficienţa energetică (sau optimizarea consumului de energie) a devenit la ora actuală,

una din principalele preocupari ale omenirii la nivelul întregului mapamond. Odată cu prima criza

petrolieră de la începutul anilor ’70.

Societatea umană a început să constientizeze din ce în ce mai mult necesitatea elaborarii unei

strategii susţinute de crestere a eficienţei de utilizare a energiei şi de implementare a programelor de

7


eficienţă energetica pe fondul diminuarii îngrijoratoare a rezervelor de combustibil fosili pe ale

Terrei. Azi, putem vorbi de o politica energeticâ mondialâ şi de o strategie concentrată de reducerea

emisiilor poluante în atmosferă, fundamentate pe soluţii tehnico-economice concrete de utilizare

raţionala a rezervelor de combustibili fosili (care deţin în continuare ponderea principală în

producerea de energie) şi de valorificare pe o scara tot mai larga a resurselor energetice regenerabile,

aşa numitele energii ‘’curate’’ sau energii neconvenţionale, o alternativă la actualul sistem de

valorificare energetica a resurselor combustibile ale Terra. Energiile regenerabile prietenoase

mediului nu sunt azi în stare, însa, să acopere aceste necesitaţi mereu crescânde.

Aceste două probleme grave – criza energetica şi impactul asupra mediului – reprezintă

probleme globale ale omenirii, a caror solutionare cade pe umerii inginerilor. Pentru ca lumea este

atât de dependentă de energie, pentru ca majoritatea populatiei Terrei foloseşte combustibili fosili

pentru a-şi satisface necesitaţile energetice, fapt ce provoacă un grad înalt de poluare a mediului,

apare strictă necesitate de a cauta surse noi de energie durabile şi prietenoase mediului. Vor trebui

găsite surse de energie care produc cea mai mica poluare posibilă. Deoarece sursele traditionale de

energie utilizate poluează mediul ambiant, energiile regenerabile, practic sunt lipsite de acest efect

negativ de poluare al mediului.

Diversificare surselor de energie devine un imperativ economic si ecologic. Aceste energii

alternative se numesc energii regenerabile. Sursele regenerabile de energie pot fi utilizate atât ca

surse centralizate de energie, cât şi, în mare parte descentralizate. Sursele descentralizate sunt

deosebit de avantajoase, în special pentru consumatorii rurali sau izolati. În acelaşi timp conform

informatiei ONU, cca. 2 miliarde de oameni nu au acces la energia electrică, iar cca. 40 de ţari nu

posedă reţele electrice nationale. De asemenea, costul retelei este mai mare în proporţie de 4 : 1 sau

mai mult faţa de costul centralelor energetice. Din acest punct de vedere, propagarea surselor

descentralizate de energie devine avantajoasă, fiind un element – cheie în programele de electrificare

rurală şi de reducere a saraciei în mediul rural.

Dintre dezavantajele sistemelor descentralizate de energie se numară instabilitatea

functionarii acestor sisteme şi imposibilitatea stocarii şi redistribuirii energiei electrice, retele de

distribuţie avand şi rolul de stocare a energiei electrice. Cu o faza clara a politicii şi acţiunilor, prin

contribuţia expertilor internationali se configureaza tabloul statutului actual al impactului şi

potenţialului de viitor al energiei regenerabile, care conţine aspecte sociale, politice, economice, de

mediu si tehnologice. O aţentie aparte se acorda potenţialului energetic, istoriei dezvoltârii şi

elaborarii sistemelor de conversie a energiei regenerabile. Azi, Parlamentul European a declarat un

semnal clar privind modul de promovare a energiilor regenerabile în UE până în anii 2020, pentru a

atinge cota de 25% din energie primara. Privind în perspectivă Freeman Dyson de la Universitatea

8


din Oxford argumentează că schimbarile tehnologice alterează fundamental aranjamentele noastre

etice şi sociale ca 3 tehnologii noi care se dezvoltă rapid energiile regenerabile, ingineria genetică şi

comunicarea globală – azi au potenţialul de a crea o distribuţie mai uniformă a sanătaţii globale.

Ţarile în curs de dezvoltare care au surse reduse sau inadecvate de petrol şi carbune care de

asemenea, pentru rezolvarea unor probleme energetice au defrisat suprafeţe întinse de paduri, sunt

puse în situaţia de a utiliza resurse energetice neconvenţionale ca cea solară, hidraulică, eoliană sau

combinaţe cu combustibili conventionali pentru o eficienţa mai mare. Costul sporit asociat cu

procurarea combustibilului, transportarea lui si mentenanţa motoarelor, cuplate cu dificultatile de

cuanticare a costurilor ecologice fac energiile regenerabile o alternativă atractivă la motoarele –

generatoare bazate pe arderea combustibilului.

Eforturile cercetatorilor sunt orientate tot mai mult spre revitalizarea tehnologiilor existente

cu scopul de a reduce consumul de energie şi producerea deseurilor şi de asemenea, utilizarea

surselor neconventionale de energie acolo unde este posibil. Dorinţa de a avea procese de producere

mai eficientă din punct de vedere a consumului de energie a apărut în special dupa criza energetică

din 1970, care a condus la cresterea rapida a preţurilor. Pe parcursul a circa 200 de ani omenirea a

creat un complex energetic grandios şi greu de imaginat, care asigura serviciile fundamentale:

iluminatul, încalzirea, refrigerarea, transportul, produsele tehnologice etc. Fără energie nu pot fi

susţinute standardele moderne de bunăstare, educaţie şi sanatate. Totodată s-a recunoscut că energia

modernă este vinovată de apariţia a numeroase probleme de mediu. Va trebui gasit un compromis

între cererea crescândă de servicii energetice şi necesitatea acută de a proteja mediul ambiant. Este

demonstrat că prin diverse procedee, cantitatea uriaşă de energie, conţinută în atomi şi molecule

poate fi eliberată şi utilizată în diverse scopuri, iar în urma desfăşurării acestor procese, materia

utilizată ca “sursă de energie”, suferă transformări considerabile. Două dintre cele mai

reprezentative exemple ale acestor genuri de transformări sunt producerea energiei electrice prin

fisiune nucleară, respectiv explozia focoaselor nucleare, ambele procese reprezentând transformări

ale materiei în cantităţi uriaşe de energie.

În sistemele termodinamice, reprezentând tipul de sisteme care vor fi studiate în continuare,

pot fi întâlnite mai multe forme de energie şi numeroase tipuri de transformare a energiei dintr-o

formă în alta. Cele mai importante surse de energie, utilizabile la ora actuală cu tehnologiile

disponibile sunt reprezentate de combustibilii fosili, cele mai cunoscute tipuri de asemenea

combustibili fiind petrolul şi produsele obţinute din acesta, gazele naturale şi cărbunii.

Disponibilităţile energetice actuale se pot împărţi în două categorii şi anume reserve energetice şi

resurse energetice. Rezervele energetice sunt surse de energie cunoscute, care pot fi exploatate în

9

2


contiţii de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente. Resursele energetice sunt surse

de energie cunoscute, care însă nu pot fi exploatate în contiţii de rentabilitate economică, utilizând

tehnologiile existente, dar care ar putea fi valorificate în viitor, dacă se vor dezvolta tehnologii

adecvate, sau dacă vor deveni rentabile în urma creşterii preţului energiei.

Importanţa surselor regenerabileEnergia este forţa directoare a societaţii noastre. Problemele importante, precum schimbarile

climatice, dependenţa sporită de petrol şi de alţi combustibili fosili şi creşterea constantă a costurilor

de energie determină întreaga civilizaţie să regândească modul în care se produce energia electrica şi

cum se consumă. Din acest punct de vedere, sursele de energie regenerabilă reprezintă o parte

importantă a soluţie pentru un viitor durabil al energiei.

Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăţi umane, din ultimul secol, este

creşterea tot mai pronunţată a consumurilor de energie, dar şi dependenţa tot mai accentuată a

omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale şi cărbuni.

Energia solară este cea mai abundentă resursă energetică de pe pământ şi este disponibilă pentru

utilizare în formele sale directe (radiaţie solară) şi indirecte (vânt, biomasă, hidro etc.)

Soarele emite energie la o rată de 3.8x1023 kW, din acest total doar o mică parte, aproximativ

1.8x1014 kW este interceptată de pământ care este situat la aproximativ 150 miloane kilometri faţă

de soare. Despre 60% din această suma 1.08x1014 ajunge la suprafaţa pământului restul este

reflectată înapoi în spaţiu sau absorbite de atmosferă. Chiar dacă doar 0,1% din această energie ar

putea fi convertite cu o eficienţă de 0,10% patru ori capacitatea mondială de generare cu un total

aproximati de 3000 GW. Privind la ea dintr-un alt mod, totalul anual de radiaţie ce cade pe pământ

este mai mult de 7500 de ori din totalul anual de energie primară. Cu toate acestea, 80% din consum

la nivel mondial este din combustibili fosili.

10


Fig. 2.1 Evoluţia energiei la nivel mondial

Principalul avantaj al sistemelor de energie regenerabilă este contribuţia intrinsecă nulă la

extinderea gazelor cu efect de seră având în vedere că ele nu folosesc combustibili fosili.

Un avantaj suplimentar este ‘insensibilitatea’ la preţul combustibililor (“soarele răsare pentru

nimic”). Această descreşte costul de funcţionare al sistemelor de energie regenerabile şi reduce

riscurile de funcţionare. Chiar dacă prin ardere se biomasei elimină o cantitate de CO2, această

cantitatea este absorbită de aceasta pe durata creşterii sale, bilantul fiind nul. În acelaşi timp aceste

tehnologii nu produc deşeuri periculoase, iar demontarea lor la sfârşitul vieţii , spre deosebire de

instalaţiile nucleare, este relativ simplă.

Dezavantajul major este investiţia iniţială în sistemele de energie regenerabile care adesea

este mai mari decât pentru energie convenţională. De exemplu, un sistem cu turbină cu gaz poate fi

construit cu 500 EUR/kW, în timp ce pentru o turbină de vânt investiţia este mai mare de 900

EUR/kW. Alte dezavantaje ale energiei regenerabile sunt cerinţele specifice de nepredictabilitatea

(imposibilitatea prognozării) puterii generate. Disponibilitatea energiei regenerabile (soare, vânt,

apă) determină feazabilitatea sistemelor de energie regenerabilă. Impredictibilitatea resurse

regenerabile implică costuri mai mari pentru echilibrarea reţelei electrice şi menţinerea rezervei de

capacitate în eventualitatea că vântul scade sau creşte brusc dincolo de zona de funcţionare a

turbinelor de vânt. Această problemă este deja întâlnită în zone cu un înalt nivel de penetrare, ca

Germania şi Danemarca. Un alt dezavantaj îl reprezintă impactul instalatiilor eoliene asupra

peisajului, riscul de contaminare a solului şi al scaparilor de metan la gazeificare, perturbarea

echilibrului ecologic de către micro hidrocentrale sunt câteva dintre acestea. Cele mai discutate

11


inconveniente sunt însa cele legate de suprafaţa de teren necesară şi de intermitenţa şi

disponibilitatea lor.

În vara anului 2003, a fost una dintre cele mai secetoase verii europene, în ultimii ani mai

multe operaţiuni din centralele electrice, care funcţionau pe bază de petrol şi combustibil nuclear au

fost puse în pericol din cauza lipsei de apă care folosea la racirea condesnsatoarelor. În alte parţi ale

lumii, uragane, tsunami pun în mare pericol centralele nucleare. Un caz concret este cel din 12

martie 2011 din Japonia, Fukushima când în urma cutremurului, sistemul de răcire al reactorului s-a

avariat ce a produs întrerupt alimentarea cu energie electrică. Lipsa de petrol sau de gaze naturale

poate iniţia crize mondiale şi conflicte în politica internaţională.

Mai mult arederea combustibililor fosili de către omenire este cea mai importantă sursă a

emisiilor de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care

împiedică dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală.

Concentrația de CO2 din atmosferă este în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul

de reținere a radiației solare, care va avea ca rezultat creşterea temperaturii medii a suprafeței

terestre. Studiile oamenilor de ştiiţă au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia

că o creştere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încalzire

globală a atmosferei terestre de 2-60 C pâna la sfârsitul acestui secol, cu efecte dezastroase. Prin

schimbul natural dintre atmosferă, biosferă şi oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de

CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile

actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creştere permanentă a concentraţiei de CO 2 din atmosferă

de la 280 de ppm (parţi la un milion) înainte de dezvoltarea industriala la 360 ppm în prezent.

Estimând că la sfârşitul acestui secol populaţia globului va atinge circa 10 miliarde de locuitori, în

condiţiile unor drepturi de emisie uniforme pentru întreaga populaţie, pentru a nu depaşi concentraţia

de CO2 de 450 ppm în atmosfera, ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor sa se limiteze la 0,3 tone

C/locuitor, ceea ce pentru tarile dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze

cu efect de seră . Chiar şi în ipoteza practic a dublării concentraţiei actuale de CO2 în atmosferă,

pâna la 650 ppm, emisiile de CO2 în tarile dezvoltate ar trebui reduse de aproape 4 ori.

Doar o mică cantitate a combustibililor pe bază de hidrocarburi sunt biocombustibili, adică

derivați din dioxidul de carbon din atmosferă, deci care nu contribuie, prin ardere, la creșterea

cantității globale de dioxid de carbon. Întreaga lume este din ce în ce mai conştientă de riscurile

produceri energiei din combustibili fosili încat este nevoie urgentă de a fundamentaliza

bază durabilă. O contribuţie majora la această transformare poate fi aşteptată să vină de la radiaţia

solară ca sursă primară în energetică. În mai multe regiuni ale lumi pot fi vazute aceste transformari

posibile, nu numai la nivel tehnologic, dar de asemenea la nivelul politici. S-a

12


efectuat o analiză de energie în conformitate cu nevoile şi resursele de energie pe termen lung care

indica faptul că în 2050 şi 2100 o contribuţie majoră în ponderea producerii energiei o aduce

energie solară la nivel mondial. Acest scenariu se bazează pe recunoaşterea faptului că este esenţială

mutarea pe lucruri de o durabiliate mare în înreaga lume, pentru a proteja sistemele naturale de viaţă.

Desigur această nouă era solară poate fi imaginată în principal de progresele imense tehnologice

facute în secolul trecut şi cele în curs de desfaşurare.

Până în 2100, petrol, gaze naturale, cărbunele şi energia nucleară va oferi mai puţin

de 15% din energie la nivel mondial, în timp timp ce consumul energiei termice

solare şi fotovoltaice va furniza aproximativ 70%. Unul din efectele dezvoltării tehnologice a

întregii societăţi umane, din ultimul secol, este creşterea tot mai pronunţată a consumurilor de

energie, dar şi dependenţa tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în

special produse petroliere, gaze naturale şi cărbuni.

Având în vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe plan internaţional au

fost create numeroase organizaţii pentru studierea fenomenelor legate de evoluţia consumurilor şi

rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioasă organizaţie de acest tip este The Association

For The Study Of Peak Oil And Gas (ASPO). Asociaţia pentru Studiul Deficitului de Petrol şi Gaze

Naturale. Această asociaţie se autodefineşte ca fiind reţea de oameni de stiinţă şi alte categorii de

persoane, interesaţi de identificarea informaţiilor şi impactului produs de deficitul petrolului şi

gazelor naturale. ASPO defineşte deficitul de petrol “peak oil” ca fiind diferenţa dintre cantitatea de

petrol extrasă (producţia) şi cantitatea de petrol nou descoperită. Analog este definit deficitul de gaze

naturale. În luna decembrie 2005, ASPO anunţă că prin măsuri de reducere a consumurilor, respectiv

a producţiei, nivelul deficitul de petrol înregistrat în anul 2004 mai poate fi menţinut sub control o

perioadă de numai 1-2 ani, dar este iminentă o criză ireversibilă a petrolului si a gazelor naturale.

Fig. 2.2 Evoluţia producţiei de petrol si a noilor rezerve descoperite. ASPO 2004.

13


Destul de semnificativ, pentru deficitul actual al petrolului este faptul că în 10 noiembrie

2005 ASPO a anunţat că în Kuweit, după şase decenii de exploatare intensivă, cel mai important

camp petrolier din această ţară si al doilea din lume, a inceput să dea semne evidente de reducere a

rezervelor de petrol pe care le conţine. Acest fapt a fost recunoscut si de Kuweit, în martie 2006.

Pentru a se putea continua exploatarea acestui al doilea zăcămant al lumii, s-a impus reducerea

producţiei de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pe zi, după ce a trebuit

abandonată o tentativa de a stabili nivelul producţiei la 1,9 milioane de barili pe zi, nivel al

producţiei care s-a dovedit a fi prea ridicat.

Datorită existenţei actualului deficit, pentru următoarea perioadă este estimată o reducere

constantă a producţiei de petrol, începand cu anul 2010, aşa cum este indicat în figura 2.2.

Creşterea consumului în perioada 2006 – 2010 poate fi explicată numai prin faptul că este

necesar să treacă o perioadă de timp pană cand în economie, se vor putea lua măsuri eficiente de

reducere a consumurilor.

2.3 Evoluţia estimată a producţiei mondiale de petrol. ASPO 2006

În condiţiile prezentate, apare ca explicabilă continuă creştere a preţului petrolului din ultima

perioadă, aşa cum se observă în figura de mai jos:

14


2.4 Evoluţia preţului petrolului în perioada 1996 - 2005. ASPO 2006.

Spre deosebire de criza petrolului de la sfarşitul anilor ’70, încheiată cu scăderea preţului

petrolului, se estimează că actuala tendinţă crescătoare a preţului este continuă şi ireversibilă, iar

impactul pe care acest preţ îl va avea asupra economiei mondiale este dificil de estimat, dar va fi cu

siguranţă unul extrem de important. Analizand aceste estimări, se observă că timpul extrem de scurt,

rămas pană la epuizarea resurselor existente, cel puţin in cazul petrolului şi a gazelor naturale,

impune găsirea unor soluţii rapide şi eficiente de înlocuire a energiei care se va putea produce pană

atunci cu ajutorul acestor combustibili.

Aceste soluţii sunt cu atât mai necesare cu cât consumurile de energie ale economiei

mondiale sunt în continuă creştere şi nu se estimează o reducere a acestor consumuri în viitorul

apropiat. Pentru rezolvarea acestei probleme, singura soluţie previzibilă este reprezentată de

utilizarea energiilor regenerabile.

O altă problemă majoră a producerii energiei din combustibili convenţionali, este

reprezentată de nivelul ridicat al emisiilor de CO2, datorate proceselor de producere a energiei.

Aceste emisii contribuie la accentuarea efectului de seră şi la accelerarea modificărilor climatice

conexe acestui fenomen. În figura 2.4, este prezentat nivelul acestor emisii.

Fig.2.5 Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferă

Analizând acest grafic, se observă că de la începutul epocii industriale, până în prezent,

nivelul emisiilor de CO2, a crescut cu peste 30%. Pentru a justifica importanţa problemei emisiilor de

CO2, sunt prezentate în figura de mai jos valorile pagubelor produse din cauze naturale în perioada

ianuarie - septembrie 2002, iar în figura 2.5, valorile pagubelor produse datorate modificărilor

climatice, în perioada 1950 - 1999.

15


Fig.2.6 Valorile pagubelor produse din cauze naturale în ianuarie - septembrie 2002.

Se observă că pagubele produse de furtuni şi inundaţii, care au legătură cu modificările

climatice, sunt mult mai mari decat pagubele produse de cutremure, sau de alte evenimente. Este

evident că modificările climatice din ultimii ani, caracterizaţi printr-un nivel crescut al emisiilor de

CO2, au produs mult mai multe pagube decât în perioadele caracterizate de un nivel mult mai redus

al poluării. Chiar daca nu demonstrează că emisiile de CO2 sunt responsabile de nivelul ridicat al

pagubelor datorate modificărilor climatice, cele două grafice sugerează că este foarte posibil să

existe o corelaţie între nivelul ridicat al emisiilor de CO2 şi modificările climatice, cu impact negativ

asupra mediului. Una din cele mai eficiente soluţii pentru reducerea nivelului emisiilor de CO2, îl

reprezintă utilizarea energiilor regenerabile, caracterizate printr-un nivel extrem de redus al acestor

emisii.

Concomitent omenirea se confruntă cu alte probleme legate direct cu energetica – probleme

ambientale sau de protecţie a mediului. Mai întai criza ‘’Waldstreben’’ – moartea padurii, care a

lovit europa începand cu anul 1982, cauzată mai cu seama de centrale termoelectrice, care ardeau

carbuni. Poluarea atmosferei cu oxizi de azot NOx şi de sulf SO2 provoaca aşa – numitele ploi acide,

care influenţează negativ asupra padurilor. Apoi urmează în 1986 explozia de la centrala nucleară

Cernobal din Ucraina, în urma careia un nor radioactiv se răspândeşte peste o mare parte din Europa.

‘’Sindromul Cernobil’’ a cauzat o revizuire a politicii în domeniul energeticii nucleare, urmează o

stagnare şi chiar o recesiune. În ianuarie 1999 sub presiunea Partidului Ecologist, Guvernul

Germaniei elaboreaza un proiect de lege cu privire la închiderea tuturor staţiilor electrice nucleare.

O relansare a sectorului energetic nuclear poate avea loc numai după o schimbare radicală a

opiniei publice, majorarii fiabilitaţii reactoarelor şi rezolvarii problemelor de reciclare a deseurilor

radioactive. O alta realitate dură constă în poluarea atmosferei cu gaze cu efect de seră. Efectul de

seră atmosferic este provocat de bioxidul de carbon, metan, vapori de apă şi de alte gaze practic

transparente la lumina vizibilă, dar absorbind radiaţiile infraroşii, se comportă ca un filtru

16


unidirectional – ele permit intrarea luminii vizibile, dar împiedică ieşirea radiaţiilor infraroşii în

direcţia opusă, provocând o încalzire a suprafeţei globului.

Acest fenomen nu are un caracter regional, ci global. Intamplator sau nu, dar în vara anului

1998 staţiile meteorologice ale SUA fixează cea mai mare temperatura a aerului din ultimii 123 de

ani de când se efectuează masuratori meteorologice. Acest fenomen este fixat şi în Romania – în

august 1998 când se inregistrează cea mai înaltă temperatură în ultimii 112 ani – egală cu 380 C.

Evenimentele descrise mai sus demonstrează ca energia şi mediul nu pot fi privite izolat şi că

protecţia mediului este un criteriu de evaluare a politicilor energetice viitoare. Astfel apare ecuaţia

celor 3 E : energy, economy, enviroment.

Rezolvarea reusită a acestei ecuaţii înseamnă o dezvoltare economică armonioasă şi durabilă.

Noţiunea dezvoltare economică durabila a intrat în uzajul contemporan la Conferinta De Janeiro în

1992, la care a fost adoptată Convenţia Cadru asupra Schimbarilor de Climă. Convenţia a fost

semnată de mai bine de 160 de ţari, inclusiv şi Romania. Ea stipulează un şir de măsuri pentru a

stabiliza concentratiile de gaze cu efect de seră în atmosfera şi o eventuală o reducere a acestora.

Prin dezvoltarea durabilă trebuie înteles un proces al dezvoltarii economice, care va avea ca rezultat

o îmbunataţire a nivelului de viaţa al omenirii, fară a se deteriora ecosistemul planetei noastre.

Aceasta înseamnă o folosire ordonată a resurselor naturale pentru care fiecare membru al omenirii sa

aibă porţia sa de mediul curat, precum şi obligaţia sa de a se stradui, să-l îmbunataţească pentru a

asigura copiilor săi o şansă decât a avut-o.

Componentele principale ale unei politici pentru o dezvoltare durabilă sunt clar definite :

reducerea dependenţei de petrol ;

promovarea resurselor regenerabile de energie ;

conservarea solului ;

protejarea sistemelor biologice ale pământului ;

reciclarea materialelor.

La aceeaşi conferinţa de la Rio de Janeiro a fost pusă în discuţie şi problema costului poluarii

mediului înconjurator. În vocabularul modern electro-energetic efectul de poluare a mediului a fost

numit impact asupra mediului. Mai târziu, în decembrie 1995 la Lisabona în Protocolul Cartei

Energiei privind eficienţa energetică şi aspecte asociate legate de mediu, impactul asupra mediului a

fost definit astfel : ‘’impactul asupra mediului înseamna orice efect asupra mediului cauzat de o

activitate data inclusiv asupra sanataţii şi sigurantei oamenilor, florei, faunei, solului, aerului,

climatului, peisajului şi monumentelor istorice sau al altor structuri fizice, sau asupra interacţiunii

acestor factori; el include de asemena, efecte asupra moştenirii culturale sau condiţiilor socio-

economice rezultate din degradarea acestor factori’’. Costul pentru protecţia mediului reflectă

17


investiţiile necesare pentru limitarea sau reducerea poluarii şi se numesc costuri de mediu sau costuri

externale.

Problemele legate de impactul asupra mediului devin obiectul discuţiilor la nivel mondial şi

regional. Pentru a evalua gravitatea problemei şi pentru a ajuta pe cei care elaborează strategii în

domeniul energiei ONU a format în anul 1988 Comisia Interguvernamentala pentru Modificarii

Climaterice, care cuprinde mai mult de 150 de oameni de ştiinţa din toată lumea. Din cele mai

importante rezultate ale lucrarilor mentionam adoptarea Protocolului un şir de state au luat

angajamente de a limita sau micşora emisia de gaze cu efect de seră. Actiunea angajamentelor a

intrat în vigoare începand cu anul 2008.

Avand în vedere că energia regenerabilă nu produce deloc poluare sau foarte puţin, utilizarea

crescandă a resurselor regenerabile de energie va contribui atât la siguranţa şi diversificarea surselor

de aprovizionare, cât şi la protecţia mediului.

Pe termen lung ele vor constitui sursa principală de energie care va fi mentinută. În prezent

exista condiţii de promovare a patrunderii surselor regenerabile de energie. Conversia, consumul şi

conservarea energiei. Una din legile fundamentale ale fizicii este legea conservarii energiei : în

procesele fizice, energia nu poate fi distrusă sau diminuată, ea poate fi doar convertită (transformată)

dintr-o formă de enegie în alta. În acest context apare întrebarea : ce este energia primară şi

consumul de energie? Consumul de energie presupune urmatoarele : se converteşte energia chimică

stocată în carbune, petrol, gaze naturale, lemne sau energia stocată în nucleul atomic, sau energia

cinetică şi gravitaţională a apei, sau energia cinetică a vântului, sau energia radiaţiei solare în caldură

şi lumina pentru locuinţele noastre.

În energie electrică pentru a pune în mişcare maşinile, uneltele, în energie cinetică pentru a

mişca vehiculele. Astfel spus consumul de energie este echivalent cu conversia energiei.

Conservarea energiei nu înseamnă altceva decât producerea mai multor bunuri materiale şi prestarea

mai multor servicii convertind o cantitate mai mică de resurse energetice primare în caldură, energie

electică, lumina (energie electromagnetică) etc..

Cantitatea de energie primară este de circa 3 ori mai mare decât energia electrică produsă.

Energia utilă este cu mult mai mică decât energia electrică produsă. Energia primară constituie

toata energia conţinută în sursa originală. În prezent sursele principale originale sunt combustibilii

fosili (carbunele, petrolul şi gazele naturale), biocombustibili – lemne de foc, deseuri lemnoase,

deseuri agricole, balegar etc.. Aici se poate adauga energia hidraulică şi geotermală şi alte surse

regenerabile de energie cum este cea solară şi eoliană, precum şi energia nucleară. Consumatorul

este interesat în satisfacerea necesitaţilor energetice – să aiba energie termică pentru încalzire şi

18


prepararea bucatelor, energia electrică pentru iluminat, transport şi producerea bunurilor

materialelor.

Pentru un consumator este esentială cantitatea de energie livrată, forma de energie utilă de

care are nevoie, valorile pierderilor de energie şi costurile energiei livrate. Pentru sistemele bazate pe

surse fosile de energie, cele mai mari pierderi se îinregistreaza la producerea energiei electrice (cca.

66%), urmate de pierderile în retelele de transport şi distribuţie şi pierderile la consumator. Ultimele

pot fi destul de mari, daca randamentul consumatorului este mic. De exemplu, pentru un bec cu

incandeşcenţă, eficienţa globala a conversiei energiei este egală doar cu 1,5% ; astfel spus, dintr-o

sută de unitaţi de energie primară se folosesc util numai 1,5 unitati, celelalte 98,5 unitati provoaca

poluare termică si cu gaze cu efect de sferă al atmosferei.

Statisticile naţionale şi internaţionale publică date cu privire la producerea şi consumul

diferitelor tipuri de surse energetice. Datele sunt prezentate atat în unitaţi de masură naturale, cât şi

unitaţi de masură conventionale. La efectuarea calculelor economice, determinarea eficienţei

energetice şi consumului specific de energie etc.. Se operează cu noţiunea ‘’consum de resurse

primare de energie’’, care înclude toate formele de energie consumată – fie combustibil, energia

electrică sau termică obţinută din surse fosile, energia electrică nucleară sau hidraulică, energia

diferitelor tipuri de biomasă, energia geotermală, solară, eoliană etc..

Pentru producerea energiei electrice în centralele electrice termice (CET : energia

combustibului fosil se transforma în energie termică a aburului, apoi în energie mecanică şi în sfarşit

în energie electrică) se determină ca rezultat al înmultirii cantitaţii de energie electrică produsă la 3

sau al împarţirii la 0,33 care de fapt este randamentul mediu al CET-ului ; contribuţia energiei

primare hidraulice eoliene sau alte surse regenerabile la producerea energiei electrice se consideră

echivalentă cu cantintatea de energie electrică. Alfel spus în cazul producerii energiei electrice din

surse regenerabile nu se ia în consideratie randamentul procesului de conversie.

Evident, şi în cazul al doilea, valoarea randamentului procesului de conversie al energiei

solare are o importanţa majoră. Cu cat este mai mare randamentul, cu atât costul unei unitaţi de

energie electrică produsa va fi mai mic.

Şi în acest caz, eficienţa globală a conversiei energiei se determină ca fiind raportul dintre

energia utilă şi energia primară solară incidentă pe suprafaţa modulului celulei fotoelectrice. Energia

utilă este relativ mai mare decât în cazul utilizarii energiei primare fosile. Convenţia de tratare a

noţiunii de energie primară acceptata mai sus urmareşte să accentueze faptul că la producerea unei

unitaţi de energie electrică dintr-o sursa regenerabilă, se va cheltui aceeaşi unitate de energie primară

care circulă în mediul ambiant şi care nu schimbă echilibrul natural.

19

3


Conform celor mai optimiste prognoze efectuate de Oil & Gas Jurnal, World Oil aceste

rezerve de combustibil fosil vor ajunge pentru urmatoarele perioade : 32 de ani – petrol, 72 de ani –

gas, 252 ani carbune. Calculele au fost efectuate pentru un consum zilnic constant de combustibili,

raportat la anul 2002. Gazul natural este considerat cel mai favorabil mediu dintre combustibilii

fosili si ar putea fi partial o solutie a problemei incalzirii climei si poluarii atmosferei.

Un domeniu de perspectiva privind utilizarea gazului natural in viitor ar putea fi obtinerea

mai eficienta a hidrogenului din metan (CH4), necesar pentru functionarea pilelor de combustie, care

vor inlocui treptat motoarele cu ardere interna.

Efectul fotoelectric

Efectul fotovoltaic constă în producerea unui curent electric ca urmare a absorbţiei radiaţiei

electromagnetice(fotoni). Acest efect cunoaşte aplicaţii importante în semiconductori, unde

generarea de purtatori de sarcină liberi (electroni, goluri) este semnificativă în raport cu numarul

purtatorilor generaţi termic. Daca în semiconductor exista un câmp electric intens (ca în cazul

jonctiunilor n-p în siliciu) atunci electronii generaţi ca urmare a absorbţiei radiaţiei (fotoelectroni)

vor fi condusi într-un circuit exterior, generându-se, astfel, energie electrică.

A. E. Becquerel descoperit efectul fotovoltaic în anul 1839, la iradierea unor electrozi de

argint în electrolit, si descris de W. Adams si R. Day pentru electrozi de seleniu în 1877. Târziu,

dupa descoperirea tranzistorului (1948) şi elaborarea teoriei Shockley (1949), s-a realizat prima

celulă solară cu randament de 6% (D.M. Chapin, C.S. Fuller si G.L. Pearson, de la Bell Laboratories

– SUA, 1954). Pâna în anul 1973 (prima criză a petrolului) celulele solare s-au utilizat mai mult în

aplicaţii spaţiale. Pâna la începutul anilor ’90 producţia mondială de celule solare (aproximativ 50

MW/an) era complet nesemnificativă la nivelul consumului de electricitate global. Materialele

semiconductoare policristaline cu structura calcopiritica au o largă utilizare în heterojonctiuni pentru

fabricarea celulelor solare. Interesul pentru acest tip de materiale a aparut datorită proprietaţilor lor

optice - în special absorbţia optică – astfel încât, grosimi de strat de ordinul a 1µm sunt suficiente

pentru absorbţia eficientă a luminii solare şi pentru obţinerea unor eficienţe de conversie

comparabile cu cele ale celulelor solare cu siliciu monocristalin. Economia de material ce rezultă de

aici, combinată cu procedee tehnologice pretabile la obţinerea de suprafeţe mari, duc la reduceri

20


esenţiale ale costurilor de fabricaţie pentru celulele şi modulele solare, condiţie obligatorie pentru

aplicarea pe scară largă a conversiei fotovoltaice a energiei solare.

Exceptând sursele nucleare de energie, toate celelalte surse de energie de pe planeta noastră

îşi au originea în energia solară. Centralele termice cu combustibili fosili, centralele hidroelectrice,

generatoarele eoliene şi centralele utilizând energia mărilor şi oceanelor convertesc indirect energia

solară în energie electrică.

Lumina directă a soarelui este cea mai abundentă sursă de energie de pe glob. O parte este

absorbită de atmosferă şi se regăseşte sub forma energiei eoliene, dar în medie 1.353 kW/m2 din

această energie cade pe suprafaţa pământului, bineînţeles cu valori mai mari la ecuator şi în zone

deşertice.

Utilizarea directă a energiei solare se face de mult timp folosind captatoare solare cu sau fără

concentratoare pentru încălzirea apei, pentru încălzirea aerului, pentru topirea metalelor, pentru

uscarea diferitelor produse agricole sau industriale şi pentru producerea de energie electrică în

centrale termice solare. Este cunoscută legenda cu oglinzile lui Arhimede, cu care ar fi incendiat

corăbiile inamice.

Există state, Israelul, SUA, Australia şi Japonia, care au montate milioane de captatoare

solare fiecare, pentru producerea apei calde. Există multe central termice solare care produc energie

electrică, cu puteri de sute de MW fiecare, dar costul energiei electrice produse nu a putut fi scăzut

sub 10 cenţi pe kWh faţă de 5 cenţi în centralele electrice clasice

Dar cea mai interesantă cale de utilizare a energiei solare este conversia ei directă în energie

electrică. Există mai multe modalităţi de utilizare directă a energiei solare: conversia fotovoltaică,

conversia termoelectrică şi conversia termoionică. Dintre acestea, conversia fotovoltaică se pare că

are cele mai mari posibilităţi de a deveni o tehnologie alternativă la modul clasic de producere a

energiei electrice în condiţiile actualei crize energetice.

Celula fotovoltaică a fost salvată de la obscuritate de cursa spaţială Statele Unite – Uniunea

Sovietică din anii ’60. În scopul găsirii unui mod practic de alimentare cu energie electrică a

sateliţilor, s-au alocat fonduri importante de cercetare şi firme ca: Texas Instruments, RCA şi

Heliotek au reuşit să scadă preţul acestor celule fotovoltaice de peste 10 ori.

Criza energetică din anii ’70 a adus multe miliarde de dolari în progresul acestei tehnologii

fotovoltaice (FV), pentru a o folosi şi în aplicaţii terestre. În anii ’80 erau larg răspândite în staţii ţi

relee telefonice, în faruri izolate şi cabine telefonice rutiere etc., deşi costul unui kWh produs încă nu

a scăzut sub 20 cenţi. Au crescut vânzările de celule fotovoltaice de la 6 MW în 1980 la 29 MW în

1987 şi 60 MW în 1983. În prezent marea majoritate a ceasurilor de mână şi a calculatoarelor de

buzunar din lume au o astfel de sursă de energie. Un nou avânt al acestei industrii este iminent:

21


electrificarea rurală în ţările lumii a treia. La Congresul Mondial al Energiei din 1995 de la Tokio s-a

afirmat că 40% din populaţia actuală a lumii nu are nici un acces la o energie comercială, populaţie

aflată în ţările subdezvoltate ale lumii a treia. Guvernele acestor ţări în loc să subvenţioneze

extinderea reţelelor electrice clasice spre zonele rurale, industria lor energetică nefiind competitivă

cu a ţărilor dezvoltate, ar putea găsi mai eficientă tehnologia FV, ceea ce ar echivala cu o revoluţie în

domeniul energetic. Există lanterne solare care folosesc un panou solar de 2.6 W pentru încărcarea

unei baterii pe timpul zilei şi care poate aprinde două lămpi fluorescente pe timpul nopţii. Acest

produs este accesibil ca preţ şi familiilor cele mai sărace.

Utilizarea sistemelor electrice solare în gospodăriile rurale creşte şi în ţările industriale.

Astfel un sistem FV de 2500W – suficient pentru a alimenta iluminatul, maşina de spălat, frigiderul,

radioul, televizorul şi computerul unei locuinţe costă mai puţin de 15000 de dolari, inclusiv panoul

fotovoltaic, becuri, cabluri, baterie de înmagazinare a energiei şi instalaţia de reglare. Norvegia avea

în 1993 peste 50000 de case rurale alimentate cu celule fotovoltaice şi o situaţie similară se

întâlneşte în Japonia, Spania, Elveţia şi SUA.În Germania se derulează programul celor 100000 de

acoperişuri solare. În Israel pot fi văzuţi stâlpi de iluminat stradal echipaţi cu mici panouri solare,

care ziua acumulează energie electrică şi noaptea asigură iluminatul stradal. Japonia intenţionează să

asigure 30% din consumul rezidenţial de instalaţii fotovoltaice (250 MW în anul 2000 şi 4600MW în

anul 2010), Germania 10% până în anul 2010, SUA 15% din consumul rezidenţial până în 2010 şi

100% în următorii 25-40 de ani după 2010. Reducerea costurilor celulelor fotovoltaice este aşteptată

în continuare şi ca urmare o mai largă utilizare a acestei tehnologii.

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe material semiconductoare, dar peste 95%

din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspandit

în scoarţa terestră, reprezentand cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantităţi suficiente,

fiind astfel şi ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul

ambiant.de valenţă pentru că acestia să devină liberi, adică pentru a putea trece pe banda de

conducţie.

Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau

cuantele de lumină cum mai sunt numiţi acestia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda

de valenţă, energia necesară pentru a depăsi “bariera energetică” şi a trece pe banda de conducţie.

Acest fenomen se produce in celulele fotovoltaice. Soarele reprezintă sursă de energie a Pamântului,

contribuind la menţinerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K întâlnită în spaţiul

interplanetar şi este singura sursă de energie capabilă să întreţină viaţa pe Pământ. Soarele poate fi

considerat ca o sferă având diametrul de cca. 1.4 milioane km aflată la o distanţă de cca. 150

22


milioane km de Pământ. Această distanţă este atât de mare încât două drepte care pornesc dintr-un

punct de pe suprafaţa Pământului spre două puncte diametral opuse ale discului solar, formează un

unghi de aproximativ o jumătate de grad. Cu toate că radiaţia solară este emisă în toate direcţiile, se

poate considera că razele solare care ajung la suprafaţa Pământului sunt paralele. În miezul Soarelui

se desfăşoară în continuu reacţii de fuziune nucleară, prin care hidrogenul este transformat în heliu.

În prezent compoziţia masică a Soarelui este de cca. 78.5% hidrogen, 19.7% heliu, 0.86%

oxigen şi alte elemente în concentraţii mai reduse. Viteza de conversie a hidrogenului în heliu este

de cca. 4.26 milioane tone pe secundă.

Acest debit de substanţă se transformă în mod continuu în energie. Se estimează că în acest

ritm, în următorii 10 milioane de ani, se va consuma cca. 1% din cantitatea actuală de hidrogen, deci

nu există un pericol iminent de epuizare a sursei de energie a Soarelui. Durata de viaţă a Soarelui

este estimată la cca. 4…5 miliarde de ani.

Intensitatea radiaţiei solare care ajunge la suprafaţa pământului este mai mică decât constanta

solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, chiar şi în

condiţii de cer senin, intensitatea radiaţiei solare este redusă treptat pe o direcţie perpendiculară la

suprafaţa Pământului, cu cca. 15…30% in funcţie de perioada din an.

În anul 1921 fizicianul Compton a confirmat pe deplin teoria cuantelor de limină prin

observarea fenomenului de difuzie a fotonilor din razele X pe electroni. În anul 1927 el a primit

preminul Nobel în Fizică pentru descoperirea efectului cuantic care îi poartă numele. El a determinat

mişcarea unui foton înainte şi după ciocnirea lui cu un electron, arătând că fotonul are impuls şi

energie. Dispozitivul experimental utilizat de Compton, constă dintr-o sursă de raze X care emite

radiaţie spre un bloc de grafit. Se obţine o radiaţie difuzată sub un anumit unghi, θ, ce este captată de

un detector. Razele incidente au lungimea de undă λ.

Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiaţiei solare, la traversarea atmosferei, sunt

în principal absorbţia şi difuzia. Modificările produse de atmosfera, asupra radiaţiei solare, sunt

sugerate în figura 3.1.

23


Fig 3.1 Schema interacţiunilor dintre energia solară şi atmosfera, respectiv suprafaţa terestră

Chiar şi în condiţii de cer senin, radiaţia care ajunge la suprafaţa Pământului, din toate

direcţiile în urma fenomenului de difuzie, denumită şi radiaţie difuză, reprezintă 5…15% din

valoarea fluxului de radiaţie solară care ajunge la suprafaţa Pământului fără a fi afectată de acest

fenomen, denumită radiaţie directă. Împreună, radiaţia directă şi cea difuză, reprezintă aşa numita

radiaţie totală. În timp ce traverseză atmosfera, radiaţia solară este parţial absorbită de anumite gaze

coponente ale acesteia, în special pe anumite lungimi de undă.

Difuzia este fenomenul fizic în urma căruia, anumite forme de radiaţie, cum sunt lumina,

sunetul sau particule în mişcare, sunt determinate să devieze de la traiectoria rectilinie, de una sau

mai multe neuniformităţi (imporităţi) localizate în mediul pe care acestea îl traversează. Uzual,

radiaţia difuză include şi radiaţia deviată faţă de unghiul determinat de legile reflexiei. Radiaţia

Rayleigh (denumită astfel după fizicianul englez Lordul Rayleigh) este difuzia elastică a luminii sau

altor forme de radiaţie electromagnetică, determinată de particule cu dimensiunea mult mai mică

decât lungimea de undă a acelei radiaţii, care pot fi reprezentate de atomi sau molecule individual.

Acest tip de difuzie se poate manifesta când lumina traversează solide şi lichide, dar este cel mai

adesea întâlnită în gaz.

Radiaţia Rayleigh este influenţată de polarizarea electrică a particulelor. Difuzia Rayleigh

produsă de atmosferă asupra radiaţiei solare, este responsabilă de culoarea albastră a atmosferei.

Difuzia Rayleigh împreună cu difuzia datorată norilor, reprezintă componente ale radiaţiei difuze.

Radiaţia directă este acea componentă a radiaţiei totale care ajunge la suprafaţa pământului, fără a fi

afectată de fenomenele de difuzie.

24


Atmsofera terestră absoarbe aproape complet radiaţia X şi o mare partye din radiaţia

ultraviolet (UV). Unele componente ale atmosferei (vapori de apă, O2, CO2, şi alte gaze) contribuie

la absorbţia parţială a radiaţiei solare. În general, radiaţia absorbită este transformată în căldură, care

este retransmisă în atmosferă sub formă de radiaţie difuză, în toate direcţiile. Prin acest proces,

atmosfera se încălzeşte şi produce la rândul ei o radiaţie cu lungime de undă mare, denumită radiaţie

atmosferică sau radiaţia bolţii cereşti.

În figura 3.2 sunt prezente variaţia intensităţii radiaţiei totale, respectiv a componentelor

directă şi difuză, măsurate la Cluj-Napoca, în data de 17 octombrie 2010, în condiţii de cer senin.

Fig. 3.2 Variaţia intensităţii radiaţiei totale

Pe lângă cele două fenomene de difuzie şi absorbţie, o parte a radiaţiei solare este reflectată

de atmosferă sau de unele componente ale acesteia (molecule de aer sau anumite tipuri de nori). În

urma reflexiei, o altă parte a radiaţiei solare este disipată prin mecanismul difuziei Rayleigh.

Datorită mecanismelor de difuzie, absorbţie şi reflexie prezentate, în condiţii de cer senin şi fară

poluare, în zonele din Europa de vest, centrală şi de est, de regulă valoarea radiaţiei solare măsurate

în plan orizontal nu depăşeşte 1000 W/m2.

Intensitatea radiaţiei solare este influenţată de următorii parametrii importanţi: poziţia

Soarelui pe cer (unghiul dintre razele solare şi planul orizontal), unghiul de înclinare a axei

Pământului, modificarea distanţei dintre Pământ şi Soare.

În figura de mai jos este reprezentată variaţia intensităţii radiaţiei solare în funcţie de poziţia

Soarelui, adică unghiul format de direcţia razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situaţii

atmosferice.

25

17.10.2010 : Timp[ora]


Fig.3.3 Variaţia intensităţii radiaţiei

solare în funcţie de direcţia razelor

solare, pentru diferite situaţii

atmosferice

3.1 Conversia fotoelectrica a energiei solare:

Transformarea directă a energiei radiate solare în energie electrică are loc prin intermediul unor

fenomene care se produc în structura cristalină a unor corpuri solide, în urma absorbţiei fotonilor

care compun radiaţia incidenă, fenomene care constituie efectul fotoelectric, se deosebesc:

Efectul fotoelectric intern, manifestat la unele metale, constand în extragerea electronilor de

conducţie din metal

Efectul fotoelectric intern, contretizat în generarea de purtători de sarcina (electroni şi goluri)

în interiorul unor material semiconductoare.

Cercetările teoretice şi experimentale au aratat că, pentru conversia energiei la scară mare,

prezintă interes numai efectul fotoelectric intern. Dispozitivele realizate pentru utilizarea acestui

fenomen se numesc celule solare(fotoelectrice, fotovoltaic). Din punct de vedere structural, celulele

fotoelectrice sunt formate din două zone, realizănd o jonctiune, care poate fi de mai multe tipuri:

homojoncţiune, în care cele două zone sunt formate din accelaş material semiconductor,

avănd tipuri de conducţie diferiteş;

heterojoncţiune, în care cele doua zone sunt formate din material semiconductor diferite,

avănd de asemenea tipuri de conductive diferite:

joncţiune metal-semiconductor(celulă Schottky)

jonctiune electrolid-semiconductor.

Principalele fenomene care formează conversia fotoelectrică se pot explica cel mai simplu în cazul

homojoncţiuni semiconductoare.

3.2 Electul fotoelectric în homojoncţiune p-n:

Se consideră o structură formată din două zone, cu conducţie de tip p şi n. Deşi ambele zone,

în ansamblu, sunt neutre din punct de vedere electric, ele conţin purtători de sarcină liberi, de ambele

26


semene, dar în proportii diferite, purtătorii majoritari atribuind si denumirea zonei respective

(electroni pentru zona n şi golurile pentru zona p). Datorită agitaţiei termice, purtătorii de sarcină

difuzează, trecănd prin joncţiune, ceea ce este echivalent cu circulaţia unor curenţi prin aceasta.

Difuzia purtătorilor majoritari crează, pe o anumită distanţă de la joncţiune, căte un strat de

sarcini electrice de aceleaşi semn (- în zona p si + în zona n), numit strat de baraj, ca urmare aparănd

o barieră de potenţial de înalţime Ei şi un camp electric orientat în n spre p.

Acest camp electric frănează difuzia în continuare a purtătorilor majoritari şi favorizează

circulaţia purtătorilor minoritari. În prezenţa barierei de potenţial, intensităţile curenţilor care circulă

prin joncţiune se pot exprima, în principiu:

curentul de electroni din zona p catre zona n: I1=k1n1 (3.1)

curentul de goluri din zona n catre p: I2=k2n2 (3.2)

curentul de electroni din zona n catre zona p:I3=k3n3.e-qEi/KT (3.3)

curentul de goluri din zona p catre zona n: I4=k4n4.e-qEi/KT (3.4)

Fig. 3.4 Structura, circulaţia de curenţi şi benzile

energetice pentru homojoncţiunea p-n.

În care … sunt constant, iar … sunt concentraţiile purtatorilor de sarcină

respectivi. Curentul total prin joncţiune:

I= -( + )+( + ) e-qEi/KT (3.5)

în echilibru trebuie sa fie nul. Deci: + = ( + )e-qEi/KT (3.6)

Dacă joncţiunii i se aplică o tensiune exterioară, U, în sens direct(+ la p şi – la n), înalţimea

barierei de potenţial se reduce cu mărimea tensiunii aplicate, ceea ce favorizează circulaţia

purtătorilor de sarcină majoritari. Curentul prin joncţiune, în cazul polarizarii directe se poate scrie:

I0=-( + )= ( + )e-qEi/KT (3.7)

27


În cazul polarizării inverse, înalţimea barierei de potenţial creşte, ceea ce împedica circulaţia

purtătorilor de sarcină majoritari şi de asemenea nu afectează circulaţia purtătorilor minoritari.

Pentru polarizări inverse mari, circulaţia purtătorilor majoritari dispare, rămânand numai un curent

invers al purtătorilor minoritari.

= + (3.8)

Ţinand seama de egalitatea: (3.6), curentul prin joncţiune, în cazul polarizarii directe, devine:

=I0 . ( -1) (3.9)

În continuare, considerând joncţiunea nepolarizată, dar supusă unei radiaţii monocromatice,

avand cuanta de energie a fotonilor mai mare decăt înaltimea zonei interzise a semiconductorului

, în celulă ce generează perechi de purtători de sarcină liberi, electron-gol. Dacă acestea sunt

generate în zona de influenţă a cămpului electric intern sau pe distanţa cel mult egală cu lungimea de

difuzie a purtătorilor de sarcină, ei vor putea fi dirijaţi către campul intern astfel:

golurile catre regiunea p

electronii catre regiunea n

Prezenţa electronilor suplimentari în regiunea n şi p a golurilor suplimentare în regiunea p produce

o micsoare a barierei de potenţial cu o cantitate egală cu tensiunea fotoelectrică, analog polarizari

directe a joncţiunii aflate la întuneric. Ca urmare, prin joncţiune va trece curentul de diodă într-un

sens şi curentul de iluminare în sens contrar, astfel încat curentul total în acest regim va fi:

= ( -1)- (3.10)

În această expresie, U este tensiunea fotoelectrică, care se stabileşte la bornele celulei,

polarizând-o în sens direct. În cazul ideal, valoarea maximă a acesteia(la mersul în gol) ar

corespunde dispariţiei totale a barierei de potenţial, iar tensiunea de mers în gol ar fi cu atât mai

mare cu cât doparea semiconductorului ar fi mai mare. În realitate, în toate cazurile U0<Eq şi în cele

mai bune situaţii U0 ≈2/3 Eq. Aceasta se întâmplă din cauza că, la dopări prea mari, curentul invers

creşte pe seama efectului tunel.

Din expresia curentului (3.10) rezultă că, în regim de iluminare, caracteristica U – I a

fotocelulei se obţine deplasând de jos caracteristica diodei polarizate direct la intuneric cu mărimea

28


. Aparea astfel în cadranul IV o porţiune a caracteristici pentru care P=U*I<0 ceea ce, conform

convenţiei din termodinamică, înseamnă că celula este generatoare de energie.

Pe baza expresiei (3.10) se poate stabili schema echivalentă a unei fotocelule, ca în figura

3.5. Schema cuprinde o sursă de curent constant IL (pentru o iluminare constantă), care debitează pe

rezistenţă neliniară a joncţiuni p-n, polarizată direct şi pe rezistenţa de sarcina R.

Fig.3.5 Schemele electrice echivalente ale fotocelulelor

O schemă mai exactă curinde, în plus, două rezistenţe: Rp- rezistenţă în paralel, care

reprezintă rezistenţa dintre contactele celulei pe suprafaţa acesteia şi o rezistenţă serie R s, care

modelează rezistenţa internă a celulei, datoarată în special zonelor în care purtătorii generaţi de

lumină nu sunt dirijaţi de catre câmpul intern al celulei.

3.3 Caracteristicile energetice ale fotocelulelor

a) Intensitatea curetului de scurtcircuit (petru U=0)

Isc=IL (3.11)

Curentul de scurtcircuit este determinat de numarul purtătorilor

de sarcină generaţi prin absorbţia luminii, care pot ajunge pănă la

joncţiune. Acest numar poate fi exprimat ca o fracţiune γ din

numarul total de fotoni incidenţi, astfel că:

= γ e (3.12)

Fig. 3.6 Caracteristicile externe pentru homojoncţiunea

p-n polarizată direct (1) şi iluminată(2)

29


Rezulă ca intensitatea curentului de scurtcircuit este direct proporţională cu intensitatea

radiaţiei luminoase incidente.

b) Tensiunea de mers in gol (pentru =0)

Din relaţia se obţine: =( -1)= , = / ,astfel că: (3.13)

Această relaţie arată ca tesiunea de mers în gol variază logaritmic radiaţiei incidente, astfel

încât manifestă o tendinţă de încetinire a creşterii (similar cu o saturare).

c) Puterea debitată de celulă se exprimă ca:

P=U =U [ - ( -1)] (3.14)

Şi reprezintă, în fig. 3.6 aria dreptungiului corespuzător coordonatelor punctului de

funcţionare. Pentru un anumit punct de funţionare M, această arie este maximă. Parametrii

corespuzători punctului M se determină astfel:

Tensiunea UM, din condiţia dP/dU=0. Rezultă o ecuaţie implicită, care se rezolvă numeric, cu

aproximare.

- ( -1)- U =0, + - (1+ )

/ +1= (1+qu/kT), ln( +1)=qU/kT+ln(1+qU/kT)

(3.15)

Curentul corespunzător puterii maxime se determină introducând rezultatul (3.15) în (3.10)

= - ( = [

Rezultă în final: = + ) (3.16) iar puterea maximă debitată de celula va fi:

30


(3.17)

d) Factorul de umplere al fotocelulei f= p/ U I. Se obţine :

(3.18)

Cu cât acest factor este mai apropiat de unitate, caracteristică externă a celulei este mai

rectangulară, ceea ce este mai util în expluatare, pastrandu-se constantă tensiunea pentru diferiţii

curenţi de sarcină.

e) Randametul celulei(eficienţa energetica) se defineşte ca raportul dintre puterea

furnizată(electrică) şi puterea incidentă(radiată).

Puterea incidentă pe unitate de suprafaţă se poate exprima:

P= (3.19)

în care:

- este fluxul de fotoni(fot./m2s), =n ;

- em este energia media a unui foton;

- n este voncentraţia fotonilor (fot./m3)

- c este viteza de deplasare a fotonilor(m/s).

În cazul puterii furnizate maxime (3.16), rezultă:

(3.20)

Eficienţa energetică a fotocelulelor depinde de lărgimea zonei interzise a semiconductorului,

Eg Numărul de fotoni din spectrul solar având energii hυ> Eg scade pe masură ce Eg creşte, iar ca

urmare, IL scade. Pe de altă parte, UM creşte pe măsura creşterii lărgimii zonei interzise, în principal

datorită cresterii tensiunii de mers în gol, dar şi prin scăderea curentului invers. Datorită acestor două

efecte contrare, eficienţa maximă a celulei, în funcţie de Eg va trece printr-un maxim, pentru un

anumit conţinut spectral al radiaţiei incidente.

31


Luând în considerare spectrul energetic solar rezultă, teoretic, că eficienţa maximă a

fotocelulelor se poate obţine, la 00C, pentru semiconductoarele care prezintă 1,1< Eg <1,9 eV. Cele

mai potrivite materiale, din acest punct de vedere sunt date mai jos:

Tab.3.1

Cu cât temperatura creşte, maximul ficienţei se deplasează către valori Eg mai mari, cu toate

că, în ansamblu, eficinţa scade. Curentul invers creşte exponenţial cu temperature, iar tensiunea de

mers în gol variază invers proporţional cu aceasta. Influenţa temperaturii este cu atât mai mare, cu

cât Eg este mai mic.

3.4 Particularităţile heterojoncţiunilor semiconductoare

Heterojoncţiunile se formează prin contactul a două materiale semiconductoare diferite atât

ca natură cât şi prin tipul de conducţie. Datorită materialelor diferite, diferă lărgimile zonelor

interzise în cele două materiale ca şi alţi parametri fizici precum constantele reţeleor cristaline,

coeficienţii de dilatare termică, afinităţile electronice, costantele dielectrice, etc.. Datorită lungimii

diferite a zonelor interzis, în regiunea de contact apar discontinuităţia la benzilor energetice de

conducţie şi de valenţă.Bariera de potenţial pentru goluri este diferită de accea pentru electroni. În

general, barierele de potenţial pot avea forme mai complicate (cu vârfuri şi văi). Din aceste motive

predomină curentul datorat unui singur tip de purtători. În cazul heterojoncţiunilor înalţimea barierei

de potenţial este limitată la o fracţiune din Eg,deoarece se adauga şi contribuţia dicontinuităţilor din

zona de contact.

Ca urmare tesiunea de mers în gol va putea fi mai mare, ceea ce constituie un mare avantaj.

Prezenţa unor fenomene care coduc la creşterea curentului invers (efect tunel) face ca marirea

randamentului să nu se facă în aceeaşi măsură. Totuşi, cele mai mari randamente teoretice şi practice

s-au obţinut în cazul heterojoncţiunilor.

Materialul Si InP GaAs CdTe CdSe GaP

Eg(eV) 1,11 1,29 1,39 1,45 1,74 2,24

Tipul joncţiuniiRandamentul(%)

Teoretic Realizat

n AlAs – p GaAs 28 18,5

n Cds – p CdTe 25 10 – 12

n GaAs – p Gap 28 8

n InP – p GaAs 30 -

n Cds – p Si 26 5

32


Tab. 3.2 Randamentul fotocelulelor cu heterojoncţiuni

3.5 Particularităţile joncţinilor metal-semiconductor:

Formarea stratrului de baraj, care imprimă comportamentul de diodă redreseoare acestei

joncţiuni se doreste, în acest caz, efectul de emisie teromoelectrică a celor două materiale. Petru a se

realiza acest strat, trebuie îndeplinite anumite condiţii cu privire la marimile lucrului de ieşire al

electronlui din metal (Lm), respectiv din semiconductor (Ls). Astfel:

a) în cazul joncţiunii metal-semiconductor(n), trebuie ca:

Lm > Ls

Astfel încât unii electroni din semiconductor să treacă în metal, formându-se în semiconductor

un strat de sarcină pozitivă, iar materialul încarcandu-se negativ. Astfel apare campul electric intern,

care se opune trecerii electronilor prin joncţiune, stabilindu-se starea de echilibru.

b) în cazul joncţiunii metal-semiconductor(p) se cere ca:

Lm < Ls

Astfel că prin trecerea unor electroni din metal în semiconductor se formează în acesta un

strat de sarcini negative, metalul rămânând cu sarcină rezultantă pozitivă. De asemenea are loc

apariţia câmpului electric intern, care se opune trecerii în continuare a electronilor către

semiconductor.

În cazul ambelor joncţiuni menţionate, dacă inegalităţile respective nu sunt repectare, nu se

va crea stratul de baraj, obţinâdu-se un comportament de contact electric între metal şi

semiconductor. În regim de iluminare a unei asemenea fotocelule, rolul principal îl joaca zona

semiconductoare, deoarece stratul de metal depus pe suprafaţa semiconductorului trebuie sa fie atât

de subţire încât să permită trecerea luminii prin el. Eficienţa de colectare a purtătorilor generaţi în

stratul de baraj este foarte mare astfel încât desitatea curetululi de scurtcircuit rezultă mai mare decât

alte fotocelule. Având însă tensiuni de mers în gol mai reduse, randamentul este mai scăzut.

Mărirea tensiunii de mers în gol se poate realiza prin intercalarea între metal şi

semiconductor a unui strat foarte subţire din material izolant sau oxid, cu ajutorul caruia se măreşte

înălţimea barierei de potenţia, fără a introduce o rezistenţă serie important. Astfel, infulenţa asupra

curetului de scurtcircuit este redusă.

33


3.6 Factori limitativi ai eficienţei celulelor solare

O fotocelulă transformă în energie electrică numai o poarte din energia radiată incidentă.

Pierderile apar în mai multe moduri:

în faza în care energie este în formă de radiaţie, perderii prin reflexie pe suprafaţa

celulei, prin absorbţie fără generare de sarcini electrice libere şi prin transmisie către

electrodul posterior.

după crearea sarcinilor electrice libere în semiconductor, pierderi prin recombinarea

sarcililor libere, înainte de atingerea joncţiunii şi pe rezistenţa interna a celulei.

Pentru fiecare dintre aceste procese se poate stabili o eficienţă parţială. Produsul acestora dă

eficienţă totală a celulei, întrucât procesele enumerate se desfăşoară succesiv.

a) Reflexia luminii la suprafaţa celulei

Energie incidentă corespunzătoare unui interval de lungimi de undă de lăţime dλ se poate scrie

ελdλ. Din aceasta, o parte Rλελdλ este reflectată, iar restul, (l-Rλ) ελdλ, este absorbită de către fotocelulă.

Factorul de reflexie Rλ depinde de lungimea de undă λ, de calitatea suprafeţei şi de indicele de

refracţie al cristalului.

Eficienţa de pătrundere a luminii în fotocelulă se poate scrie:

(3.21)

Factorul de reflexie Rλ în domeniul vizibil are valori de 0,3-0,4 petru semiconductor având

lărgimea benzi interzise între 1,1 şi 1,5 eV. Petru micşorarea lui, pe suprafaţa celulei de depun

straturi antireflectante.

a) Absorbţia incompletă a radiaţiei

O parte din radiaţia pătrunsă în celulă, este transmisă catre electrodul opus, fără a produce

sarcini electrice libere. Aceste pierderi se pot caracteriza prin coeficientul de absorbţie e ; ele

variază exponential cu grosimea de material strabatută, putându-se exprima energia radiaţiei dupa

traversarea celulei prin multiplicarea cu factorul e-d, a energiei patrunse în celulă.

34


Rezultă că energia absorbită efectiv este parte (1-e-e.d) din energie patrunsă în celulă.

Eficienta absorbtiei se poate scrie :

(3.22)

Reducerea acestei pierderi se poate obţine prin dimensionarea corectă a grosimii celulei, pentru

a absorbi cât mai complet energia incidentă.Generarea purtatorilor liberi de sarcină

O parte dintre fotonii absorbiţi realizează doar excitarea atomilor, fără a elibera electroni sau

amplifica vibraţiile atomilor în nodul reţelei cristaline, provocând creşterea temperaturii celulei.

Daca se notează cu ηλ randamentul cuantic, definit ca raportul dintre:

numarul perechilor de sarcini libere create

numarul de fotoni absorbiti, atunci eficienţa generarii de sarcini se scrie :

(3.23)

3.7 Pierderi de energie datorate recombinarii

Dintre toţi purtatorii de sarcină creaţi în semiconductor, participă la curentul debitat de celula

numai cei care se gasesc, faţă de jonctiune. La o distanţă mai mica decât lungimea de difuzie Ln

pentru electroni, respectiv Lp pentru goluri. Celelalte sarcini se recombină , ceea ce reprezintă

pierderi din energie absorbită de catre celulă.

Notânda cu A fracţiunea de purtatori separaţi de campuri intern, eficienţa limitată de

recombinare se poate scrie :

(3.24)

e) Pierderi de tensiunea

Fotonii având o energie hυ >Eq generează sarcini libere a caror energie depăşeste energia

medie a purtătorilor, la temperatură de echilibru. Surplusul de enegie este disipat prin ciocniri cu

atomii retelei, ceea ce reprezintă pierderi pe rezistenţa interna a celulei. Pierderea de tensiunea

fotovoltaica asociată tranzitiei unui electron, este egală cu raportul:

qU/ =qUλ/hc.

35


Dintre energia consumată pentru transportul unitatii de sarcină prin circuit şi energia

fotonului incident. Eficienţa condiţionată de acest tip de pierdere este:

(3.25)

În total eficienţa fotocelulelor se scrie :

(3.26)

3.8 Tipuri de celule solare

3.8.1 Celule solare cu siliciu

Tehnlogiile actuale utilizează siliciu în trei forme : monocristal, policristalin şi amorf

hidrogenat. Pe langă avantajul materiei prime disponibile în mari cantităţi, celulele de siliciu prezintă

stabilitate funcţională deosebită şi randamente relativ bune.

Realizarea unei fotocelule cu siliciu presupune parcurgerea urmatoarelor etape :

producerea plachetei semiconductoare

realizarea celulei propriu-zise

încapsularea

În prima etapă au loc urmatoarele operatiuni: obţinerea din cuarţ a siliciului metalurgic,

rafinarea Si metalurgic pentru obţinerea purităţii necesare semiconductorului ; obţinerea

monocristalului de Si sub formă prismatică sau de panglică (având grosimea plachetei) ; taierea

plachetelor (folosind un disc diamantat) urmată de corodarea chimică, pentru înlaturarea defectelor

de suprafaţă. În vederea scaderii costului celulelor cu siliciu, în această etapă există urmatoarele

posibilitaţi: renunţarea la puritatea de tip ‘’semiconductor’’.

Prin admiterea unui anumit procent de impurităţi scaderea randamentului fotocelulelor este

neînsemnată, însa costul prelucrarii scade mult. Acest grad de puritate se numeste ‘’solar’’; folosirea

Si policristalin care se obţine prin turnare în lingouri şi racire controlată ; deşi randamentul celulelor

obtinute va fi mai mic, eliminarea formarii monocristalului are efect economic mai mare ; folosirea

Si amorf hidrogenat. Placheta de Si obţinută în această faza poseda conducţie de tip ‘’P’’ realizată în

fază de topitură.

36


Etapa realizarii celulei cuprinmai redus şi cu conducţie electrică cât mai bună. Pe suprafaţa

iluminată se pune o grilă opturând inevitabil o parte din suprafaţa celulei. Pe partea opusă se poate

pune un strat continuu de metal.

De exemplu pe partea iluminata se foloseşte Ag, iar pe partea opusa aluminiu aliat cu Pd.

Depunerea stratului antireflectant, care trebuie sa aiba indice de refracţie 2 şi să fie transparent la

spectrul solar. Se folosesc TiO2, Ta2O5 în grosimi de 800-1000A.

Etapa de încapsulare constă în urmatoarele: realizarea conexiunilor dintre plachetele dintr-o

capsulă, pentru a obţine parametri externi doriţi ; asamblarea într-o structura sandwich , cu alte

straturi de protecţie.

Scopul acestei operaţiuni este asigurarea protecţiei fotocelulei împotriva umiditaţii, poluarii

şi a deteriorarii metalice. Repartiţia costului total al fotcelulei pe cele trei etape este aproximativ :

40% realizarea plachetei, 30% realizarea celulei şi 30% asamblarea în carcasă.

Deşi randamentul teoretic maxim al fotocelulei cu Si monocristalin atinge 22%, celulele

realizate potrivit tehnologiilor descrise, au un randament de cel mult 14%. Posibilităţile de mărire a

randamentului în continuare sunt :

reducerea grosimii stratului n la cca. 0,3- randament 16%

texturarea suprafeţei pentru reducerea pierderilor prin reflexie, randament 17% ;

celulele cu straturi multiple, randament până la 19,5%

Datorită creşterii temperaturii celulei în asemenea situaţie, creşte rezistenta serie, deci

pierderile interne în celulă. De aceea trebuie asigurată racirea celulelor, ceea ce implică un consum

de energie din exterior.

Pentru marirea eficienţei în aceste condiţii de concentrare a radiaţiei, se pot folosi celule de

concentraţie specială la care dispunerea contactelor are loc astfel încat să se folosească toată

suprafaţa iluminată. Performanţele obţinute sunt date în tabelul 3.3

Tipul celulei solareFatctorul de

concentrare

Temperatura celulei

(00C)

Randamentul

(%)

Celula cu Si, conventionala 30 100 6

Idem 120 <40 8

Celula intrepatrundere 220 15 16

Celula multijonctiune vert. 330 130 6.1

Tab. 3.3 Celule solare cu siliciu amorf hidrogenat

37


Proprietaţiile siliciului amorf hidrogenat rezultă atât din diferenţele dintre Si amorf şi Si

monocristal cât şi din diferenţele dintre Si amorf hidrogenat şi Si amorf pur. Si monocristalin este un

semiconductor cu benzile energetice de valenţa şi conducţie clar delimitate, în care purtatorii de

sarcină au mobilitaţi mari în capul electric. Acesta permite ca sarcinele libere sa difuzeze pe distanţa

de 200-300 n, iar controlul conductibilităţii prin impurificare sa fie eficient.

Din cauza dezordinii structurale, care împlică mulţi atomi cu legaturi covalente rupte, în Si

amorf pur, benzile de conducţie şi de valante se prelungesc una către cealaltă, acoperind intervalul

dintre ele cu straturi energetice, din ce în ce mai puţine catre mijlocul intervalului. Numarul mare de

straturi energetice din zona interzisă, face posibilă controlarea prin dopare a timpului de conducţie şi

asigura o mare probabilitate de recombinare a purtatorilor de sarcini generaţi de lumină. Acest fapt

asociat cu mobilitatea redusă a sarcinilor libere în acest caz, face ca efectul fotoelectric sa fie

neglijabil în Si amorf.

Siliciu amorf hidrogenat este un aliaj Si-H conţinând hidrogen în proporţie de până la 30%.

Circa 1% din hidrogen compensează legaturile covalente rupte dintre atomii de Si ai reţelei

dezordonate, iar restul realizaeză noi legaturi Si-H, care atenuează abaterile de la ordinea locală.

Rezultatul este că, ramanand amorf, Si-H se apropie de caracterul de semiconductor ideal şi al Si

monocristalin. Densitatea de straturi energetice ocupate în interiorul benzii interzise, scade cu trei

ordine de marime, ceea ce face posiblul controlul conducţiei prin dopare.

Cercetarile din acest domeniu sunt foarte intense în vederea simplificarii tehnologiei şi

reducerii substanţiale a pretului. Eficientă realizată în faza de producţie industriala se apropie de

7% ; în condiţii de laborator s-au obţinut şi 12%.

3.8.2 Celulele solare pe bază de sulfură de cadmiu

Pornind de la materialul de bază, CdS, se pot realiza mai multe tipuri de celule solare, CdS –

Cu2S, CdS- CuInSe, CdS – CdTe şi altele. CdS se foloseste sub formă policristalină. Fară de Si acest

material prezintă o absorbţie mai rapidă a radiaţiei solare ; totodată lungimea de difuzie a purtatorilor

de sarcină liberi este mult mai redusă, astfel încât stratul de bază poate avea o grosime mai mică

(numai 25m în loc de 200m la Si). Cu2S are bandă interzisă mai îngustă; deoarece acest strat

absoarbe cea mai mare parte a spectrului solar în grosimi foarte mici, grosimea lui este de numai 0,1-

0,2 m. Acest material nu se poate obţine decât ca semiconductor de tip ‘’p’’. Cea mai simplă cale

de realizare a acestui strat este schimbul de ioni într-o soluţie electronică cu ioni de Cu.

Tehnologiile de realizare a unor asemenea celule cu straturi subţiri policristaline sunt mai

simple decât la Si, permiţând preţuri mult mai reduse : metoda pulverizarii, metoda evaporarii în vid,

38


metoda serigrafica. Deşi metodele enumerate au particularitaţi de realizare, diferenţele de

performanţa ale celulelor obţinute nu sunt relevante.

Structura unei celule cu straturi subtiri de tip CdS/Cu2S poate fi, în principiu de două feluri,

în funcţie de modul de iluminare. În cazul iluminarii posterioare, CdS având bandă interzisă larga,

permite trecerea celulei mai mari parţi a luminii catre Cu2S unde este absorbită.

De aceea contactul superior trebuie sa fie transparent.Performanţele celulelor CdS sunt, în

privinţa eficienţei teoretice, de ordinul a 15%, iar în faza industrială de 6-8%.

3.8.3 Celulele solare pe bază de GaAs

GaAs este unul dintre materialele cele mai potrivite pentru conversia fotoelectrică a energiei

solare datorită faptului că, având o largime a benzii interzise de 1,39 eV se situează pe maximul

curbei de eficienţă a conversiei în funcţie de Eg.

3.8.4 Celule fotovoltaice cu siliciu cristalin

Germaniul nu se foloseşte la realizarea fotocelulelor din cauza slabei sale rezistenţe la

temperaturi ridicate. Siliciul domină piaţa mondială a celulelor fotovoltaice ( peste 50%), din cel

puţin trei motive: stabilitate funcţională şi randamente bune, tehnologii bine puse la punct în alte

domenii ale electronicii, el fiind şi unul din cele mai abundente materiale din natură. Tehnologiile

actuale utilizează siliciul sub trei forme: monocristal, policristalin şi amorf hidrogenat. Dezavantajul

major al acestor tipuri de fotocelule este costul încă ridicat.

Tehnologia cu siliciu monocristalin tipică are trei etape distincte: producerea plachetei (40%

din cost), producerea celulei (40% din cost), asamblarea şi încapsularea (20%). În prima etapă,

nisipul sau cuarţul este transformat în siliciu de grad metallurgic (99% puritate). Materialul este

purificat în continuare în siliciu de grad semiconductor. După purificare siliciul este topit, se dopează

corespunzător şi este tras apoi în monocristal. Materialul este tăiat apoi în plachete de 0.3 mm

grosime, ce se polizează pentru îndepărtarea defectelor de tăiere. In etapa de producere a celulei,

placheta se dopează din nou pentru a forma o pătură superficială de conductivitate opusă plachetei

de bază. Se ataşează apoi contactele metalice pe cele două feţe şi adăugarea unui strat antireflectant

pe faţa luminată definitivează celula.

Celulele sunt apoi interconectate şi încapsulate transparent sticlă sau plastic. Pentru reducerea

costurilor se admite un nivel de purificare intermediar între siliciul metalurgic şi cel semiconductor

şi anume siliciul de tip solar, nivel care nu afectează semnificativ randamentul celulei solare. S-a

dezvoltat o tehnologie de producere a unei panglici de siliciu monocristalin, obţinându-se siliciu de

grad solar, eliminând etapele de tăiere şi polizare.

39


Panglica se obţine prin ridicarea siliciului în stare topită prin efect capilar într-o matriţă din

grafit cu fantă dreptunghiulară (firma Mobile Tyco-SUA). Renunţarea completă la siliciul

monocristalin în favoarea celui policristalin antrenează o scădere considerabilă a preţurilor, deşi

randamentul este mai slab.

Siliciul de grad solar se toarnă în lingouri paralelipipedice urmată de tăierea şi prelucrarea

mecanică. Doparea finală a plachetelor se face prin difuzie din fază gazoasă sau solidă şi prin

implantare ionică cu atomi de fosfor (placheta fiind de tip p).

Difuzia din stare gazoasă nu este recomandată deoarece se dopează plachetele pe ambele feţe

şi o joncţiune va trebui înlăturată. Difuzia din stare solidă se face prin depunere chimică din stare de

vapori (CVD), pulverizare şi serigrafiere.

Cea mai utilizată este tehnologia prin serigrafiere. O pastă cu fosfor este întinde pe plachetă

printr-o sită serigrafică. apoi plachetele sunt arse la 900ºC într-un cuptor tunel, sunt corodate şi se

obţine joncţiunea. Implantarea ionică produce o dopare foarte bine controlată, dar echipamentul este

cam scump şi nu se justifică pentru celule solare, care nu au cerinţe deosebite privind controlul

dopării.

În figura 3.7 este prezentată structura unei celule fotoelectrice normale cu siliciu cristalin

3.8.5 Fotocelule cu siliciu amorf hidrogenat (a-Si:H)

Din cauza ordinii structurale, siliciul monocristalin (c-Si), are benzi de conducţie şi de

valenţă clar delimitate, în care purtătorii de sarcină au mobilităţi mari, deci este un semiconductor cu

proprietăţi controlabile prin dopare controlată. Nu acelaşi lucru se poate spune despre siliciul amorf

pur (a-Si). Acesta, din cauza dezordinii structurale, are mulţi atomi cu legături rupte.

Acestea fac ca să existe un număr mare de stări energetice, iar purtătorii de sarcină să posede

mobilităţi scăzute. Toate acestea fac imposibilă controlarea prin dopare a tipului de conducţie şi în

final conduc la o fotoconducţie neglijabilă.

40


Dacă, prin procesul de preparare al siliciului amorf, în acesta se incorporează şi hidrogen,

rezultă siliciul amorf hidrogenat (a-Si:H), care este de fapt un aliaj siliciu-hidrogencu hidrogen în

proporţie de până la 30%. Circa 1% din acest hidrogen compensează majoritatea legăturilor rupte din

atomii de siliciu ai reţelei dezordonate, iar restul hidrogenului realizează legături siliciu-hidrogen

care relaxează în continuare tensiunile şi abaterile de la ordinea locală, impuse de necesitatea

interconectării atomilor într-o reţea care rămâne totuşi dezordonată.

În final, numărul de stări energetice se reduce şi se obţine un semiconductor amorf cu

proprietăţi asemănătoare celui cristalin şi care are proprietăţi fotovoltaice controlabile prin dopare

controlată.

Cea mai utilizată metodă de preparare a a-Si:H este metoda descărcării luminescente sau GD

(glow discharge) într-o atmosferă de silan-SiH4, un compus gazos al siliciului figura de mai jos .

Stratul de a-Si:H se depune pe un suport din sticlă, metal sau chiar plastic, plasat într-un reactor de

depunere. În reactor, racordat la o instalaţie de vidare, se introduce un debit controlat de SiH4, în

care se amorsează o descărcare electric luminescentă prin aplicarea unei tensiuni de radiofrecvenţă.

În plasma descărcării , SiH4 se descompune în grupuri SiH3 , SiH2 , SiH, pe suport depunându-se în

final un strat de a-Si:H.

Acesta este un semiconductor cvasi intrinsec cu un slab caracter n. Proprietăţile stratului se

controlează prin temperatura suportului, debitul şi presiunea gazului şi tensiunea de radiofrecvenţă

aplicată.

Fig. 3.8 Instalaţie de depunere a siliciului amorf hidrogenat (a-Si:H) prin descărcare luminescentă în

plasmă de silan

Straturi de a-Si:H cu dopare controlată se obţin cu mici adaosuri de fosfină (PH 3 dopare n)

sau diboran (B2 H7 - dopare p), procente de debit în general sub 1% din debitul de silan.

41


Avantajele tehnologice şi economice sunt evidente: prin controlul simplu al duratei de

depunere şi al debitelor se pot realiza în mod controlat, pe suporţi ieftini, structuri complexe p-n, p-i-

n, p-p+ etc., din compuşi gazoşi ai siliciului şi la temperaturi scăzute (3000 C).

Aceste celule au lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină foarte redusă şi efectul

fotovoltaic ar fi neglijabil dacă siliciul amorf nu ar avea un coeficient de absorbţie a radiaţiilor solare

mult mai bun (cu un ordin de mărime) decât cel cristalin. Rezultă că sunt necesare grosimi de câţiva

microni faţă de sute de micron la cele cu siliciu cristalin . Din acest motiv un strat suplimentar de

circa 0.7 µm de tip i, adică cu conducţie intrinsecă, este binevenit, această regiune devenind regiune

de barieră cu câmp electric ridicat.

3.8.6 Celule solare pe bază de CdS

Aceste celule solare sunt de tipul heterojoncţiune obţinute în tehnologie cu straturi subţiri

policristaline. Stratul de bază (stratul n) este întotdeauna sulfura de cadmiu CdS, dar stratul p poate fi

realizat în mai multe moduri: din sulfură de cupru Cu2 S, telurură de cadmiu CdTe sau CuInSe2.

Există mai multe tehnologii de realizare a acestor celule solare: metoda pulverizării pirolitice din

soluţie (spray), metoda evaporării termice în vid şi metoda serigrafică. Metoda evaporării în vid, se

pare că este cea mai folosită şi va fi prezentată în continuare. Tehnologia evaporării în vid este bine

cunoscută, fiind folosită pe scară largă în industria dispozitivelor semiconductoare, deci este

accesibilă întreaga gamă de utilaje necesare.

Celulele CdS-Cu2S au intrat în atenţia cercetătorilor deoarece pot fi obţinute cu straturi

subţiri policristaline, deci consum redus de materiale semiconductoare şi cu tehnologii de mare serie.

O asemenea asociere a fost determinată de doi factori:

sulfura cuproasă, care este semiconductorul cu banda interzisă îngustă şi în care are loc

absorbţia celei mai mari părţi din lumina spectrului solar, nu poate fi obţinută decât sub

formă de semiconductor de tip p, şi ca atare s-a ales un alt semiconductor de tip n având

proprietăţi ale reţelei potrivite cu ale ei;

42

Fig 3.9 Celulă fotovoltaică cu siliciu amorf hidrogenat şi structură p – i –n.


sulfura cuproasă poate fi obţinută printr-o reacţie chimică direct pe stratul de CdS.

Există două tipuri posibile de structuri: cu iluminarea joncţiunii dinspre partea de CdS şi cu

iluminarea dinspre partea de Cu2S. Ultima soluţie este cea mai folosită deoarece permite folosirea

unor benzi metalice netransparente în calitate de contacte la stratul de CdS.

O asemenea structură este prezentată fig. 3.9.1. În calitate de substraturi sefolosesc în special

plăci de sticlă ordinară sau folii subţiri de cupru (0.035 mm). În primul caz, în calitate de contact

reflectant se utilizează un strat de argint obţinut prin evaporare în vid. În al doilea caz folia de cupru

este zincată şi ca urmare a tratamentelor termice rezultă un strat de alamă care este reflectant, zincul

din compoziţia ei asigurând contactul ohmic la CdS.

Pulberea presată de CdS este încălzită indirect într-un creuzet de cuarţ, în vid, de la un încălzitor

de grafit. Substratul este încălzit tot indirect în aceeaşi incintă vidată până la 2000C. Viteza de

evaporare asigură o depunere de circa 1µm/min. Se depune un strat de 15-30µm.

Fig. 3.9.1 Celulă solară CdS-Cu2S obţinută prin metoda evaporării în vid.

Stratul de Cu2S se obţine prin reacţia chimică a sulfurii de cadmiu cu o clorură cuproasă în

aşa fel încât atomii de Cu îi înlocuiesc pe cei de Cd în matricea cristalină a sulfurii de cadmiu. Acest

proces poartă denumirea de topotaxie. El se realizează fie prin scufundarea (dipping) stratului de

CdS într-o soluţie de CuCl la 990C fie prin depunerea în vid a unui strat de CuCl urmată de un

tratament termic de reacţie.

3.8.7 Celule solare din GaAs:

Utilizarea acestui tip de semiconductor la realizarea celulelor solare ar avea , în raport cu

siliciul, următoarele avantaje:

este cel mai eficient material semiconductor în conversia energiei solare în energie electrică

prin fenomene fotovoltaice (eficienţă maximă 26%);

43


poate funcţiona la temperaturi superioare siliciului, permiţând realizarea de celule solare cu

concentrarea 1000 faţă de concentrarea 100 cât permit cele de siliciu;

coeficient de absorbţie mai ridicat, ceea ce permite folosirea structurilor foarte subţiri.

Ele au şi dezavantaje, din care cauză încă nu au cunoscut o mare răspândire. Astfel, acest

material semiconductor este mai scump de vreo 10 ori decât siliciul. Tehnologia de realizare a

acestor fotocelule este cea a creşterii epitaxiale, care de asemenea este mai scumpă de circa 10 ori

decât celelalte tehnologii utilizate în cazul siliciului.

Ţinând cont şi de avantaje şi de dezavantaje, cele două direcţii sunt comparabile între ele, aşa că

multe firme din lume produc astfel de celule. O structură tipică este prezentată în fig. 3.9.2.

Straturile se obţin prin creştere epitaxială. Stratul p are trei substraturi. Stratul AlGaAs-p

acţionează ca un contact aproape transparent pentru stratul p, iar ultimul strat GaAs-p are rolul de a

asigura valori reduse pentru rezistenţa de contact metalsemiconductor.

Fig. 3.9.2 Structura tipică a unei celule cu strat fereastră din AlGaAs

Şi în România s-au realizat astfel de celule, încapsulate în capsule de tranzistoare de putere

tip TO3, capabile să producă 3.4 W la o concentrare a radiaţiei solare de 500.

3.9 Noi tendinţe in fabricaţia celulelor fotovoltaice:

La ora actuală, toţi producătorii de celule fotovoltaice caută soluţii pentru îmbunătăţirea

performanţelor celulelor fotovoltaice şi pentru reducerea costurilor de fabricaţie a acestora, respectiv

a panourilor care le conţin. Cateva dintre aceste tendinţe sunt prezentate în continuare.

44


Realizarea de suprafeţe cu pierderi prin reflexie minime. Astfel de cellule fotovoltaice au

suprafaţa realizată într-o structură piramidală, pentru ca lumina incidentă să lovească de mai multe

ori suprafaţa celulei.

Utilizarea unor materiale noi, cum sunt: Galiu-Arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu (Cd-Te) sau

Cupru-Indiu-Seleniu (CuInSe2).

Realizarea unor celule fotovoltaice tandem, construite din material semiconductoare diferite

asezate unul deasupra celuilalt, cu scopul de a capta energia luminoasă intr-un domeniu de lungimi

de undă cat mai larg.

Utilizarea unor concentratori de lumină, realizaţi dintr-un sistem de oglinzi, care pe de-o

parte să mărească intensitatea radiaţiei luminoase si pe de altă parte să poată

urmări deplasarea Soarelui pe cer. Producerea campului electric intern prin realizarea unei joncţiuni

intre un strat subţire de oxid si un semiconductor, această soluţie fiind mai eficientă decat joncţiunea

pn. Utilizarea celulelor Gratzel, care sunt celule fotovoltaice cu lichid electrochimic si utilizează

dioxid de titan ca electrolit si o vopsea specială, pentru a imbunătăţi procesul de absorbţie a luminii.

3.10 Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute prin efect fotovoltaic:

În figura 3.9.3 este prezentat un sistem de producere şi utilizare a curentului continuu cu

ajutorul panourilor fotovoltaice.

Fig. 3.9.3 Sistem cu panou fotovoltaic pentru producerea

curentului continuu

Acest tip de aplicaţie poate să permită de exemplu asigurarea iluminatului electric, cu becuri

de curent continuu, în imobile situate în zone izolate şi neelectrificate.

Se observă că panoul fotovoltaic nu este singurul component al sistemului. Deoarece

momentul în care este nevoie de energie electrică, nu coincide cu cel în care este prezentă radiaţia

45


solară, energia electrică furnizată de panou este acumulată într-una sau mai multe baterii pentru a fi

utilizată la nevoie.

Între panoul fotovoltaic şi baterie este intercalat un regulator de încărcare deoarece parametrii

curentului electric la ieşirea din panou sunt variabili, în funcţie cel puţin de intensitatea radiaţiei

solare, iar parametrii curentului electric utilizat la încărcarea bateriei trebuie să fie constanţi.

Consumatorii alimentaţi cu curent continuu, sunt conectaţi tot la bornele de iesire ale regulatorului,

pentru a fi alimentaţi cu curent electric avand parametrii constanţi.

3.11 Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu şi alternative:

Avand în vedere că un asemenea sistem are nevoie de o putere electrică mai mare, specifică

de regulă consumatorilor de curent continuu, este nevoie de utilizarea unui număr mai mare de

panouri fotovoltaice, iar numărul bateriilor este de asemenea mai mare, pentru că sistemul să poată

asigura puterea electrică maximă, pentru un timp cat mai lung, înainte ca bateria să se descarce.

Trebuie menţionată prezenţa obligatorie în sistem a unui echipament denumit invertor, care

transformă curentul continuu în curent alternativ.

În figura 3.9.4 este prezentat un sistem de producere şi utilizare simultană a curentului continuu şi

alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

3.12 Sistem hibrid pentru producerea şi utilizarea simultană a curentului

continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

46


Tehnologia sistemelor hibride este o nouă apropiere către electrificarea descentralizată.

Aceste sisteme în cele mai multe cazuri sunt proiectate în micro-reţele monofazate sau trifazate, care

alimentează în general consumatori casnici.

De foarte multe ori într-un astfel de sistem, pe lângă sursele regenerabile de energie, sunt

cuplate şi surse de energie clasice cum sunt generatoarele cu motoare diesel. Acestea sunt utilizate în

cazurile în care cererea de energie depăşeşte capacitatea surselor regenerabile, în anumite momente

ale zilei si/sau ale anului.

Un sistem hibrid petru producerea energiei electrice înglobeaza mai multe surse de energie şi

poate alimenta consumatorii fară întreruperi chiar dacă una dintre surse nu functionează. Majoritatea

sistemelor hibride sunt sisteme off-grid, adică nu sunt conectate la reţea, având acumulatori în

alcatuirea lor. Aceste sisteme sunt folosite în zone izolate unde conectarea la reteaua electrica este

imposibilă sau foarte scumpă. Sistemele hibride au capacitate limitata din cauza generatoarelor de

energie electrica instalate şi a capacitaţii acumulatorilor. Dimensiunea sistemului de acumulatori

poate sa fie foarte mare, pana la 100.000Ah, numai că preţul este destul de mare.

Din acest motiv se doreşte o eficentizare a producţiei şi a consumului de energie electrică.

Utilizatorii unui sistem off-grid trebuie să înveţe să folosească eficient sistemul de energie electrică

în intervalul acestor limitari. Atunci când nu este soare generatorul diesel porneşte automat astfel

încât să asigurere necesarul energetic fără bătăi de cap. Astfel se evită riscul de a rămâne fără

energie.

Dezavantajul major al sistemelor hibride este faptul că acestea pot fi influenţate foarte uşor

de sarcinile conectate, curbele de sarcină având variaţii foarte accentuate chiar şi într-un interval de

câteva minute. Acest lucru duce la necesitatea implementării unor dispozitive de control care să

răspundă rapid la modificările din sistem.

Problema stocării într-un sistem

energetic autonom este foarte importanţa,

deoarece utilizarea dispozitivelor de stocare

poate duce la obţinerea unui randament ridicat

al sistemului, şi poate contribui la

îmbunătăţirea parametrilor energiei din

sistem.

47


În figura 3.9.5 este prezentat un sistem hibrid pentru producerea şi utilizarea simultană a curentului

continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Faţă de sistemul prezentat anterior, acest sistem hibrid are în componenţă şi un generator

electric acţionat de un motor cu ardere internă de tip diesel. Acest generator, care poate să producă

atât curent continuu cât şi curent alternativ, are rolul de a asigura puterea electrică necesară în

perioadele de varf de sarcină, sau în perioadele în care radiaţia solară nu este suficient de intensă.

3.13 Sistem fotovoltaic racordat la reţea:

Nu sunt folosite baterii pentru stocarea energiei electrice produse. Alimentarea

consumatorilor se face în curent alternativ, excesul de energie electrică produsă în timpul zilei este

vandută reţelei electrice de transport. Capacitatea sistemelor pot ajunge la sute şi mii de kilowaţi dar

pot fi folosite şi configuratii cu capacitate mică. Avantajele centralelor fotovoltaice racordate la reţea

sunt generate de lipsa acumulatoarelor din aceste sisteme. În acest caz stocarea energiei neconsumate

se realizează în reteaua electrică, care joacă rolul unui acumulator cu capacitatea de stocare

"infinită".

În figura de mai jos este prezentat un sistem pentru producerea şi utilizarea curentului

alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice, racordat la reţeaua locală de alimentare cu energie

electrică.

Figura 3.9.6

Un asemenea sistem pentru producerea curentului electric alternativ, cu ajutorul panourilor

fotovoltaice, permite utilizarea directă a curentului electric produs de sistemul fotovoltaic, dar şi

48

4


furnizarea acestuia în reţeaua locală de alimentare cu energie electrică, acest sistem fiind furnizor de

energie electrică.

Este evident că imobilele prevăzute cu un asemenea sistem de alimentare cu energie

electrică, trebuie să fie prevăzute cu câte un dispozitiv de măsură care să contorizeze energia

electrică furnizată în reţea, dar şi cu un contor pentru măsurarea consumului de energie electrică

absorbită din reţea.

Avantajele utilizării acestor sisteme faţa de sistemele fotovoltaice independente sunt:

exploatarea integrala a energiei fotovoltaice furnizate de panouri; stocarea fiind de capacitate infinita

în retea, economie de cca. 40% din investitie (lipsa bateriilor), mentenanţa minimă (bateriile sunt

cele care cer cea mai mare atenţie), durată de viaţa prelungită a sistemului, energie pură datorită

eliminarii reciclarii bateriilor

Prezentarea instalaţiei din laboratorProgramul care se foloseşte pentru a studia panourile fotovoltaice este PM/EV, simulând

comportamentul unui generator fotovoltaic, în general este alcătuit dintr-un panou fotovoltaic, un

panou de instrucţie pentru evaluarea parametrilor principali a sistemului, cum ar fi parametrii

electrici generaţi în diverse ramuri ale circuitului, în current continuu şi current alternativ, şi dintr-o

structură computerizată pentru analiza operaţiilor efectuate de sistem prin intermediul unui PC.

Sistemul reprezintă configuraţia unei centrale de sine stătătoare, cu baterii pentru stocare

energiei şi invertor, energie asigurată de panou sau baterie ce poate fi folosită la alimentarea unor

lămpi sau dispozitive externe (PC, sarcini rezistive,etc.).

4.1 Componentele principale

Un panou fotovoltaic, alcătuit din două module independente formate din 36(4x9) celule fiecare,

fabricate din siliciu monocristal, şi o structură suport ce asigură urmărirea soarelui, care poate

deplasa panoul pe două axe, referitor la unghiul înălţimii soarelui şi a unghiului azimutal, pentru a

optimiza expunerea către soare;

un solarimetru, montat pe suprafaţa plană a panoului, pentru măsurarea radiaţiei solare

incidente;

un regulator de sarcină, care optimizează fluxul de putere ce tranzitează panoul fotovoltaic,

bateria şi invertorul;

o baterie de stocare, care determină funcţionarea centralei şî în lipsa radiaţiilor;

49


un invertor, care converteşte variabilele electrice, la ieşirea din baterie sau panou

fotovoltaicm din c.c. în c.a.;

un voltmetru, pentru măsurarea tensiunii în diferitele ramuri ale circuitului;

un ampermetru, pentru măsurarea curenţilor în diferitele ramuri ale circuitului;

un analizator al variabilelor electrci în c.a.;

un dispozitiv sinoptic,ce concentrează modurile de conexiune a diferitelor componente ale

centralei;

un încărcător de baterie auxiliar;

un sistem de control la distanţă cu PC-ul, care permite afişarea şi înregistrarea parametrilo

electric curent generaţ

Figura 4.1 Prezintă o vedere de ansamblu a instalaţiei de laborator

Pentru a evalua radiaţia incidentă panoului fotovoltaic, se foloseşte un instrument denumit

solarimetru care măsoară radiaţia pe o suprafaţă plană (Watt/m2). Radiaţia măsurată este suma

radaiţiei directe emisă de soare, a radiaţiei difuze şi a radiaţiei reflectate (radiaţia totală se cuprinde

în gama spectral 0.3μm-3 μm). Instrumentul este conform standardului ISO 9060 si apaţine clasei 2.

50


Solarimetrul LP PYRA 03 se bazează pe senzorul unei pile termoelectrice. Suprafaţa sensibilă a pilei

termoelectrice este acoperită cu vopsea neagră opacă care permite solarimetrului să fie neselectiv la

lungimi de undă diferite. Gama spectrală a solarimetrului este determinată de transmisia celor cuple

de sticlă de tip K5.

Energia radiantă este absorbită de suprafaţa înegrită de pila termoelectrică, în acest fel

creându-se o diferenţă de temperatură între centrul pilei termoelectrice (îmbinare caldă) şi corpul

solarimetrului (îmbinare rece). Diferenţa de temperatură între îmbinarea caldă şi cea rece este

convertită într-o diferenţă de potenţial mulţumită efectului Seebeck.

Solarimetrul LP PYRA 0.3 are în componenţă cu o cupolă ce are diametrul extern de 32mm

şi grosimea de 4mm, pentru a garanta izolţia termică a pilei termoelectrice împotriva vântului, şi

pentru a reduce sensibilitatea la radiaţia termală. Cupelele protejează pila termoelectrică de praful

care dacă se depozitează pe partea înegrită ar pute schimba gama spectrală.

Trebuie menţionat şi faptul că performanţele panourilor fotovoltaice sunt dependente de

temperatură. Astfel cu cât creşte temperatura, cu atât scade şi eficienţa panourilor fotovoltaice de a

converti energia radiaţiei solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o

reducere a eficienţei panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creştere a temperaturii.

De regulă performanţele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25°C.

Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie

electrică este realizată în spaţiul cosmic, unde temperatura este apropiată de 0K.

51


Figura 4.2 Panoul fotovoltaic

Sistemele autonome sunt cele la care energia electrică care este produsă în exces în ceea ce

priveşte încărcarea electrică, este acumulată în interiorul bateriilor, pentru a fi folosită în cazul

locaţiilor izolate sau întuneric. Acest tip de sistem poate fi folosit în cazul emiţătoarelor radio,

consumatorilor izolaţi, celulelor fotovoltaice etc..

utilitate: include acele aplicaţii care au consum mic de putere şi servicii izolate de linia

principală cum ar fi pomparea cantităţilor mici de apă pentru utilizare în scop sanitar,

alimentarea telefoanelor şi a emiţătoarelor radio, încărcarea bateriilor ambarcaţiunilor de

agrement, rulote etc.

consumatori izolaţi: în general de tipul celor ce sunt identificaţi ca fiind casnici care au

alimentarea cu energie electrică în curent continuu, sau pentru cei cu cerinţe de putere mai

mare, în curent alternativ cum ar fi montante, case secundare etc..

linii mini-izolate: acestea constau în centrale fotovoltaice cu puteri instalate de câţiva zeci de

kW, distribuţia se realizează în curent alternativ de cele mai multe ori trifazat şi cu

generatoarea de rezervă a unei instalaţii de tip diesel-electric, ce sunt folosite la alimentarea

satelor sau a comunităţilor izolate de linia de distribuţie. Prezenţa instalaţiei diesel, care poate

52


fi parte integrantă a procesului de generare a electricităţii face ca aceste sisteme să poartă

denumirea de sisteme hibride.

Module fotovoltaice: au cu puteri cuprinse între 20 şi 100 W, putere de vârf, alimentate în

condiţii de iluminare nominală. Panourile trebuie orinetate către sud, cu o înclinaţie,în grade, în

conformitate cu planul orizontal, egal cu latitudinea acelei locaţii. Luând în considerare faptul că

intensitatea luminoasă a soarelui se modifică în decursul zilei şi a lunilor anului, putem spune că

puterea medie generată de un panou de 1 m este în jur de 450 Watt-oră/zi;

Invertorul: curentul generat de panoul fotovoltaic este de tip continu; luând în considerare ca

marea majoritate a aparaturii necesită curent alternativ ca să funcţioneze, se va folosi un echipament

electric, invertorul, care poate să transforme puterea electrică din continuu în alternativ;

Sistemul de acumulare a energiei electrice: este un sistem de control pentru sarcina din

acumulatori care se utilizează la prevenirea avarierii din cazua defectelor sau a excesului de sarcina

(suprasarcinii).

4.2 Sisteme conectate la linia electrică(conectate la reţea)

În cazul sistemelor conectate la reţea, energia produsă este convertită în curent alternativ, şi

în cazul în care aceasta nu este folosită, este injectată în Sistemul Energetic Naţional şi contorizată

cu un contor dublu, care contorlează curentul de intrare şi cel de ieşire.

acoperişuri fotovoltaice: centrale electreice autonome (câţiva kW) injectează energia produsă

în reţelele de alimentare cu electricitate principale şi sunt instalate în spaţii periferice(cum ar

fi acoperişurile clădirilor)

centrale fotovoltaice: cu o putere instalată considerabilă , dimensionate modular;acestea sunt

compuse din mai multe unităţi de generare (subzone) cu puteri până la 500 kW;

53


Fig 4.3 Diagramă electrică simplificată a sistemului conectat la linia de 3 kW, pentru consumatori

casnici

4.3 Curbele caracteristice a generatoarelor fotovoltaiceComportamentul din punct de vedere electric al unei celule (sau a unui modul, panou, câmp)

este reprezentat cu ajutorul curbelor caracteristice numite Caracteristici I-V ale generatorului.

Valorile extreme alte tensiunii şi a curentului sunt tensiunea de mers în gol Voc (în conformitate cu

un curent nul) şi curentul de scurtcircuit Icc (în conformitate cu o tensiune nulă).

Curba caracteristică a unui modul, pentru o anumită temperatură de funcţionare a celuleor şi

fiind dată o valoarea a radiaţiilor solare. Curba puterii de ieşire este:

P=U. I (4.1)

Care este egală cu produsul dintre tensiune şi curent. Este egală cu suprafaţa dreptunghiului a

cărui margini sunt axele x şi y a punctului de operare. Se poate observa existenţa unui punct de

operare ce corespunde puterii maxime.

De obicei generatoarele panourile fotovoltaice sunt dotate cu un dispozitiv, numit detector de

putere maximă, care poate face ca generatorul să opereze constant în apropierea acestui

punct(regimul optim de funcţionare a celulei)

(4.2)

54

Reţea electrica


Tabelul 4.1 indică, pentru o celulă monocristalină de siliciu cu un diametru de 4 inch, care

corespunde unei arii de 78.5 mm2 , un curent de scurtcircuit Isco şi o tensiune de funcţionare la gol

Voco precum şi valorile curentului Imp şi Vmp în raport cu puterea maximă de funcţionare

dependente de condiţiile TR= 298 K(25°C) şi G=1000w/m2.

Eficienţa maximă a celulei în cazul acestor condiţii este de forma:

(4.3)

în care:

- G - puterea radiată care în condiţiile date este egală cu 1000(W/m2);

- Acel -suprafaţa celulei(cm2);

- Vmp- reprezintă tensiunea în punctul maxim de putere(V);

- Imp - reprezintă curentul în punctul maxim de putere(A).

Tabelul 4.1 Date caracteristice a unei celule fotoelectrice de siliciu şi condiţii de referinţă

Performanţele unui dispozitiv fotovoltaic depinde de mai multe variabile, printre care cele

mai importante sunt: radiaţia solară, temperatura celulelor, spectrul de radiaţie solară incident.

Celula fotovoltaică de siliciu

Vcao 0,585 V

Lcco 2,3 A

Vmp 0,465 V

Imp 2,047 A

Eficacitatea 12,1 (%)

55


Fig 4.4 Prezintă cum variază o caracteristică I-V a unei celule dacă se modifică radiaţia solară şi

temperatura celulei.

După cum se poate observa în graficul din stânga, curentul scade când scade radiaţia, în timp

ce tensiune rămâne aproape constantă.O creştere a temperaturii celulei în schimb, graficul din

dreapta, are un efect destul de redus asupra curentului de scurtcircuit(această creştere este egală cu

aproximativ 0.2%/°C), în timp ce acest lucru influenţează negativ tensiunea de mers în gol, cu o

scădere de aproximativ 2.2mV/°C(aceste variaţii pot fi luate ca referinţe în intervalul de temperaturi

0-60°C).

Fig 4.5 prezintă, ca exemplu, comportamentul curbelor caracteristice a celulei monocristal de siliciu

4", prezentată în tabelul 3.2, la variaţii a radiaţiei solare.

A se remarca cum cele două fenomene, deşi sunt de semn contrar, determină o scădere a

puterii date de punctul de funcţionare maxim, care poate fi măsurat între 6-7% pentru fiecare creştere

cu 10°C a temperaturii celulei.

Următoarea figură indică, în termeni calitativi, o corelaţiile între puterea maximă Pmax,

temperatura celulei Tc şi puterea solară incidentă G, figura 3.19 prezintă curentul de scurtcircuit,

comportamentul tensiunei de mers în gol şi a puterii maxime, la variaţii a temperaturii celulei, odată

ce puterea incidentă s-a stabilizat.

56

G= 1000W/m2

G= 800W/m2

G= 600W/m2

G= 400W/m2

G= 200W/m2


Figura 4.6

Deci, deoarce performanţele unui dispozitiv fotovoltaic depind, în particular, de radiaţiile

solare, temperatura celulelor şi spectrul solar de radiaţii incidente, pentru a le defini este necesar să

fixăm valorile de referinţă pentru aceşti parametri.Valorile utilizate, la nivel internaţional, ce

reprezintă condiţii de testare pentru celule şi module fotovoltaice, denumite şi condiţii standard sunt:

radiaţia = 1000W/m2;

temperatura celulelor = 25°C;

spectrul solar = AM 1,5.

A se remarca cum puterea maximă a unei celule, a unui modul. sau a unui sistem fotovoltaic,

indicată de producători ca putere de vârf, este în funcţie de condiţiile standard; astfel de valori, luând

în considerare condiţiile de exploatare reale, pot fi atinse doar pentru perioade scurte în timpul

funcţionării sistemului.

După cum s-a spus deja, celule sunt ansamblate în module, în care se pot conecta în serie sau

în paralel pentru a obţine tensiunea necesară. Pentru module identice (sau celule) conectate în serie,

tensiunile sunt auxiliare, când modulele sunt conectate în paralel, curenţii sunt auxiliari.

A se ţine minte un parametru care este des folosit pentru a evalua calitatea unei celule

fotovoltaice: "factorul de umplere", care este dat de raportul dintre puterea maximă şi produsul Vac .

Idc:

(4.4)

57


Factorul de umplere ar fi egal cu 1 dacă curba I-V ar fi un dreptunghi cu marginile Idc şi

Vac; pentru celule de siliciu obişnuite produse curent, acesta variază între 0.75 şi 0.80.Valorile

ridicate ale acestui parametru ne indică de obicei o performanţă superioară.

Factorul de umplere a modulelor folosite în programul de pregătire PM/EV este egal cu 0.72

considerând că Vm=17V, Im=6.47a, Vac=21V, Idc=7.22A.

4.4 Modul de conectare a celor două modul

După cum s-a mai spus, panoul prevăzut cu programul de instruire PM/EV este alcătuit din

două module independente, a căror cabluri electrice ajung la panoul de instruire într-un mod separat;

după cum se prezintă în figura 4.7, contactele electrice ale celor două module sunt amplasate pe

partea dreapta a panoului.

Fig 4.7 Contactele electrice ale celor două module fotovoltaice

După cum sunt prezentate contactele, este posibilă să excludem modulul superior, să

excludem modulul inferior, să conectăm cele două module în serie sau în paralel.

58


Tabelul 4.2 Însumează diferitele combinaţii ce se pot utiliza.

4.5 Conexiunile electrice între module

Configuraţia externă a modulelor fotovoltaice este aceea de componente cu două terminale, a

căror curbe caracteristice de funcţionare tensiune-curent au acelaşi comportament ca şi celulel care

compun modulul dar cu excepţia că valorile tensiunii sunt proporţionale cu numărul de celule

înseriate.

Considerând funcţionarea setului de celule şî ţinând minte că aceste celule sunt dispozitive

semiconductoare, se poate observa faptul că atunci când o celulă este umbrită, aceasta încetează să

funcţioneze ca un generator, ea funcţionând în schimb ca o diodă polarizată invers: aceasta înseamnă

realizarea unui blocaj a curentului generat care anulează puterea produsă de tot lanţul, de exemplu de

tot modulul. În cazul în care, una din celule va fi parţial umbrită, curentul prin modul va fi egal cu

cel produs de o singură celulă.

Deci, este important ca aceste module fotovoltaice, în timpul funcţionării să fie umbrite cât

mai puţin, chiar şi parţial, deoarce fiecare modul se comportă ca şi cum celule ce îl alcătuiesc ar

primi radiaţie solară egală cu cea a celulei care este cel mai puţin expusă; aceasta ar însemna o

reducere a puterii produse proporţională cu suprafaţa umbrită. Este important să se studieze dacă

într-un grup constituit din mai multe celule(mai multe module conectate în serie)şi dacă una este

umbrită, iar între timp, electrozii sunt scurtcircuitaţi sau la o tensiune foarte scăzută, apare

fenomenul de punct fierbinte. Celula umbrită, în acest caz polarizată invers cu o tensiune egală sau

foarte apropiată de tensiunea de mers în gol a celulelor înseriate rămase, este expusă pericolului de a

intra în conducţie inversă.

În acest caz, celula în cauză este obligată sa disipe putere generată de celelalte celule ale

modulului, lucru care ar duce la o creştere locală a temperaturii (punct fierbinte), ceea ce poate

determina, chiar în cazul valorilor modeste a radiaţiei solare, distrugerea celulei prin

supratemperatură. Pentru a rezolva aceste probleme, multe module de pe piaţă au montate, în placa

Contacte ElectriceConectarea modulelor

19 20 21 22

X X Doar modulul inferior

+ + Doar modul superior

/ / Serie

+ + + + Paralel

59


cu borne, nişte diode denumite de diode de mers în gol (by-pass), cu scopul de a scurtcircuita şi

astfel să izoleze modulul în cazul unui defect.

Modulele fotovoltaice, sunt alcătuite din celule; aspectul modular al sistemului fotovoltaic

indică faptul că modulul face parte dintr-un sistem mai mare denumit lanţ, de exemplu o serie de

module conectate în serie. Acest lanţuri, sunt la rândul lor conectate în paralel pentru a crea un câmp

sau un generator fotovoltaic. Numărul de module care sunt conectate în serie în fiecare lanţ depinde

de ansamblul care urmează să fie alimentat de generatorul fotvoltaic şi de tensiunea de ieşire care se

poate obţine; în acelaşi fel, numărul de lanţuri conectate în paralel pot furniza puterea cerută. Pentru

folosirea actuală a celulelor fotovoltaice, baterii şi a lămpilor este necesar ca toate jumperele din

circuitul electric sa fie amplasate. Când se calculează caracteristicile panoului fotovoltaic este

necesar să se înlăture toate jumperele şi să se conecteze ieşirea panoului fotovoltaic la o sarcină

rezistivă variabilă.

4.6 Convenţia semnelor privind curenţii

Semnul curenţilor indică direcţia de parcurgere în raport cu nodul centra, stabilindu-se

următoarele:

Pozitiv:

curentul de ieşire al generatorului fotovoltaic;

curentul de ieşire al baterie;

curentul de intrare al invertorului.

Negativ:

curentul de intrare al generatorului fotovoltaic;

curentul de intrare al bateriei;

curentul de ieşire al invertorului.

4.7 Sistemul de control al transferului de putere între modulele fotovoltaiceÎn acest subcapitol, se analizează pe scurt, două componente foarte importante şi anume:

sistemul de control al transferului de putere de la panou la baterii sau consumatori (regulator de

sarcină); creşterea puterii cedate de modulul fotovoltaic (dispozitiv de urmărie a poziţiei soarelui).

Trebuie menţionat un lucru în privinţa echipamentelor de control a puterii condiţionate şi a

sarcinii. Astfel de dispozitive includ o serie de echipamente care optimizează cuplare între sistemul

fotovoltaic şi echipamentele de după acesta, de exemplu baterii, invertoare şi consumatorii.

Un dispozitiv tipic de control, de exemplu regulatorul de sarcină, este acel dispozitiv care

întrerupe circulaţia puterilor spre baterii atunci când tensiune între terminale depăşeşte valoarea

60


maximă fixată şi resetează această circulaţie atunci când aceeaşi tensiune scade sub o valoare

minimă fixată.

Regulatorul de sarcină folosit este de tip serie, cu reglajul sarcinii prin intermediul

impulsurilor de modulaţie, dotat cu sondă de măsurare a temperaturii interioare care compensează

limitele de tensiune. Sistemul, are o structură solidă (fară releu), diodele de blocaj fiind amplaste în

interior pentru blocare circulaţiei inverse a curentului pe timp de noapte. Panoul fotovoltaic furnizat

împreună cu programul de instrucţie PM/EV este compus din două module independente, care la

rândul lor sunt alcătuite din 36 de celule de eficienţă maximă, construite din siliciu monocristal.

4.8 Specificaţii electrice şi curbele caracteristice

Tabelul 4.3 Prezintă specificaţiile electrice ale modulelor fotovoltaice

Puterea de vârf(Wp) Unitate de masură 110

Curentul de scurtcircuit(Isc) A 7,22

Tensiunea la gol(Voc) V 21

Tensiunea la putere maximă(Vm) V 17

Curentul la putere maximă(Im) A 6,47

Curentul la tensiunea bateriei(12-13V) A 6,9

Temperatura normală de funcţionare 0C 43±2

Abaterea Voc de temperatură mV/0C -90

Sarcina Vântului N/m2 2400 (200 km/h)

Temperatura de funcţionare 0C de la -40 la +90

Tensiunea de funcţionare V 100

61


Fig.4.8 Curba caracteristică modulelor fotovoltaice

62


4.9 Diagrama electrică a interconexiunilor dintre celule

Din diagram de mai jos se poate observa cum cele patru " rânduri" de celule, alcătuite din

câte nouă celule fiecare, sunt conectate în serie, şi cum sunt conectate în paralel cu aceste

rânduri,două celule de mers în gol, cuplate în pereche.În acest fel, dacă cele două rânduri care se află

la bază sunt umbrite, este posibilă generare de putere chiar dacă în proporţii mai reduse.De obervat

faptul că este suficient să umbrim o singură celulă pentru ca celule de pe două linii adiacente să nu

mai contribuie la generare de putere.

4.9 Diagrama electrică a interconexiunilor

Celule sunt laminate în permanenţă între

straturi de acetat de vinil, sticla călită

(semisecurizată) şi tedlar alb pentru a le oferi o protecţie ideală împotriva umidităţii şi coroziunii.

Sticla semisecurizate, caracterizată de transparenţă ridicată la lumină directă sau difuză, este fixată

pe cadru cu silicon pentru a asigura o protecţie eficentă împotriva solicitărilor mecanice şi

ambientale. Izolaţia ridicată dintre cadru şi celule, reduce probabilitate de dispersie a curentului, care

este în general principala cauză a pierderilor de putere din instalaţiile fotovoltaice de tensiune înaltă.

4.10 Date experimentale4.10.1 Caracteristica curent-tensiune

Montajul experimental realizat în cadrul lucrării de licenţă este reprezentată schematic în

Figura 4.10 şi conţine panoul experimental, un ampermetru (A), un voltmetru (V) şi o rezistenţă de

63


sarcină, notată R. Astfel, trebuie menţionat faptul că panoul experimental este format dintr-un panou

fotovoltaic de la care sunt achiziţionate informaţiile pentru prelucrare şi un modul pentru modelarea

acestor date (informaţii).

Pentru o variaţie a parametrilor caracteristici panoului fotovoltaic (tensiune, curent), a fost

utilizată o rezistenţă variabilă R de circa 0 ÷ 8 Ω, înseriată la modulul. Datele au fost extrase cu

ajutorul ampermetrului şi voltmetrului reprezentat în figura 4.10.

Figura 4.10

Panoul fotovoltaic cuprinde prezintă două module:

modulul superior;

modulul inferior.

Modul de lucru: s-a urmărit trasarea curbelor U-I pentru fiecare modul al panoului

fotovoltaic ca şi pentru conctarea în serie şi respectiv în paralel a celor două module. În fiecare caz,

s-a modificat sarcina reprezentată de rezistorul R între 0 şi 8 Ω; de asemenea s-a realizat şi regimul

de mers la gol. Rezultatele sunt prezentate în tabele şi grafice, după cum urmează:

4.10.1.Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic

Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaicpentru cazul modulului superior:

Tabelul 4.4

Tensiunea bateriei (V1) Curentul de sarcină (A1)18.7 017 2

16.4 2.515.8 315.2 3.514.3 412.6 4.55.4 4.8

Panou fotovoltaic

RA

64

V


Figura 4.11

Caracteristica curent tensiune a panoului fotovoltaicpentru cazul modulului inferior:

Tabelul 4.5Tensiunea bateriei (V1) Curentul de sarcină (A1)

18.9 017.1 216.5 2.515.8 315.1 3.514.2 412.4 4.5

65

Tensiunea(V1

Curentul(A1)

Tensiunea(V1)Tensiunea(V1)

Curentul(A1) Curentul(A1)


Figura 4.12

Din figurile prezentate anterior, pentru cazurile celor două module separate, se observă cu

uşurinţă că în cazul creşterii curentului, tensiune scade, cu particularizare la modulul superior când

de la o valoare a curentului de circa 4.5 A, tensiunea scade considerabil.

Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic pentru cazul când cele două module sunt conectate în paralel:

Tabelul 4.6

Tensiunea bateriei (V1) Curentul de sarcină (A1)

18.6 0

16.8 2

16.3 2.5

15.4 3

14.5 4

11.3 4.5

Figura 4.13

Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic pentru cazul când cele două module sunt conectate în serie:

66

Tensiunea(V1


Tabelul 4.7

Tensiunea bateriei (V1) Curentul de sarcină (A1)10.3 08.9 28.2 2.57.4 33.1 42.4 4.5

Figura 4.144.10.2 Funcţionarea în sarcină a instalaţiei de conversie a radiaţiei solare

Figura 4.15

De asemenea, în lucrare au fost conectate un număr de cinci lămpi, aşa cum este reprezentat

în Figura 4.15. Mai mult decât atât, între toate echipamentele prezentate anterior, sunt montate

pentru vizualizarea parametrilor (tensiune şi curent), ampermetre şi voltmetre, cum ar fi:

67

Tensiunea(V1)

Curentul(A1)


V1 = tensiunea la iesirea din panoul fotovoltaic

A1 = curentul la iesirea din panoul fotovoltaic

V2 = tensiunea la intrarea în baterie

A2 = curentul la intrarea în baterie

A3 = curentul la intrarea în invertor

V3 = tensiunea la intrarea in invertor

Ţinând seama că panoul fotovoltaic conţine un modul superior şi un modul inferior au fost

considerate patru variante de analiză:

Modul inferior

Modul superior

Modulul inferior şi superior conectate în paralel

Modulul inferior şi superior conectate în serie

Astfel, în continuare sunt prezentate cele patru variante, începând mai întai cu cele separate

(modul superior, respectiv inferior) apoi urmând celelalte două cazuri, când modulele sunt conectate

serie sau paralel.

În cazul conectării celor două module în serie au în paralel se observă că, similar celor două

module separate, tensiune scade odată cu creşterea curentului, plecand în toate cele patru cazuri de la

circa 19 V.

Următoarele tabele prezintă datele obţinute în funcţie de sarcina electrică aplicată prin

introducerea celor cinci lămpi reprezentate în Figura 4.15.

Rezultatele obţinute în urma măsurătorilor de laborator (încercărilor), cu ajutorul rezistenţei

de reglare şi a aparatelor de măsură (Ampermetru, Voltmetru), pentru cele patru cazuri prezentate

anterior, sunt descries în cele ce urmează, fiecare din cazuri având particularităţi caracteristice, şi

anume:

Pentru cazul când cele două module superior şi inferior sunt conectate în serie:

Parametri electrici

V1 V2 V3 A1 A2 A3 V I P

Numarul lampilor

V V V A A A V A W

68


1 14.7 14.1 13.8 3.8 0.1 3.4 235 0.18 41.7

2 14.2 13.2 12.7 5.2 -2.1 7.1 235 0.36 83.5

3 13.5 12.7 11.5 5.2 -7 12 236 0.58 126

4 12.9 12.2 10.6 5.2 -11.6 16.5 229 0.7 163

5 / / / / / / / / /

Tabelul 4.8

Tabelul 4.8 arată că puterea furnizată de generator este suficentă până când se aprind două

lămpi în acelaşi timp (A2 pentru două lămpi -2.1); În cazul aprinderii a unei a treia lampi, puterea

este asigurată de baterie (A2 cu “+” curent care circulă dinspre baterie).

De asemenea, introducerea a unei a cincea lămpi va conduce la deconectarea invertorului

datorită alimentării reduse a bateriei şi a puterii modeste furnizate de generator. În speţă, invertorul,

când tensiunea V3 scade sub 10.6V emite un semnal de alarmă după care se deconectează automat,

iar sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la parametrii iniţiali.

Se observă că la conectarea, în această variantă, în acelaşi timp a 4 lămpi, curentul I creşte

până la 0,7 A, iar tensiunea scade sub 230 V. În speţă tot în acest caz şi tensiunile V1, V2, si V3 sunt

de valori mai mici spre deosebire de cazul conectării unei lămpi, respectiv două sau chiar trei.

Pentru cazul când cele două module superior şi inferior sunt conectate în paralel:

Parametri electrici

V1 V2 V3 A1 A2 A3 V I P

Numarul lampilor

V V V A A A V A W

1 14.2 14.1 13.8 3.8 0.1 3.4 235 0.18 41.72 14.1 13.4 13.2 8.9 1.8 6.8 235 0.36 833 13.7 13.2 11.5 9.2 -1.6 10.6 235 0.53 1254 14.4 13.6 11.6 9.6 -5.9 15.3 236 0.62 1695 / / / / / / / / /

Tabelul 4.9

În cazul modulelor conectate în parelel, spre deosebire de cele menţionate la tabelul de mai

sus, cînd cele două module au fost conectate în serie, tabelul 4.9 arată că puterea furnizată de

generator este suficentă până când se aprind trei lămpi în acelaşi timp (A2 pentru trei lămpi – 1,6), iar

ăn cazul aprinderii a unei a patra lampi, puterea este asigurată de baterie.

Introducerea unei a cincea lămpi va conduce la deconectarea invertorului datorită alimentării

slabe a bateriei şi a puterii modeste furnizate de generator similar cazului prezentat anterior. În speţă,

69


invertorul, când tensiunea V3 va scade corespunzător, acesta va emite un semnal de alarmă după care

se deconectează automat, iar sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la parametrii

iniţiali.

În această variantă, spre deosebire de conectarea în serie a modulelor, la utilizarea în acelaşi

timp a 4 lămpi, curentul I creşte până la 0,7 A , dar tensiunea V nu mai scade sub 230 V, ci

dimpotrivă atinge o valoare maximă (raportat la tensiunea în cazul utilizării concomitent a 1, 2, 3, 4

sau 5 lămpi), iar totodată, şi tensiunile V1, V2, si V3 nu se mai modifică la valori mai mari spre

deosebire de cazul conectării unei lămpi, respectiv două sau chiar trei.

Pentru cazul când modulului superior :

Parametri electrici

V1 V2 V3 A1 A2 A3 V I P

Numarul lampilor

V V V A A A V A W

1 13.8 13.5 13.4 4.5 0.8 3.5 235 0.18 42

2 13.5 13.3 12.8 4.8 -2.5 7 235 0.36 84

3 12.9 12.9 11.8 5 -6.6 11.4 235 0.53 125

4 12 12.5 10.7 5.2 -11.6 16.7 237 0.7 167

5 / / / / / / / / /

Tabelul 4.10

Tabelul 4.10 arată că puterea furnizată de generator este suficentă până când se aprind două

lămpi în acelaşi timp (A2 pentru două lămpi -2.5); În cazul aprinderii a unei a treia lampi, puterea

integratoare este asigurată de baterie. Introducerea a unei a cincea lămpi va conduce la deconectarea

invertorului datorită alimentării slabe a bateriei şi a puterii modeste furnizate de generator. În

consecinţă, invertorul, când tensiunea V3 scade sub 10.5V emite un semnal de alarmă după care se

deconectează automat, iar sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la parametrii

iniţiali.

Se observă că la conectarea, în această variantă, în acelaşi timp a 4 lămpi, curentul I creşte

până la 0,7 A, iar tensiunea atinge circa 237 V.

Pentru cazul când modulului inferior :

Parametri electrici

V1 V2 V3 A1 A2 A3 V I P

Numarul lampilor

V V V A A A V A W

70


1 13.2 13.8 12.6 4.9 1.1 3.6 236 0.18 41.72 12.8 12.6 12.1 5 -2.6 7.4 235 0.36 83.53 12.3 12.3 11.2 5.2 -7 12 236 0.53 1264 11.8 12.2 10.4 5.3 -11.4 16.4 228 0.7 1615 / / / / / / / / /

Tabelul 4.11

Tabelul 4.11 demonstrează că puterea furnizată de generator este suficentă până când se

aprind două lămpi în acelaşi timp (A2 cu semn negativ înseamnă curent care încarcă bateria);dacă se

aprinde o a treia lampă. puterea integratoare este asigurată de baterie (A2 cu semn pozitiv înseamnă

curent care circulă dinspre baterie). În plus. introducerea a unei a cincea lămpi va conduce la

deconectarea invertorului datorită alimentării slabe a bateriei şi a puterii modeste furnizate de

generator

De fapt. invertorul. atunci când tensiunea V3 scade sub 10.5V. emite un semnal de alarmă

după care se deconectează automat. sarcina trebuie de asemenea deconectată pentru a reveni la

parametrii iniţiali.

Randamentul invertorului:

unde: P = puterea consumată de becuri A3 = curentul la intrarea în invertorV3 = tensiunea la intrarea in invertor

Numarul de lampi conectate

2 module conectate în serie

2 module conectate în

paralelSuperior Inferior

1. 0.886 0.908 0.895 0.919

2. 0.926 0.924 0.937 0.932

3. 0.913 0.943 0.929 0.937

4. 0.931 0.952 0.934 0.943

71


5. / / / /

Tabelul 4.12

Astfel, pe baza relaţiei de mai sus s-au calculat randamentele invertorului în toare cele patru

cazuri prezentate anterior (pentru conectarea concomitentă a 1, 2, 3, 4 sau 5 lămpi).

Din tabelul 4.12 reiese, în mod cert, că randamentul invertorului este aproximativ pentru

cazurile celor două module conectate atât în serie, cât şi în paralel, în cazul când se aprind două

lămpi în acelaşi timp, În condiţiile în care este aprinsă doar o lampă, respectiv cazul cu trei sau patru

lămpi aprinse concomitent, se observă o diferenţă sensibilă între randamentele invertorului şi în

cazul conectării în serie şi/sau parallel şi în cazul modului superior şi inferior.

Mai mult decât atât, în mod general, chiar dacă la funcţionarea a două lămpi rezultă

randamente ale invertorului apropiate, maximul randamentului este atins pentru utilizarea a patru

lămpi în acelaşi timp, iar minimul sau deconectarea invertorului (cazul cel mai nefavorabil) se

regăseşte odată cu funcţionarea a 5 lămpi în toate cazurile prezentate în tabel.

În particular, pe baza celor prezentate în table, se observă că randamentul maxim al

invertorului este la varianta conectării în paralel a celor două module, având conectate un număr de

patru lâmpi, iar minimul rezultă la conectarea modulelor în serie şi care prezintă o singură lampă

conectată.

Randamentul panoului solar:

unde: E = intensitatea radiaţiei luminoase S = suprafaţa panoului fotovoltaic

V1 = tensiunea la iesirea din panoul fotovoltaicA1 = curentul la iesirea din panoul fotovoltaic

Numarul de lampi conectate

2 module conectate în serie

2 module conectate în

paralelSuperior Inferior

1. 0.121 0.202 0.206 0.2152. 0.115 0.117 0.215 0.2123. 0.108 0.209 0.214 0.2124. 0.102 0.178 0.207 0.2075. / / / /

72


Tabelul 4.13

Din tabelul 4.13 se observă că randamentul panoului solar prezintă un maxim ân cazul

utilizării unei singure lămpi, iar modulele sunt conectate în serie. În cazul conectării acestora în

paralel randamentul panoului amintit anterior este foarte mic.

Se poate face o analogie cu cele menţionate anterior, şi similar randamentului invertorului, în

cazul conectării a 5 lămpi randamentul se reduce considerabil, şi tinde spre pragul minim. Deşi în

cazurile conectării lămpilor 1, 2, 3 sau 4, pentru modul Superior şi Inferior, randamentele panoului

solar pentru fiecare din cele 4 variante, sunt sensibil apropiate ca mărime, se poate observa că

valoarea acestora este mică, ceea ce conduce la o funcţionare necorespunzătoare a panoului.

Totodată se poate observa că dacă randamentul maxim este rezultat în cazul conectării celor

două module în serie cu o singură lampă conectată şi randamentul minim este întâlnit tot în această

variantă dar la utilizarea a 4 lămpi concomitent.

Bibliografie

1. Mircea Guşă. Energetică generala. Editura Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” Iaşi.

Iaşi. 1993.

2. F.T Tanasescu. D. Moraru. C.I. Popescu. C. Popescu. Converia Energiei. Editura Tehnică.

Bucureşti. 1986.

3. I.Bostan. V. Dulgheru. I. Sobor. V Bostan. A. Sochirean. Sisteme de conversie a energiilor

regenerabile. Editura Univ. Tehn. a Moldovei.- Chişinău.: „Tehnica-Info". 2007.

4. Laurenţiu Fara. Sisteme fotovoltaice. Editura Matrix Rom. Bucureşti. 2005.

5. Lucian Ciobanu. Surse de energie electrică. Editura Matrix Rom. Bucureşti. 2010.

6. Tudor Ambros. I. Sobor. V. Arion. P. Todos. A. Gutu. Editura Univ. Tehn. a Moldovei.-

Chişinău. 2000.

7. M. Paulescu. Algoritmi de estimare a energiei solare. Editura Matrix Rom. Bucureşti. 2007.

73

Conversia energiei solare în energie electrică 74

Conversia energiei solare in energie electrica

Documents

Transcript of Conversia energiei solare in energie electrica