ConversiaFotoVoltaica SE

IEM - A. Morega, Surse de energie.

Conversia fotovoltaică

Celule/module fotovoltaice

Noiembrie - Decembrie, 2011


•  Introducere •  Istoric •  Efectul fotovoltaic - legea Beer-Bouger-Lambert •  Modelul atomic Bohr •  Efectele fotoelectrice

–  Efectul extern –  Efectul intern

•  Principiul celulei solare •  Tipuri de celule solare •  Caracteristica externă a celulei solare •  Aplicaţii



Sistem fotovoltaic integrat - Georgetown University, Washington (SUA) -instalată în 1984, 4464 module fotovoltaice, 337 kWp.


Noiembrie - Decembrie, 2011 IEM - A. Morega, Surse de energie.

Istoric •  1839: Henri Becquerel descoperă că prin iluminarea unei soluţii

chimice poate fi produs curent electric. •  1877: Efectul este observat în legătură cu seleniul. •  Celulele solare funcţionale au apărut in anii 1950. •  Einstein (1905) şi Schottky (1930) - formulează principiul

conversiei. •  Chapin, Pearson si Fuller (1954) - produc celula solară, pe bază de

siliciu, care converteste 6% din lumina incidentă în electricitate utilizată în aplicaţii speciale, (ex. sateliţii orbitali, 1958).

•  Celulele contemporane au o eficienţă de conversie a luminii incidente în electricitate de aprox. 18%, la o fracţiune din preţul de acum 30 de ani.

•  Există o gamă largă de tehnologii de producţie a celulelor solare din siliciu (amorfe, cristale, policristale), sau din alte materiale (cupru-indiu diseleniu, cadmiu teluric, etc).


Efectul fotovoltaic

€

J x( ) = J 0( )e−αx

€

Transmitanta =I1I0

= e−αlc

€

Absorbanta = − log10I1I0

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟ = εlc, ε =α 2.303

•  Absorţia de lumină duce la producerea de purtători de sarcină, a căror rată de generare scade exponenţial cu distanţa de la suprafaţa iluminată a materialului.

€

G x( ) = G 0( )e−αx

€

G 0( ) = ηαq 0( )Noiembrie - Decembrie, 2011


Modelul atomic Bohr

€

FZ = me ⋅ rn ⋅ ωn2

€

FC =14πε0

⋅Z ⋅ e2

rn2

€

= h 2π

€

n ⋅ = me ⋅ rn2 ⋅ ωn

€

rn =n2 ⋅ 3 ⋅ 4 ⋅ π ⋅ ε0Z ⋅ e2 ⋅me

€

ωn =1

4 ⋅ π ⋅ ε0( )2⋅Z 2 ⋅ e4 ⋅me

3 ⋅ n3Noiembrie - Decembrie, 2011


€

En =12⋅me ⋅ ve

2 =12⋅me ⋅ re

2 ⋅ ωn2 =

1n2⋅Z 2 ⋅ e4 ⋅me

32 ⋅ π2 ⋅ ε02 ⋅ 2



Efectele fotoelectrice extern şi intern

€

E =h ⋅cλ


IEM - A. Morega, Surse de energie. Stări energetice ale electronilor în atomi,

molecule şi corpuri solide. Noiembrie - Decembrie, 2011


Benzi energetice în conductori, semiconductori şi izolatori.



Ridicarea electronilor din BV la BC într-un semiconductor, datorită acţiunii luminii (efect foto interior).



Principiul celulei solare

Structura cristalină a Si (stânga); conducţia intrinsecă în laticea cristalină datorată unui electorn "defect" (dreapta).


IEM - A. Morega, Surse de energie. €

n ⋅ p = ni2 = ni0

2 ⋅T 3 ⋅exp −Egk ⋅T

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

€

ni0 = 4.62 ⋅1015 cm-3K-3 2



€

µn = µ0n ⋅TT0

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

−3 2

€

µ p = µ0p ⋅TT0

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

−3 2

€

κ =1ρ

= e ⋅ n ⋅µn + p ⋅µ p( ) = e ⋅ n ⋅ µn +µ p( )

Conducţia defectelor în Siliciu dopat n şi p. Noiembrie - Decembrie, 2011


€

n =nD ⋅NL

2⋅exp − ED

2 ⋅ k ⋅T⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

€

p =nA ⋅NV

2⋅exp − EA

2 ⋅ k ⋅T⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟



Formarea regiunii de sarcină spaţială la joncţiunea p-n prin difuzia electronilor şi golurilor.

€

VD =k ⋅Te

⋅ ln nA ⋅ nDni2



•  Sarcinile spaţiale localizate la nivelul interfeţei formează un sistem complet (suma lor este 0). Dacă dn şi dp sunt lungimile de difuzie,

•  Dimensiunea totală a regiunii de sarcină spaţială de la nivelul joncţiunii este

•  Pentru Siliciu dopat cu nD = 2⋅1016 cm-3, nA = 1⋅1016 cm-3, la T = 300 K, tensiunea electrică datorată difuziei este Vd = 0.73 V; εr = 11.8, dn = 0.13 µm, dp = 0.25 µm.

•  Dacă electronii sunt ridicaţi din BV în BC, câmpul electric de barieră îi atrage în regiunea n. Similar, golurile generate se vor deplasa în regiunea p.

€

dn ⋅ nD = dp ⋅ nA

€

d = dn + dp =2 ⋅ εr ⋅ ε0 ⋅Ud

e⋅nA + nDnA ⋅ nD

Principiul celulei solare, în modelul benzilor de energie.



•  Celula solară poate converti doar o parte din energia fotonilor în curent electric. •  Fotonii cu energii mai mici de Eg (λ < λmax) nu pot ridica electroni din BV în BC.

•  O parte din lumina solară incidentă este reflectă de celuă, iar o parte este transmisă de aceasta. Mai mult, electronii se pot recombina cu golurile.

€

λmax =h ⋅cEg

=1.24µm ⋅eV

Eg

Procesele care au loc într-o celulă iradiată.



€

S λ( ) =e ⋅ λh ⋅c

⋅ηext λ( ) =λ

1.24µm⋅AWηext λ( )

Răspunsul spectral al celulei solare.

€

I ph = S λ( ) ⋅E λ( ) ⋅ A∫ ⋅dλ

€

E = E0 ⋅ 1−exp −α ⋅ d( )[ ]



•  Difuzivităţile electronilor şi golurilor sunt diferite. •  Sub acţiunea luminii are loc separarea spaţială a

purtătorilor de sarcină mobili, electronii, care (de regulă) au o mobilitate mare - ei pătrund în semiconductor în mai mare masură decât golurile.

•  Suprafaţa iluminată se încarcă pozitiv. •  Suprafaţa neiluminată se incarcă negativ. •  Apare un câmp electric orientat dupa raza de lumină.



Tipuri de celule solare

Procedeul Czochrlasky


IEM - A. Morega, Surse de energie. Noiembrie - Decembrie, 2011


Caracteristicile curent-tensiune ale celulei solare si diodei. Caracteristica externă a celulei solare.

Caracteristica externă a celulei solare



Aplicaţii

•  Celulele fotovoltaice, individual, funcţionează la o tensiune de 0.5V. Sunt conectate în serie pentru a furniza tensiuni mai mari.

•  Panourile solare sunt construite în diferite variante: – Panouri de tensiune mică şi, sau, putere mică rezultă prin conectarea a 3…

12 segmente Si amorf cu o suprafaţă totală de câţiva centimetri pătraţi pentru tensiuni de 1.5…6 V şi puteri de O(mW). Desi aceste celule sunt mici, producţia totală este mare. Sunt utilizate pentru ceasurile de mână, de cameră, camere de filmat, sau aparate care sesizează diferenţa de lumină zi-noapte.

– Panouri mici de 1-10 W şi 3-12 V, cu suprafete de 100…1000 cm2 construite fie prin tăierea unor celule mono sau policristaline de 100 cm2 şi conectarea lor în serie, fie prin folosirea panourilor din Siliciu amorf. Sunt utilizate pentru radiouri, jucării, pompe mici, garduri electrificate, şi pentru încărcarea baterilor de capacitate mică.

– Panouri mari, de 10…60 W, si în general 6 sau 12 V, cu suprafeţe de 1000...5000 cm2, construite de obicei din 10…36 celule înseriate. Sunt folosite separat (pompe mici), sau în reţele electrice domestice. Noiembrie - Decembrie, 2011


Sisteme mai mari pot fi construite prin legarea mai multor panouri.

Sistemele PV conţin următoarele componente:

a)  Reţea cu 2…102 panouri fotovoltaice.

b)  Panou de control pentru reglarea puterii electrice furnizate.

c)  Sistem de stocare a energiei (acumulatori).

d)  Convertor curent continuu - curent alternativ.

e)  Surse de energie pentru cazuri de urgenţă (generator diesel).

f)  Suport şi loc de depozitare pentru panouri.

g)  Sisteme de urmărire sau focalizare şi senzori (opţional). Noiembrie - Decembrie, 2011

ConversiaFotoVoltaica SE

Documents

Transcript of ConversiaFotoVoltaica SE