Convertirea Energiei Solare in Energie Electrica

Conversia energiei solare în energie electrică

Referat EIP

REZUMAT

Lucrarea prezintă principalele configuraţii ale sistemelor fotovoltaice

cu panouri solare, alături de cele mai utilizate topologii de invertoare

fotovoltaice. Sunt descrise elementele componente ale acestora,

avantajele, dezavantajele şi domeniile de putere şi aplicabilitate.

ABSTRACT

The paper deals with the main power configurations for PV systems

with solar cells and the most used topologies of PV inverters with and

without DC-DC boost converters and LF/HF transformers. The main

components, configurations, advantages, drawbacks and a range of

applications are also described

of 49


Referat EIP

Definirea conceptului de energie

Energia este capacitatea materiei de a efectua lucru mecanic ca

rezultat al mişcării sau al poziţiei în relaţie cu forţele care acţionează

asupra sa.

Energia asociată mişcării se numeşte energie cinetică, iar cea

asociată poziţiei se numeşte energie potenţială.

Energia există în diferite forme: mecanică, termică, chimică,

electrică, radiantă şi nucleară. Toate formele de energie se pot transforma

unele în altele, prin procese adecvate. În procesul transformării, energia

cinetică sau potenţială poate creşte sau să se micşoreze, dar suma celor

două energii rămâne constantă.

Toate formele de energie tind să se transforme în căldură, care este

cea mai perisabilă dintre forme. În mecanisme, energia care nu este

transformată în lucru mecanic util este disipată sub formă de căldură de

frecare, iar pierderile din circuitele electrice sunt în principal sub formă de

căldură (efectul caloric).

Observaţiile empirice din secolul al 19-lea au condus la concluzia că

deşi energia se poate transforma dîntr-o formă în alta, ea nu poate fi

creată sau distrusă. Acest concept, cunoscut sub numele de principiul

conservării energiei, constituie unul din principiile de bază ale mecanicii

clasice. Acest principiu, împreună cu cel al conservării materiei, este

valabil doar pentru viteze mici în comparaţie cu viteza luminii. La viteze

mari, comparabile cu viteza luminii, cum ar fi cele din reacţiile nucleare,

of 49


Referat EIP

energia şi materia se pot converti una în cealaltă. Astfel, în fizica modernă,

cele două concepte materie şi energie sunt unificate. Relaţia a fost

exprimată de Einstein : E=mc2.

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin

transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale

regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vânturilor, a apelor

curgătoare, a proceselor biologice şi a căldurii geotermale pot fi captate

de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne-

reînnoibile includ energia nucleară precum şi energia generată prin

arderea combustibililor fosili, aşa cum ar fi ţiţeiul, cărbunele şi gazele

naturale. Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la

generarea curentului electric, apei calde, etc.

Energia eoliană este generată prin transferul energiei vântului unei

turbine eoliene. Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a

suprafeţei Pământului de către energia radiată de Soare care ajunge la

suprafaţa planetei noastre. Această încălzire variabilă a straturilor de aer

produce zone de aer de densităţi diferite, fapt care creează diferite mişcări

ale aerului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită la antrenarea

elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate.

Energia eoliană este o sursă inepuizabilă. Producerea energiei

folosind ca sursă vântul nu duce la poluarea mediului şi este disponibilă în

proporţii practic nelimitate. Costurile de producere sunt în momentul de

faţă comparabile cu cele ale energiei produse din combustibili tradiţionali.

Aplicaţiile posibile pentru folosirea energiei :

Turbinele de vânt - energia este generată într-un alternator de

turaţie joasă, rezultatul fiind o tensiune de 240-400v de putere variabilă,

atât timp cât bate vântul.

of 49


Referat EIP

Turbogeneratoarele eoliene sunt o altă aplicaţie a energiei vântului.

Energia geotermală

Sub denumirea de energie geotermală sunt exploatabile două surse

de energie:

- energia miezului fierbinte al Pământului transmisă prin conducţie,

straturilor superioare ale acestuia.

- energia solara transmisă prin radiaţie pământului şi înmagazinată

în paturile sale de suprafaţă.

Aplicaţiile moderne ale energiei geotermale includ pompe

geotermale pentru încălzirea şi răcirea locuinţelor.

Energia solară este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat

al reacţiilor de fuziune nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spaţiu

în cuante de energie numite fotoni, care interacţionează cu atmosfera şi

suprafaţa Pământului. Intensitatea radiaţiei solare la marginea exterioară

a atmosferei, când Pământul se află la distanţa medie de Soare, este

numită constantă solară, a cărei valoare este de 1,37*106 ergs/sec/cm2

sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea, intensitatea nu este

constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani.

Intensitatea energiei solare la suprafaţa Pământului este mai mică decât

constanta solară, datorită absorbţiei şi difracţiei energiei solare, când

fotonii interacţionează cu atmosfera.

Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electrică sau să

încălzească aerul din interiorul unor clădiri. Deşi energia solară este

reînnoibilă şi uşor de produs, problema principală este că soarele nu oferă

energie constantă în nici un loc de pe Pământ. În plus, datorită rotaţiei

Pământului în jurul axei sale, şi deci a alternanţei zi-noapte, lumina solară

of 49


Referat EIP

nu poate fi folosită la generarea electricităţii decât pentru un timp limitat

în fiecare zi. O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă

existenţa zilelor noroase, când potenţialul de captare al energiei solare

scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicaţiile acestei forme

de energie reînnoibilă.

Nu există nici un dezavantaj deoarece instalaţiile solare aduc

beneficii din toate punctele de vedere.

Practic, energia solara poate fi folosita să:

- genereze electricitate prin celule solare (fotovoltaice)

- genereze electricitate prin centrale electrice termale

- genereze electricitate prin turnuri solare

- încalzeasca blocuri, direct

- încalzeasca blocuri, prin pompe de caldură

- încalzeasca blocuri, prin cuptoare solare

1. Utilizari directe în industrie şi agricultură

- cuptoare solare

- uscatorii solare

- încalzitoare solare

- distilerii solare

- desalinizarea apei de mare

2. Utilizari indirecte în industrie şi agricultură

of 49


Referat EIP

- transformarea în energie mecanică

- transformarea în energie electrică

3. Utilizari casnice

- climatizare de iarna şi vară

- apa calda menajeră

- frigidere solare

- sobe de gătit solare

4. Utilizari cosmice

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde

într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea

punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate fi

absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Absorbţia naturală a energiei solare are loc în atmosferă, în oceane

şi în plante. Interacţiunea dintre energia solară, oceane şi atmosferă, de

exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt.

Utilizările moderne ale energiei eoliene presupun maşini puternice, uşoare,

cu design aerodinamic, rezistenţe la orice condiţii meteo, care ataşate la

generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a

unei reţele de distribuţie locală sau regională.

Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea

atmosferei este consumată în circuitul hidrologic, care produce ploi şi

energia potenţială a apei din izvoarele de munte şi râuri. Puterea produsă

de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită

energie hidroelectrică. Prin procesul de fotosinteză, energia solară

of 49


Referat EIP

contribuie la creşterea biomasei, care poate fi folosită drept combustibil

incluzând lemnul şi combustibilele fosile ce s-au format din plantele de

mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea,

extrase din biomasă.

De asemenea, oceanele reprezintă o formă naturală de absorbţie a

energiei. Ca rezultat al absorbţiei energiei solare în oceane şi curenţi

oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În anumite locuri, aceste

variaţii verticale se apropie de 20°C pe o distanţă de câteva sute de metri.

Când mase mari de apă au temperaturi diferite, principiile termodinamice

prevăd că un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de

energie de la masa cu temperatură mai mare şi transferând o cantitate

mai mică de energie celei cu temperatură mai mică. Diferenţa între aceste

două energii calorice se manifestă ca energie mecanică, putând fi legată

la un generator pentru a produce electricitate.

Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale,

numite colectori solari, care sunt proiectate să capteze energia, uneori

prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată captată, este

folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele

termice, energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid,

care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice,

energia solară este transformată direct în energie electrică, fără a folosi

dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite

oglinzile sau lentilele care captează razele solare într-un receptor, unde

căldura solară este transferată într-un fluid care pune în funcţiune un

sistem de conversie a energiei electrice convenţionale.

Câteva dintre aceste dispozitive de captare a energiei solare:

Panourile solare

of 49


Referat EIP

Panourile solare termice (cunoscute şi sub denumirile de captatoare

solare şi colectoare solare) sunt instalaţii ce colectează energia continută

în razele solare şi o transformă în energie termică. Deoarece aproape

întreg spectrul radiaţiei solare este utilizat pentru producerea de energie

termică, randamentul acestor panouri este mult mai ridicat. Din punct de

vedere funcţional, componenta principală a panoului solar este elementul

absorbant (absorber) care transformă energia razelor solare în energie

termică şi o cedează unui agent termic (apă, antigel).

Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are

temperatura crescută datorită transferului de căldură. Energia transferată

fluidului purtător este numită eficienţă colectoare instantanee. Panourile

solare au în general una sau mai multe straturi transparente pentru a

minimaliza pierderile de căldură şi pentru a putea obţine o eficienţă cât

mai mare. În general, sunt capabile să încălzească lichidul colector până la

82°C cu un randament cuprins între 40 şi 80%.

Aceste panouri solare au fost folosite eficient pentru încălzirea apei

şi a locuinţelor. Acestea înlocuiesc acoperişurile locuinţelor. În emisfera

nordică, ele sunt orientate spre sud, în timp ce în emisfera sudică sunt

orientate spre nord. Unghiul optim la care sunt montate panourile depinde

de latitudinea la care se găseşte instalaţia respectivă. În general, pentru

dispozitivele folosite tot anul, panourile sunt înclinate la un unghi egal cu

latitudinea la care se adună sau se scad 15° şi sunt orientate spre sud

respectiv nord.

Captatoare de energie

Pentru aplicaţii cum sunt aerul condiţionat, centrale de energie şi

numeroase cereri de căldură, panourile solare nu pot furniza fluide

colectoare la temperaturi suficient de mari pentru a fi eficiente. Ele pot fi

folosite ca dispozitive de încălzire în prima fază, după care temperatura

of 49


Referat EIP

fluidului este apoi crescută prin mijloace convenţionale de încălzire.

Alternativ, pot fi folosite colectoare mai complexe şi mai scumpe. Acestea

sunt dispozitivele care reflectă şi focalizează razele solare incidente într-o

zonă mică de captare. Ca rezultat al acestei concentrări, intensitatea

energiei solare este mărită şi temperatura care poate fi atinsă poate

ajunge la câteva sute sau chiar câteva mi de grade Celsius. Această

captatoare trebuie să se mişte după cum se mişcă soarele, pentru a

funcţiona eficient şi dispozitivele utilizate se numesc heliostate.

Tehnologia de captare a energiei solare prin tuburi

vidate

Ansamblul de tuburi solare vidate sunt elementul absorbant al

încalzitoarelor de apă din instalaţiile cu panouri solare. Aceste tuburi

solare vidate sunt alcătuite, la rândul lor, din două tuburi de diametre

diferite fabricate din sticlă brosilicată extrem de rezistentă, cu o înaltă

stabilitate chimica şi rezistentă la şocuri termice. Tubul exterior este

transparent şi lasă razele solare să treaca cu o reflexie minimă. Tubul

interior are însă suprafaţa exterioară acoperită cu un strat selectiv

(Al-N/Al) cu calităţi deosebite de absorţie şi reflexie minimă. Capetele celor

două tuburi sunt lipite prin topire iar aerul dintre ele este evacuat atunci

când aceste tuburi sunt expuse la temperaturi înalte. Depresiunea dintre

cele două tuburi atinge valori mai mici de 5x10-3 pa, cu scopul eliminarii

aproape total a pierderilor prin convecţie şi conductibilitate. Acest lucru

poate fi asigurat şi conservat pe o perioadă de timp cât mai lungă numai

dacă procesul de fabricaţie este foarte bine pus la punct. Această

operaţiune de vidare este pentru tuburile colectoare factor important prin

care se asigură performanţe funcţionale ridicate.Pentru creşterea

performantelor tehnice s-au dezvoltat variante noi îmbunătăţite de

colectoare cu tuburi vidate. Astfel varianta de tuburi solare vidate clasice

a fost imbunatatită cu varianta de tuburi vidate cu heat pipe şi varianta de

tuburi vidate de tip " U ".

of 49


Referat EIP

of 49


Referat EIP

Principalul lor avantaj constă în faptul că pot funcţiona în sisteme

solare de încalzire sub presiune şi pe toată durata anului calanderistic cu

cheltuieli minime de expolatare şi întreţinere.

Celule fotovoltaice

Sistemele fotovoltaice realizează conversia directă a energiei

radiaţiei solare în energie electrică, fără o poluare sonoră şi făra emisia

unor gaze poluante în mediul ambiant. Sistemele fotovoltaice au fost

folosite la început pentru a echipa sateliţii, după aceea pe scară mai largă

la echiparea ceasurilor electronice precum şi a unor calculatoare. În ultimii

20 de ani sute de mii de sisteme fotovoltaice au fost instalate în toată

lumea. Ele sunt folosite în orase mici, precum şi în sate în care

implementarea unui astfel de sistem este mai rentabilă decât conectarea

la reţeaua electrică sau folosirea de baterii / minigeneratoare de curent.

Astfel de sisteme au functionat perioade lungi de timp în domenii ca

pomparea apei, electrificarea unor localitaţi sau case izolate, gestionarea

unor rezerve de apă, aparate de taxat pentru parcări, telecomunicaţii sau

of 49


Referat EIP

protecţie catodica. Totuşi, în ciuda succesului acestor sisteme în toată

lumea piaţa lor reprezintă numai un procent mic din ceea ce ar putea

reprezenta piaţa de sisteme independente. Existenţa sistemelor

fotovoltaice şi rentabilitatea implementarii lor, atât la nivel urban cât şi

rural nu este cunoscută de potenţialii utilizatori. Deasemenea, există

concepţii gresite privind tehnologia fotovoltaică, ca de exemplu ideea că

sistemele fotovoltaice functionează numai în lumina solara intensă,

tehnologia este prea sofisticată sau ideea că ar fi prea scumpă comparativ

cu extinderea reţelei electrice.

Un panou solar fotovoltaic spre deosebire de un panou solar

termic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie

electrică. Componentele principale ale panoului solar reprezintă celulele

solare.

Panourile solare se utilizează separat sau legate în baterii pentru

alimentarea consumatorilor independenţi sau pentru generarea de curent

electric ce se livrează în reţeaua publică.

Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici cum ar

fi tensiunea de mers în gol sau curentul de scurtcircuit.

Pentru a îndeplini condiţiile impuse de producerea de energie

electrică, celulele solare se vor asambla în panouri solare utilizând diverse

materiale, ceea ce va asigura:

protecţie transparentă împotriva radiaţiilor şi intemperiilor

legături electrice robuste

protecţia celulelor solare rigide de acţiuni mecanice

protecţia celulelor solare şi a legăturilor electrice de umiditate

asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare

of 49


Referat EIP

proteţia împotriva atingerii a elementelor componente

conducătoare de electricitate

posibilitatea manipulării şi montării uşoare

Fenomenul generarii unui curent electric într-un

circuit sub acţiunea luminii prin efect fotovoltaic a

fost descoperit de fizicianul francez Becquerel în anul

1839. Acesta a observat că, unul dintre electrozii

circuitului electric cufundat într-o soluţie de electrolit

iluminat în circuit apare un curent electric. Ulterior

Frenkel (1935), Landau(1936) şi alţi fizicieni au

descoperit că, prin iluminarea unei secţiuni din suprafaţa unui

semiconductor, iar cealaltă secţiune din suprafaţa semiconductorului

ramâne neluminată, între capetele semiconductorului apare o diferenţă de

potenţial. Acest fenomen a fost pus în evidenţă cu ajutorul unui

semiconductor prevazut cu doi electrozi metalici, conectaţi la un

galvanometru.

Dacă iluminăm o regiune din suprafaţa semiconductorului, iar

cealaltă regiune ramâne neluminată, acul indicator al galvanometrului va

indica prezenţa unui curent electric în semiconductor. Se cunoaşte că,

lumina este alcatuită din particule, fotoni. Fiecare foton are o anumită

energie caracteristică nivelului energetic al învelişului electronic al

atomului de unde provin sau sunt emişi.

Aceşti fotonii sunt fotoni electronici termici:

- infraroşii

- vizibili

- ultravioleti

of 49


Referat EIP

La interacţiunea fotonilor electronici cu substanţa-materia se produc

urmatoarele procese:

- un foton electronic poate fi absorbit de un electron situat pe o orbită

energetică fundamentală inferioară din învelişul electronic al atomului,

electronul va trece pe o orbită superioară, aici electronul nu are o situaţie

stabilă datorită fotonului şi energiei absorbite, va reveni pe orbita

fundamentală inferioară de unde a plecat iniţial, emitând fotonul şi energia

absorbită

- un foton electronic smulge un electron din învelişul electronic al

atomului consumându-şi complet energia, electronul eliberat se numeşte

fotoelectron

- un foton electronic se ciocneşte cu un electron din învelişul electronic al

atomului pe care îl smulge din atom, căruia îi transmite numai o parte din

energia sa, fotonul este deviat de la direcţia sa iniţială şi are o frecvenţă

mai mică (Eí = hní) decât cea pe care a avut-o înaintea ciocnirii cu

electronul, iar electronul smuls din învelişul electronic al atomului se

numeşte electron Compton.

Dacă un astfel de foton intră în secţiunea p a semiconductorului, el

poate fi absorbit aici. Într-un corp solid atomii au o configuraţie

caracteristică fiecarui material. O configuraţie care se repetă periodic în

volumul materialului formează o reţea cristalină. În nodurile reţelei

cristaline se află atomii, iar legăturile dintre aceştia sunt realizate cu

ajutorul electronilor care au sarcină electrică negativă şi gravitează în jurul

nucleelor incarcate pozitiv. Dacă electronii se deplasează liberi în reţeaua

cristalină, corpurile sunt bune conductoare de electricitate, iar dacă

electronii nu se pot deplasa liberi în reţeaua cristalină corpurile nu sunt

bune conductoare de electricitate.

of 49


Referat EIP

Metalele sunt bune conductoare de electricitate, iar izolatorii nu sunt

buni conductori de electricitate. Semiconductorii se situează din punct de

vedere al conductanţei electrice între metale şi izolatori. Semiconductorii

sunt buni conductori de electricitate în momentul în care materialul

comunică energie din exterior, iluminare sau încălzire.

Sub interacţiunea energiei primite din exterior, electronii ies din

starea în care se află iniţial în reţeaua cristalină şi se deplasează liberi în

reţea. Energia de activare a electronilor este produsă prin iluminare sau

încălzire.

În semiconductori există două tipuri de purtători de sarcini, electronii

purtători de sarcini negative şi ioni pozitivi sau goluri purtători de sarcini

pozitive. Un gol sau o sarcină pozitivă ia naştere în momentul în care unui

electron ii s-a comunicat energia de activare şi părăseşte atomul care

devine, ion pozitiv. Dacă un câmp electric exterior obligă electronii să se

deplaseze ordonat, locurile rămase goale se deplasează în sens contrar

mişcarii electronilor.

Semiconductorul în care numărul sarcinilor negative, electronii este

egal cu numărul sarcinilor pozitive, goluri se numeşte semiconductor

intrinsec.

O dată cu comunicarea energie de activare, în material va creşte

numărul purtătorilor de sarcini negative şi pozitive în mod egal, deoarece

la smulgerea unui electron din legătura sa atomică apare simultan şi un

gol, se generează o pereche electron-gol.În felul acesta creşte

conductibilitatea electrică a semiconductorilor.Conductibilitatea

semiconductorilor creşte foarte mult când aceştia conţin impurităţi.

Dacă în reţeaua cristalină a siliciului care are patru electroni de

valenţă, introducem un atom de arsen care are cinci electroni de valenţă.

Unul din electronii de valenţă ai arsenului este în plus faţă de numărul de

of 49


Referat EIP

electroni de valenţă ai siliciului,

iar în raport de satisfacerea a

legaturilor de valenţă siliciu-arsen,

electronul în plus este slab legat

de atomul de arsen şi devine

liber.În acest caz atomul de arsen

devine ion pozitiv.

Siliciul impurificat cu arsen (electroni) este un semiconductor de tip

n, iar arsenul este o impuritate care donează electroni. Dacă în reţeaua

cristalină a siliciului care are patru electroni de valenţă, introducem un

atom de galiu care are trei electroni de valenţă, electronii de valenţă ai

galiului au în minus un electron faţă de numărul de electroni de valenţă ai

siliciului, iar în raport de satisfacerea a legaturilor de valenţă siliciu-galiu,

apare un gol legat de atomul de galiu. Dacă iluminăm semiconductorul

siliciu-galiu, un electron de valenţă din reţea va completa electronul lipă,

iar atomul de galiu devine ion negativ. Siliciul impurificat cu galiu (goluri)

este un semiconductor de tip p, iar galiu este o impuritate acceptoare de

electroni.

Semiconductoare impurificate controlat sunt semiconductoare

extrinseci. Semiconductoarele de tip n care au un exces de sarcini

negative, electronii se numesc purtători de sarcini majoritare. În aceste

semiconductoare de tip n există şi purtători de sarcini pozitive (goluri), dar

în număr foarte mic se numesc purtători de sarcini minoritare. Prin

iluminarea semicondutoarelor de tip n le comunicăm energia de activare

care duce la apariţia de perechi electron-gol, dar fiindcă în semicondutorul

de tip n există deja foarte mulţi electroni liberi, numărul electronilor nou

creaţi va fi foarte mic faţă de numărul iniţial de electroni.

Semiconductoarele de tip p care au un exces de sarcini pozitive

(goluri) se numesc purtători de sarcini majoritare. În aceste

of 49


Referat EIP

semiconductoare de tip p există şi purtători de sarcini negative (electroni),

dar în număr foarte mic ce se numesc purtători de sarcini minoritare. Prin

iluminarea semicondutoarelor de tip p le comunicam energia de activare

care duce la apariţia de perechi electron-gol, dar fiincă în semicondutorul

de tip p există deja foarte multe goluri libere, numărul electronilor nou

creaţi va fi foarte mic faţă de numărul iniţial de goluri.

De aici, putem trage concluzia ca, prin iluminarea

semiconductoarelor extrinseci se afecteaza doar numărul purtătorilor de

sarcini minoritare, iar numărul purtătorilor de sarcini majoritare rămâne

aproape neschimbat.

În prezent, se utilizează semiconductori în care fenomenul conversiei

fotovoltaice are loc la contactul dintre doi semiconductori, unul de tip n şi

altul de tip p, adică o joncţiune p-n. Semiconductori de acest tip se pot

realiza din doi semiconductori realizaţi din bucăţi de materiale diferite sau

din acelaşi material. În ambele cazuri contactul lor se realizează mecanic.

În cazul utilizarii unor bucăţi diferite de material pentru realizarea

semiconductoarelor, de exemplu semiconductor din siliciu de tip n şi

semiconductor din germaniu de tip p, sau invers, joncţiunea dintre cei doi

semiconductori se numeşte heterojoncţiune. În cadrul aceluiaşi

semiconductor putem realiza două secţiuni, una de tip n şi cealaltă de tip

p. Astfel, în semiconductoarele de siliciu în care avem două secţiuni

interiore adiacente, una de tip n şi alta de tip p, joncţiunea obţinută se

numeşte homojoncţiune. În cazul secţiunii n a semiconductorului se află

mai mulţi electroni (majoritari) şi foarte putine goluri (minoritari), iar în

secţiunea p se află mai multe goluri (majoritari) şi foarte putini electroni

(minoritari).

Electronii majoritari din secţiunea n sunt foarte inghesuiţi şi tind să

părăseascăa secţiunea n şi să treacă în secţiunea p. Electronii liberi în

of 49


Referat EIP

stare de inghesuială din secţiunea n constranţi să stea într-un domeniu

finit, trec în secţiunea p în mod liber, poartă denumirea de difuzie.

Dacă nu intervine nici o altă cauză din exterior asupra acestei difuzii,

ea continuă până ce numărul de particule se egalează între cele două

secţiuni care reflectă principiul de energie minimă şi sileste atomii din

material să ocupe poziţii bine determinate în reţeaua cristalină.

La deplasarea electronilor din secţiunea n în p, în zona I rămân ionii

pozitivi, golurile, iar la deplasarea golurilor din secţiunea p în regiunea n,

în zona II rămân ionii negativi, electronii.

O trecere ulterioară a electronilor din zona I în zona II va fi franată de

prezenţa sarcinilor negative, electroni

care au aceeaşi sarcină electrică, se

resping reciproc. O trecere ulterioară a

golurilor din zona I în zona II va fi franata

de prezenţa sarcinilor pozitive, goluri care

au aceeaşi sarcină electrică, se resping

reciproc.

Concentratiile de electroni şi goluri nu vor putea să se uniformizeze

în cele două secţiuni n şi p, ci se va stabili o situaţie de echilibru pentru

deplasarea electronilor şi separat o situaţie de echilibru pentru deplasarea

golurilor din aceaşi zonă. În cazul acesta rezultă, sarcini pozitive +,

necompensate în zona I şi sarcini negative -, necompensate în zona II.

În prezenţa jonctiunii n-p şi a fenomenului de difuzie s-au separat

sarcinile pozitive de cele negative din secţiunile cu care ele se compensau

iniţial. Ca atare, va aparea un câmp electric E intern şi corespunzător o

tensiune U internă în zonele I şi II.

of 49


Referat EIP

Pe ansamblul celor două secţiuni n şi p, sarcina negativă se va

echilibra sarcina pozitivă, pe ansamblu semiconductorul îşi pastrează

neutralitatea electrică. Aceasta a fost comportarea unei joncţiuni p-n în

echilibru termic fără acţiuni perturbatoare exterioare.

Dacă supunem această structură echilibrată intern acţiunii luminii va

avea loc o perturbaţie externă. Dacă lumina(fotonii) va cadea pe secţiunea

p a semiconductorului, este absorbită aici. Dacă energia fotonilor este mai

mare decât energia de activare, va genera perechi electroni-goluri, iar

dacă energia fotonului este mică, el va trece prin semiconductor cedându-

şi energia parţial sau total reţelei cristaline care se va încălzi fără a putea

însă produce perechi de purtători.

Electronii şi golurile nou create se mişca liber în interiorul secţiunii p

prin fenomenul de difuzie. Electronii ajung la joncţiune unde vor fi atraşi

de sarcină pozitivă a zonei I şi vor trece joncţiunea. Golurile vor fi respinse

de zona I şi sunt nevoite să ramana în secţiunea p. Astfel apare o separare

a purtătorilor de sarcină nou creaţi şi prezenţa campului electric E intern la

joncţiune, ca urmare în secţiunea p apare o sarcină necompensabilă

pozitivă.

Dacă fotonii vor cadea pe secţiunea n a semiconductorului, ei sunt

absorbiţi aici. Dacă energia fotonilor este mai mare decât energia de

activare, va genera perechi electroni-goluri. Electronii şi golurile nou

create se mişca liber în interiorul secţiunii p prin fenomenul de difuzie.

Golurile fiind în exces ajung la joncţiune unde vor fi atraşi de sarcină

negativă a zonei II şi vor trece joncţiunea. Electronii vor fi respinsi de zona

I şi sunt nevoiţi să rămână în secţiunea n, ca atare în această secţiune n

apare o sarcină necompensata negativă.

Deci, în urma interacţiunii fotonilor cu semiconductorul, în interiorul

acestuia apar sarcini electrice pozitive în secţiunea p şi sarcini electrice

of 49


Referat EIP

negative în secţiunea n şi a unui câmp electric E cu sensul opus câmpului

E intern.

Dacă numărul de fotoni este suficient cele două câmpuri se anulează

reciproc şi nu mai poate exista câmpul intern care să separe purtătorii de

sarcină. Aceasta este condiţia ce determină tensiunea în gol a

homojoncţiunii U interne. Dacă inchidem circuitul pe o rezistenţă de

sarcină E prin acesta va trece un curent, deci se consumă o energie

electrică ce reprezintă o fracţiune din energia fotonilor incidenţi.

Fracţiunea de energie a fotonilor incidenţi se numeşte randament n

şi caracterizează un anumit tip de fotoconvertor.

Până în prezent s-au realizat celule

fotovoltaice cu un randament de aproximativ

11%.

O celula fotovoltaică din siliciu se

compune dintr-o plăcuţă de siliciu de tip n,

pe care se obţine o secţiune de tip p prin

difuzia unei impurităţi acceptoare,

realizandu-se o joncţiune p-n, electrodul superior care în unele cazuri este

acoperit cu un strat de protecţie transparent şi un electrod inferior.

În prezent se utilizează baterii fotovoltaice confectionate din astfel

de celule fotovoltaice pentru conversia energiei solare în energie electrică.

Satelitii şi navele cosmice sunt echipate şi functioneaza cu ajutorul

unor baterii fotovoltaice.

Funcţionare

of 49


Referat EIP

Sistemul fotovoltaic mai dispune şi de alte componete iar cele mai

importante sunt acumulatorii şi invertoarele. Sistemele fotovoltaice pot fi

descrise de două categorii principale.

Sisteme independente (Stand-alone systems)

Aceste sisteme sunt utilizate în zone fără energie electrică. În

principiu energia produsă de panourile solare este stocată în baterii, iar de

acolo este furnizată cu ajutorul unui invertor (convertor curent

continuu – curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220V.

Aceste sisteme sunt în general grupate pe aplicaţii profesionale de

telecomunicaţii , sisteme de pompare, iluminat, etc sau pe aplicaţii în

mediul rural fără energie electrică.

Sisteme conectate la reţea (Grid-connected systems)

of 49


Referat EIP

Aceste sisteme sunt utilizate în zone cu energie electrică. În

principiu energia produsă de panourile solare este livrată în reţeaua

natională şi în acelasi timp folosită pentru aplicaţiile casnice.

Aceste sisteme permit reducerea semnificativă a costurilor cu

energia electrică consumată dar presupun o investiţie iniţială care se va

amortiza în timp.

Modulule fotovoltaice sunt concepute special pentru consumuri mari

de energie. Panourile fotovoltaice au o durată mare de viată, de

aproximativ 25 ani şi pot fi folosite atât pentru sisteme conectate la

sistemul naţional energetic cât şi pentru sisteme independente.

Componente sistem:

Panouri fotovoltaice: Un număr de panouri fotovoltaice

conectate în serie sau în paralel furnizând curent continuu prin

transformarea radiaţiei solare. Orientarea şi unghiul de

of 49


Referat EIP

înclinare al acestor panouri reprezintă parametri importanţi ai

sistemului, precum şi aşezarea panourilor în zone fără umbră.

Controller fotovoltaic: controlează acumulatorii, îi încarcă şi

descarcă în siguranţă

Invertor: un invertor de putere pentru a transforma curentul

continuu de la panouri în curent alternativ. Caracteristicile

semnalului de ieşire trebuie să fie în conformitate cu

tensiunea, frecvenţa şi limitele reţelei

Acumulatori: poate fi o singură baterie sau mai multe

conectate împreună. Alegerea capacităţii acumulatorii este o

decizie foarte importantă deoarece aceştia trebuie să asigure

furnizarea constantă de electricitate

Consumatori: aparatele electrice din clădire alimentate la

invertor sau la reţea

Aplicaţii ale celulelor fotovoltaice

Ceas de mână

Ceasurile produse de firma japoneză

Citizen sunt dotate cu o celulă solară

inclusă în cadran care încarcă un

acumulator cu litiu având o

independenţă de 150-240 zile şi care

după o funcţionare de 20 ani prezintă o scădere de

capacitate de maximum 20%.

C alculator de buzunar

Calculatoarele de buzunar pot dispune de alimentare

dublă de la baterie şi celulă solară sau alimentare

of 49

http://ro.wikipedia.org/wiki/Ceas

http://ro.wikipedia.org/wiki/Calculator

http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Citizen_gn4ws.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Calculator_casio.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


Referat EIP

simplă doar de la celule solare, caz în care pentru funcţioneare este

nevoie de o iluminare relativ puternică.

Lampadar

Pe un stâlp de iluminare se montează un panou solar de cca 40 Wc

care alimentează o bateria de cca 50Ah. Acesta asigură o autonomie de

cca 5 zile a 8 ore de noapte. Aprinderea şi stingerea luminii se asigură cu

un programator inclus.

Balize luminoase

Balize luminoase sunt corpuri de iluminat incluse în asfalt, ce emit o

lumină difuză produse cu ajutorul unuia sau mai multor LED-uri pe baza

energiei acumulate în cursul zilei prin intermediul celulelor solare. Dispun

de o autonomie de 6-7 zile fără soare.

Pompe de apă

Sisteme de panouri solare cu o putere instalată cuprinsă între 80Wc

şi 1200 Wc ce alimentează prin intermediul unui panou de comandă

pompe elicoidale cu o înălţime de pompare de 5-230m şi un debit de

0,8m³/ zi - 95m³/zi.

Mijloace de transport

Automobile solare

Automobilele solare de la Universitatea din Michigan şi Universitatea

din Minnesota la competiţia Solar Challenge din

America de Nord în 2005

Automobilele solare sunt construite

utilizând rezultate din tehnica spaţială, tehnologia

of 49

http://ro.wikipedia.org/wiki/Automobil

http://ro.wikipedia.org/wiki/Pomp%C4%83

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Corp_de_iluminat&action=edit

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Baliz%C4%83&action=edit

http://ro.wikipedia.org/wiki/Panou_fotovoltaic

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=Lampadar&action=edit

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Automobilsolar.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


Referat EIP

de fabricaţie a bicicletelor, industria de automobile şi tehnologia energiei

reânnoibile. Cadrul este realizat din materiale composite uşoare (fibră de

carbon, fibră de sticlă, Kevlar) asamblate prin lipire cu răşini sintetice

(epoxy) şi este purtătorul a sute de celule solare legate între ele. Un astfel

de ansamblu, într-o zi însorită, poate produce o putere de pînă la

2kW(2,6CP) Firma Venturi AstroLab în 2006 a promis că va scote pe piaţă

primul automobil commercial electro-solar hibrid în ianuarie 2008.

Mijloace de transport pe apă

La mijloacele de transport pe apă panourile solare se utilizează :

Alimentare bateriei de acumulatoare de

bord

Pentru generarea de current electric stocat

ulterior în acumulatoare pentru alimentarea

utilităţilor de bord de exemplu în cazul

ambarcaţiunilor. De exemplu o baterie de acumulatoare se poate încărca

de la panouri solare montate pe bord la un curent de 9A.

Vehicule pe şine -ELSE vagon propulsat cu

energie solară

Vagon autonom acţionat de motor electric

alimentat cu curentul produs de panouri solare şi

stocat în baterii de acumulatoare. ELSE este un

vagon experimental cu 6-8 locuri Puterea maximă de 3 kW este dezvoltată

de un motor cu un randament de 95% la 24 V. Viteza de croazieră este de

15 km/h (teoretică maximă 50 km/h). Autonomia în condiţii de umbră este

de 60 km.

of 49

http://ro.wikipedia.org/wiki/Tren

http://ro.wikipedia.org/wiki/Ambarca%C5%A3iune

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Solar_panels_on_yacht_at_sea.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Solarrailway_ELSE.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


Referat EIP

Avioane

Avioane fără pilot

Primul avion cu ogreutate de 12 kg a fost Sunrise I

având o putere de 450W furnizată de cca 1000 celule solare. A efectuat

primul zbor la 4 noiembrie 1974. A urmat Sunrise II la 27. 09. 1975

acţionat de un motor de 600 W alimentat de 4480 celule solare.

Avion fără pilot Pathfinder plus

La 11 septembrie 1995 Pathfinder a realizat

recordul de zbor de 12 ore la 15.240 m altitudine

corectat la 7 iulie 1997 la 21.802 m. În 1998 din

Pathfinder a rezultat Pathfinder_plus cu o puterea

instalată a celulelor solare de 7,5 kW alimentând 6 motoare cu o putere de

1,5 kW fiecare.

Avioane cu pilot

În 1979 Gossamer Penguin a efectuat primul zbor cu pilot la o

înălţime de 4 m având o putere de 600 W. Primul avion solar se consideră

a fi Solar Challenger cu care s-a reuşit la 7 iulie 1981 traversarea canalului

mânecii lăsând în urmă 163 mile după un zbor la o altitudine de 3000 m.

Solair I a efectuat la 21. August 1983 un zbor de 5 h 41 m. Solair II cu o

putere de 1600W a efectuat primul zbor de test reuşit.

Bertrand Picard intenţionează ca în 2010 să traverseze oceanul Atlantic,

iar în 2011 să înconjoare globul cu un avion solar având o suprafaţă de cca

250mp acoperită cu celule solare din siliciu monocristalin de 130μm

grosime şi un randament de 20%.

Sateliţi Satelitul STARDUST

of 49

http://ro.wikipedia.org/wiki/Avion

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:NASA_Pathfinder_plus_1.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Helios_in_flight.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Sc-fem-stardust.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


Referat EIP

Satelitul STARDUST are o suprafaţă de panouri solare de 6,6 mp ce

stochează energia necesară în perioda de umbră în acumulatoare de

nickel-hydrogen (NiH2) cu o capacitate de16 Ah Staţia Spaţială

Internaţională (ISS) este alimentată cu energie electrică având ca sursă

celule solare ce echipează 8 panouri desfăşurate pe o lungime de câte

35,05 m lungime şi 11,58 m lăţime cu o masă de 1,1 T fiecare. Celulele

solare pe o aripă sunt în număr de 32800 aşezate în rânduri de câte 400.

Un panou furnizează staţiei 32,8 Kilowatt energie electrică, la o tensiune

reglată la 140 V prin Utility Transfer Assembly (UTA). Pe perioada de

eclipsă (35 min din fiecare 90 min a rotaţiei pe orbită). Energia este

stocată ăn baterii de nichel-hidrogen proiectate pentru 38.000 cicluri de

încărcare descărcare respective o durată de viaţă de 6,5 ani. Pentru

maximizarea puterii furnizate panourile sunt orientate permanent către

soare de sistemele BGA (Beta Gimbal Assembly) şi SARJ (Solar Alpha

Rotary Joint)

Utilizare casnică

Colectoare solare (stânga) şi panouri solare

(dreapta) integrate în acoperiş

În utilizarea casnică panourile solare au o importanţă mai mare în

cazul locuinţelor izolate fără racord la reţeaua de curent alternativ. În

general în sistemele mai evolute, opţional pe lângă panouri se mai

montează:

o baterie de acumulatore pentru a pute livra energie şi în lipsa

luminii solare

of 49

http://ro.wikipedia.org/wiki/Hidrogen

http://ro.wikipedia.org/wiki/Nichel

http://ro.wikipedia.org/wiki/Watt

http://ro.wikipedia.org/wiki/Satelit_artificial

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Panneaux_solaires_thermique_et_PV.jpg


Referat EIP

un regulator de tensiune pentru prevenirea supraîncărcării bateriei

un dispozitiv de deconectare în cazul descărcării sub limită a

acumulatoarelor

un dispozitiv de măsurare ce indică direcţia de alimentare şi

cantitatea de energie produsă/consumată

în cazul utilizării de consumatori de current alternativ, este nevoie şi

de un invertor. În acest caz la locuinţele racordate la reţeaua de

curent alternativ teoretic ar există posibilitatea eliminării din schemă

a bateriei de acumulatoare, energia suplimentară fiind măsurată în

ambele direcţii (la surplus sau lipsă).

Utilizare industrială

Panouri solare integrate în acoperişul clădirii

Universităţii din Georgetown

Arbore solar în Styria, Austria

Panouri solare pe faţada halei de sport din Tübingen

Panourile solare sunt utilizate pe scară tot mai largă la producerea

de curent electric Ca surse principale/secundare de curent electric în cazul

clădirilor

of 49

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Gleisdorf.Solarbaum.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:BIPVGTUICC_EMS.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:T%C3%BCbingen-sporthalle.jpg


Referat EIP

Dat în funcţiune în anul 1984 acoperişul din panouri solare al

Universităţii din Georgetown situat în centrul dens populat al

Washingtonului produce anual energie electrică în valoare de 60000$

Faţa sudică a clădirii din Tübingen/Germania terminată în anul 2004

a fost acoperită cu 970 panouri fotovoltaice cu o putere instalată de 43,7

kW şi care se estimează că vor produce anual 26000 kWh energie

Din 1998 în Gleisdorf/Austria, pe strada energiei solare se găseşte

arborele solar înalt de 17,3 m, o structură de oţel de 12,7 t pe care se află

montate 140 panouri solare cu o producţie anuală de 6650 kWh cu care se

alimentează 70 de stâlpi de iluminare.

Centrală solară în Atzenhof

Centrală solară în Göttelborn

Centrale solare

Centralele de producere a energiei electrice pe bază de panouri

solare câştigă teren

Centrala solară din Atzenhof suburbia oraşului Fürth/Germania

produce 1 MW energie electrică cu ajutorul a 144 panouri solare ce

acoperă o fostă haldă de deşeuri menajere.

of 49

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Atzenhof_muellberg.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5

http://ro.wikipedia.org/wiki/Imagine:Fotovoltaik_Goettelborn_1.%00%E5%A1%B9%EF%92%81%E1%B4%BB%E4%A1%BF%E2%B2%AF%E5%B6%82%E8%97%84%E6%8C%A7%00%00%EA%AE%A5


Referat EIP

Centrala solară din Quierschied suburbia oraşului Göttelborn

/Germania construită pe o suprafaţă de 165000 mp în 2004/2005 produce

7,4 MW energie electrică utilizând panouri solare.

Actualmente cea mai mare centrală solară se află în Pocking/

Bavaria compusă din 57912 panouri solare de înaltă performanţă cu o

putere de 10 MW. În Shinan/Corea de Sud a început construirea unei mari

centrale solare cu o putere instalată de 20 MW, producţie anuală estimată

la 27000 MWh ce va acoperi cu 109000 panouri solare o suprafaţă egală

cu cea a 80 de terenuri de fotbal. În Brandis/Saxonia/Germania a început

construirea celei mai mari centrale solare având o putere de 40 MW, pe un

teren al unei foste baze militare, acoperindu-se o suprafaţă egală cu a 200

terenuri de fotbal cu 550.000 panouri solare din film subţire. Se

preconizează ca în primul an de funcţionare să se recupereze integral

cheltuielile de construcţie care se estimează a costa cu 20%-40% mai

puţin decât preţul comercial. Primele module vor fi operaţionale la sfârşitul

lunii iunie.

CONVERTOARE ŞI INVERTOARE

GENERALITĂŢI

Adesea este necesar ca anumite părţi de instalaţii electronice

complexe să fie alimentate cu tensiuni mult diferite de tensiunea generală

de alimentare; acesta este cazul tuburilor catodice, al detectoarelor de

radiaţii nucleare, al fotomultiplicatoarelor, motoarelor de acţionare a

servomecanismelor, în instalaţii de automatizare etc. Obţinerea acestor

tensiuni speciale ridică probleme mai ales în cazul aparaturii portabile,

of 49


Referat EIP

care fiind, în general, tranzistorizată, se alimentează în curent continuu cu

tensiuni relativ reduse (1-50 V).

Pentru conversia tensiunii se utilizează, fie dispozitive

electromecanice - vibratoare rotative, fie circuite electronice-oscilatoare.

Primele au o serie întreagă de dezavantaje, astfel că astăzi se tinde către

utilizarea exclusivă a convertoarelor electronice, în special cu tranzistoare,

pentru un domeniu de puteri de la miliwaţi pînă la kilowaţi.

Circuitul de bază al unui convertor electronic este reprezentat în

figură.

Întreruptorul K simulează tranzistorul; prin închiderea şi deschiderea

lui se modulează tensiunea aplicată în primarul unui transformator,în

secundar obţinându-se o tensiune alternativă care poate fi redresată

(convertoare propriu-zise) sau poate fi utilizată ca atare (cazul

invertoarelor). Tranzistorul care înlocuieşte în schema reală întreruptorul

K, trebuie să lucreze cât mai aproape de regimul ideal de comutator şi

anume să aibă o cădere de tensiune colector-emitor cât mai mică în timpul

cât este în conducţie şi să aibă un curent minim pe timpul blocării; astfel

se obţine un randament ridicat al convertorului - cu condiţia ca timpii de

of 49


Referat EIP

comutare directă şi inversă să fie reduşi faţă de durata unui ciclu de

comutare.

Din punct de vedere funcţional, convertoarele se împart în:

- convertoare cu bobină de soc de acumulare , la care în timpul

conducţiei tranzistorului se acumumulează energie în câmpul magnetic al

unei bobine de şoc, a cărei înfăşurare se află în circuitul de colector al unui

tranzistor. În timpul cât tranzistorul este blocat, energia se transferă

circuitului de sarcină (eventual utilizându-se o înfăşurare suplimentară pe

acelaşi miez);

- convertoare cu transformator, la care transferul de energie sursă

de alimentare-sarcină se face în timpul conducţiei tranzistorului, prin

intermediul unui transformator de impulsuri.

Convertoare de curent alternativ - curent continuu

Convertoarele c.a. –c.c., în regim de redresor, îndeplinesc funcţia de

conversie directă a energiei electrice de curent alternativ în energie de

curent continuu, pe baza comutaţiei naturale. Comutaţia este efectuată de

la reţeaua de alimentare. Aceleaşi convertoare realizate cu dispozitive

comandabile (tiristoare) pot funcţiona în anumite condiţii şi în regim de

invertor (neauutonom) cu comutaţie de la reţea, inversându-se sensul

fluxului de energie. Există astfel posibilitatea, prin reglarea fluxului de

energie ce trece prin convertor, funcţionarea în unu, două sau patru

cadrane a părţii de curent continuu, pe baza caracteristicilor externe, care

exprimă dependenţa valorii medii a tensiunii ele curentul mediu redresat,

Ud = Ud(Id). Din punct de vedere al reglării automate convertorul c.a. -c.c.

reprezintă elementul de execuţie, sau amplificatorul de putere al unor

semnale de comandă.

of 49


Referat EIP

Structura circuitului energetic al convertorului depinde de sursa de

energie şi de natura sarcinii alimentate. Există accepţiunea de a clasifica

redresoarele în funcţie de dispozitivele de redresare utilizate:

necomandate (cu diode) cu tensiune de ieşire fixă

comandate (cu tiristoare), cu tensiune de ieşire reglabilă.

of 49


Referat EIP

Convertoare curent alternativ-curent alternativ

În cazul cel mai general, convertoarele electrice de tip c.a. -c.a.

transformă energia electrică de curent alternativ cu anumiţi parametri

(tensiune U1, frecvenţa f1,m - faze) în energie de curent alternativ având

alţi parametri (tensiune U2, frecvenţa: f2, n - faze). Dacă

(cu m=n sau m n) convertoarele sunt "de frecvenţă", iar în cazul f2 = f1,

m =n, U2 U1 este vorba de "variatoare de tensiune alternativă".

Aplicaţiile industriale ale convertoarelor c.a. -c.a. sunt reprezentate

de receptoarele necesitând o sursă de energie la frecvenţă şi/sau tensiune

diferită de cea a reţelei industriale (380 V/220 V - 50 Hz) - de exemplu:

electromotoarele de c.a. (pentru comanda electronică a vitezei şi sensului

de rotaţie), echipamentele electrotermice (pentru controlul puterii şi/sau

frecvenţei de lucru) etc. În primul caz - reprezentând de departe cea mai

frecventă aplicaţie a convertoarelor c.a. -c. a. - simultan cu reglarea

frecvenţei f2 este necesar să se modifice şi tensiunea U2 de alimentare a

electromotorului, astfel încât proporţionalitatea acestor mărimi să permită

dezvoltarea unui cuplu maxim în sarcină, indiferent de turaţie.

Principial, conversia c.a. -c.a. se poate realiza atât cu maşini

electrice rotative (grupuri motor-generator, tratate în lucrări de profil) cât

şi static, cu circuite electronice adecvate .

După rolul lor şi structura circuitelor de putere aferente,

convertoarele c.a. -c.a statice pot fi:

variatoare de tensiune alternativă - realizând

conectarea/deconectarea unui receptor de c.a. (la/de la tensiunea

U1], prin comandă singulară sau periodică.

of 49


Referat EIP

convertoare de frecvenţă indirecte (sau "cu circuit intermediar de

c. c.") realizând modificarea frecvenţei în două trepte: mai întâi

redresarea (c.a.-c.c.) şi apoi invertirea (c.c. - c. a.).

convertoare de frecvenţă directe - modificând frecvenţa prin

sintetizarea tensiunii de ieşire n-fazate din arce de sinusoidă

aparţinând tensiunii de intrare m -fazate. Aceste convertoare se mai

numesc şi "cicloconvertoare" ,funcţionarea lor se bazează pe

conectarea ciclică a celor n-faze ale receptorului la cele m-faze ale

reţelei (sursei).

of 49


Referat EIP

Convertoare curent continuu – curent alternativ

Invertoarele autonome sunt cele care asigură transformarea

tensiunilor continue în tensiuni alternative şi spre deosebire de cele

neautonome debitează pe o sarcină pasivă, care nu mai primeşte energie

de la altă sursă.

Ca urmare a acestui fapt, frecvenţa şi forma tensiunii alternative nu

mai sunt impuse de reţea ci sunt determinate de invertor. În afară de

funcţia principală, de conversie continuu-alternativ, inverrtoarele trebuie

să îndeplinească şi alte funcţiuni impuse de caracterul sarrcinii pe care

debitează.

Uneori e necesar ca invertorul să poată asigura o reglare a

frecvenţei sau amplitudinii tensiunii de ieşire sau a ambelor mărimi.

Alteori, e necesar ca forma tensiunii de ieşire sau a curentului din sarcină

să fie cât mai apropiată de sinusoidă.

Pentru a realiza inversarea sensului curentului printr-o sarcină dată

este necesar un ansamblu de comutatoare. Dispozitivele cele mai potrivite

pentru a fi folosite în acest scop sunt tranzistoarele sau tiristoarele cu

revenire pe poartă (bioperaţionale, blocabile), care se pot închide şi

deschide la momente dorite fără dificultăţi.

Din cauza puterilor limitate aceste dispozitive sunt puţin folosite în

preezent, dar odată cu creşterea puterii lor se prevede că vor fi utilizate

pe scară largă pentru construcţia invertoarelor de putere mare.

Majoritatea invertoarelor utilizează, în etapa actuală, tiristoare

obişnuite (unioperaţionale)în calitate de comutatoare. Una din problemele

ce trebuie să fie soluţionate în acest caz este alegerea tipului de comutaţie

of 49


Referat EIP

adică de trecere a curentului de la un comutator la celălalt. În unele cazuri

se poate folosi comutaţia liberă (naturală) în care sarcina impune trecerea

prin zero a curentului care străbate un tiristor şi implicit blocarea acestuia.

De asemenea structura sarcinii permite conservarea la anodul tiristorului a

unei tensiuni negative pe o durată de timp necesară restabilirii proprietăţii

de comandă a tiristorului. În majaritatea cazurilor se foloseşte comutaţia

forţată (artificială) care se realizează prin introducerea în scheme a unor

elemente suplimentare pasive şi active (inductanţe, condensatoare, diode,

tiristoare), necesare pentru stingerea forţată a tiristorului care a condus,

pentru comutarea curentului de sarcină la tiristorul următor şi pentru

menţinerea tensiunii negative pe anodul tiristorului care s-a stins un timp

mai mare decât timpul de dezamorsare.

În literatură sunt descrise şi analizate o mare varietate de scheme

care se pot clasifica după numărul fazelor tensiunii de ieşire (monofazate,

trifazate), după tipul comutaţiei (liberă, forţată), după modul de cuplaj cu

sursă de curent continuu (cu inductanţă serie în regim de curent constant,

cu condensator paralel în regim de tensiune constantă), după forma

tensiunii de ieşire (în trepte, cu impulsuri, sinusoidală) sau după structura

schemelor (paralel, serie, punte).

Alegerea schemei şi a regimului de funcţionare se face în funcţie de

naatura receptoarelor (sarcinii) şi de condiţiile impuse de acestea.

Invertoarele au foarte multe aplicaţii în industrie, transporturi şi alte

domenii. Cele mai importante pot fi considerate: alimentarea de siguranţă,

acţionarea motoarelor de c.a., reţele de bord, alimentarea sarcinilor cu

factor de putere scăzut (instalaţii de încălzire prin inducţie, de ozonizare

etc.).

of 49


Referat EIP

Convertoare de curent continuu – curent continuu

Convertoarele c.c. –c.c. sunt instalaţii care transformă energia

electrică preluată de la o sursă de curent continuu cu tensiune constantă

în energie de curent continuu la o tensiune de altă valoare. Convertoarele

electronice de c.c. –c.c. folosesc dispozitive semiconductoare cu conducţie

unilaterală (tranzistoare, tiristoare, diode), pentru a realiza trailsformarea

de energie cu randament ridicat, intr-un domeniu larg de putere.

Posibilităţile de conversie c.c. –c.c. sunt prezentate in figură.

of 49


Referat EIP

Din categoria convertoarelor c.c. –c.c. fac parte:

a. variatoarele de tensiune continuă (denumite şi choppere)

b. convertoarele de cc cu element disipativ comandat, conectat

între sursă şi sarcină (cazul surselor stabilizate de tensiune

continuă cu element regulator serie sau al surselor

programabile).

Convertoarele din categoria b) sunt utilizate îndeosebi pentru puteri

mici, din considerente fie de randament, fie constructive. Variatoarele de

tensiune continuă sunt actualmente folosite pentru acţionarea electrică a

maşinilor de curent continuu, oferind posibilitatea reglajului continuu, într-

o gamă largă, a turaţiei precum şi pornirea fără pierderi, reversarea

sensului de rotaţie, frânarea cu recuperare de energie, etc.

Dintre celelalte aplicaţii ale convertoarelor c.c. - c.c. pot fi

enumerate: alimentarea aparatelor şi echipamentelor de teren,

alimentarea de la o singură sursă de curent continuu a mai multor

consumatori care necesită tensiuni diferite, alimentarea consumatorilor de

of 49


Referat EIP

c.c în instalaţiile staţionare prevăzute cu baterie tempon împotriva căderii

tensiunii reţelei etc.

PRINCIPALELE CONFIGURAŢII ALE SISTEMELOR

FOTOVOLTAICE CU PANOURI SOLARE

Panourile solare pot fi conectate, în serie sau paralel, la un invertor

monofazat sau trifazat. Prin intermediul invertorului se realizează

conversia din energie continuă, produsă de panourile solare pe baza

efectului fotovoltaic, în energie alternativă, pentru conectarea la reţea. O

celulă solară poate produce în medie 1–4 W, de aceea sunt conectate

împreună (în serie) într-un panou solar. În figura sunt prezentate

principalele configuraţii ale sistemelor fotovoltaice.

of 49


Referat EIP

Panourile solare pot fi conectate în paralel la un invertor trifazat

central, caracteristic sistemelor solare de puteri mari (10–250 kW).

Această configuraţie are următoarele caracteristici: eficienţă ridicată, cost

redus, siguranţă şi fiabilitate reduse. O altă soluţie, dedicată aplicaţiilor

rezidenţiale de puteri medii (1,5–5 kW), conţine câte un invertor pentru

fiecare şir de panouri solare. Această variantă constructivă permite

funcţionarea sistemului solar la eficienţă maximă (pe caracteristică de

funcţionare), şirul de panouri solare poate avea diferite orientări, iar la

puteri mai mici de 5 kW, invertoarele sunt trifazate. A treia soluţie conţine

invertoare de tip modul, de mică putere (50–180 W), fiecare panou având

propriul invertor. Această soluţie are un cost destul de mare / kW, o

întreţinere dificilă şi o eficienţă redusă.

DIFERITE TOPOLOGII DE CONVERTOARE PENTRU

INVERTOARELE FOTOVOLTAICE

Există o varietate mare de topologii de convertoare dedicate

sistemelor fotovoltaice, în principal dependente de nivelul de putere şi de

cerinţele legate de separarea galvanică [1–3]. Invertoarele fotovoltaice,

care funcţionează în două cadrane şi care au în componenţă şi

convertoare cc-cc (variatoare/stabilizatoare de tensiune), sunt folosite în

special pentru aplicaţiile rezidenţiale, având o putere instalată de până la

4,5 kW. Configuraţiile de invertoare care nu conţin şi transformatoare

pentru separare galvanică au devenit foarte atractive, în special datorită

faptului că au o eficienţă mai ridicată. În figura sunt prezentate

elementele componente ale unui invertor fotovoltaic (PV Inverter).

of 49


Referat EIP

După cum descrie figura, topologia unui invertor fotovoltaic poate să

conţină un convertor de cc-cc ridicător de tensiune şi un transformator

pentru izolare galvanică. În cadrul sistemelor fotovoltaice se impune

utilizarea convertoarelor ridicătoare de tensiune deoarece tensiunea

continuă este mult mai mică decât tensiunea reţelei.

Invertoare fotovoltaice cu convertor cc-cc ridicător

de tensiune şi trafo de izolare

Figura prezintă schema-bloc a unui invertor fotovoltaic, având în

componenţă şi un convertor ridicător de tensiune. Deosebirea dintre cele

două configuraţii constă în amplasarea transformatorului pentru izolare

galvanică, pe partea de joasă frecvenţă (fig. a), sau pe partea de înaltă

frecvenţă (fig.b).

of 49


Referat EIP

Soluţia prezentată în figura b) este mai compactă, dar are un design

mai complex. În figura umătoare este ilustrată schema detaliată clasică a

unui invertor fotovoltaic, cu convertor cc-cc coborâtor – ridicător de

tensiune şi transformator de înaltă frecvenţă. Invertorul are configuraţia în

punte completă, comandat cu tehnica modulării în lăţime de puls (PWM-

pulse width modulation). Filtrul de reţea poate fi de tipul LCL, LC sau L.

of 49


Referat EIP

Invertoare fotovoltaice cu convertor cc-cc ridicător

de tensiune şi fără trafo de izolare

Invertoarele fotovoltaice având topologia fără transformator de

izolare au devenit foarte atractive, datorită eficienţei ridicate, în special în

ţări ca Japonia sau Germania, unde izolarea galvanică nu este necesară. În

figura este ilustrată schema-bloc (a) şi cea detaliată (b) a unui invertor

fotovoltaic fără trafo de izolare.

Soluţia prezentată în figura are avantajul unei eficienţe ridicate

(>96 %), datorită absenţei transformatorului, şi al unui design integrat,

dar necesită utilizarea unei diode suplimentare.

Invertoare fotovoltaice fără convertor cc-cc ridicător

de tensiune

of 49


Referat EIP

Invertoarele fotovoltaice care nu au în componenţă convertoare cc-

cc sunt utilizate la scară destul de redusă, în special în cazul aplicaţiilor cu

tensiune de intrare scăzută. Soluţia clasică conţine un invertor în punte

completă, cu (fig.a) şi fără (fig. b) trafo de izolare.

Soluţia prezentată în figura a are dezavantajul unui gabarit ridicat şi

al unui volum mare, din cauza transformatorului de reţea. În figura

următoare sunt prezentate soluţiile detaliate pentru invertorul fotovoltaic

fără convertor cc-cc, cu trafo de reţea (fig. a) şi fără izolare (figura b).

Soluţia prezentată în figura a este avantajoasă deoarece utilizează

aceeaşi putere ca invertorul de reţea.

of 49


Referat EIP

of 49


Referat EIP

CONCLUZII

Energia solară este o sursă de energie promiţătoare, cu un

potenţial imens. Puterea instalată până în 2005 a fost de peste 3 GW.

Preţul panourilor solare se estimează că va scădea la jumătate până în

2020. Datorită gradului de poluare, costului tot mai mare şi resurselor tot

mai limitate se impune înlocuirea surselor clasice de producere a energie

electrică cu diferite surse alternative regenerabile (nepoluante).

Lucrarea prezintă principalele configuraţii ale sistemelor

fotovoltaice cu panouri solare, alături de cele mai utilizate topologii de

invertoare fotovoltaice. Cele mai utilizate topologii de invertoare sunt cele

care au în componenţă convertoare c.c.-c.c. ridicătoare şi transformatoare

de înaltă frecvenţă pentru izolare galvanică. De asemenea, topologia fără

transformator de izolare a devenit foarte atractivă, datorită eficienţei

ridicate, în special în ţări ca Japonia sau Germania (primele două în lume

ca putere instalată), unde izolarea galvanică nu este necesară.

of 49


Referat EIP

Bibliografie

1. Circuite şi echipamente electronice industriale, Colectivul

coordonat de ing C. Rădoi, Ed.Tehnică Bucureşti 1986

2. Circuite cu tranzistoare în industrie,Colectivul coordonat de ing.

Felea Ion, Ed.Tehnică Bucureşti 1964

3. Electronică aplicată -sisteme inteligente hardware, software de

măsurare şi control - Costin Ştefănescu,Nicolae Cupcea, Bucureşti

2000

4. http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy

5. www.solarum.ro

6. www.energiesolara.org

7. articole.famouswhy.ro

8. www.tehnicasolara.com

9. www.casepasive.eu

10. www.apricus.ro

11. www.cyclon.ro

12. www.energienucleara.go.ro

13. Curs Electronică de putere UNIVERSITATEA DE NORD DIN BAIA

MARE, secţia Electronică Aplicată

14. Power electronics as efficient interface in dispersed power

generation systems, F. Blaabjerg, Z. Chen and S.B. Kjaer, IEEE

of 49

http://www.energienucleara.go.ro/

http://www.cyclon.ro/


Referat EIP

Transaction on Power Electronics, vol. 19, pp. 1189-1194, Sept.

2004

15. String and Module Integrated Inverters for Single-Phase Grid

Connected Photovoltaic Systems - A Review, J.M.A. Myrzik and M.

Calais, 2003 Bologna PowerTech Conference, 23-26 June, Bologna,

Italy

16. Power Electronics. Converters , Applications and Design, N. Mohan,

T. Undeland, P.W. Robbins, John Wiley & Sons, 2003,

ISBN:0471226939

17. www.enerdata.fr, World energy statistics databases, forecasts and

analyses.

18. www.sunlight.gr, Systems Sunlight S.A.

19. www.solarbuzz.com, World Solar Energy news center

of 49

Convertirea Energiei Solare in Energie Electrica

Documents

Transcript of Convertirea Energiei Solare in Energie Electrica