FACULTATEA DE INSTALAII

LUCRARE DE DISERTAIEREDUCEREA CONSUMULUI DE ENERGIE ELECTRIC N ROMNIA N SECTORUL REZIDENIAL PRIN UTILIZAREA PANOURILOR FOTOVOLTAICE

Conductor tiinific, conf. dr. ing. Beu Dorin

Masterand,PRAHASE CTLIN EMIL

________________________

2011 ________________________1

CUPRINS

CUPRINS.......................................................................................................................................................................2 TERMINOLOGIE........................................................................................................................................................4 LISTA PRINCIPALELOR ABREVIERI UTILIZATE N LUCRARE.................................................................5 LISTA PRINCIPALELOR SIMBOLURI UTILIZATE N LUCRARE................................................................6 INTRODUCERE ..........................................................................................................................................................8 1.1 SCOPUL LUCRRII...........................................................................................................................................8 1.2 NECESITATEA LUCRRII...............................................................................................................................8 1.3 ACTUALITATEA N DOMENIU......................................................................................................................8 1.4 PREZENTAREA PRINCIPALELOR CAPITOLE DIN LUCRARE...............................................................13 2. LEGISLAIA PENTRU SURSELE REGENERABILE DE ENERGIE..........................................................14 2.1. PROPUNERI DE DIRECTIVE, N UE, PRIVIND PROMOVAREA DE ENERGIE DIN SURSE REGENERABILE N SCOPUL CONSUMULUI ACESTEIA..............................................................................14 2.2. CONTEXTUL PROPUNERII..........................................................................................................................15 2.2.1 Motivul i obiectivul propus......................................................................................................................15 2.2.2 Contextul general.......................................................................................................................................15 2.2.3 Dispoziii n vigoare n domeniul propunerii............................................................................................16 2.2.4 Coerena cu celelalte politici i obiective ale Uniunii...............................................................................16 2.3 FOAIE DE PARCURS PENTRU ENERGIE DIN SURSE REGENERABILE REZUMAT AL ANALIZEI DE IMPACT.............................................................................................................................................................17 2.3.1 Introducere.................................................................................................................................................17 2.3.2 O politic activ privind energiile regenerabile sau meninerea statu-quo-ului......................................17 3. STADIUL CUNOATERII N DOMENIUL CONVERSIEI............................................................................21 FOTOVOLTAICE......................................................................................................................................................21 3.1 SURSE REGENERABILE DE ENERGIE BAZATE PE CONVERSIA FOTOVOLTAIC A ENERGIEI SOLARE...................................................................................................................................................................21 3.1.1 Radiaia solar..........................................................................................................................................21 3.2 CELULA FOTOVOLTAIC...........................................................................................................................23 3.2.1Principiu de funcionare.............................................................................................................................23 3.2.2 Tehnologii ale celulelor solare..................................................................................................................26 3.3 ANALOGIE CU DIODA..................................................................................................................................27 3.4. MODELUL MATEMATIC ECHIVALENT...................................................................................................29 3.5 PARAMETRI UNEI CELULE FOTOVOLTAICE..........................................................................................30 3.6 INFLUENA TEMPERATURII......................................................................................................................31 3.7 INFLUENA ILUMINRII.............................................................................................................................32 3.8 CONECTAREA CELULELOR........................................................................................................................32 4. SISTEM AUTOMAT DE POZIIONARE A PANOURILOR SOLARE FOTOVOLTAICE N FUNCIE DE POZIIA SOARELUI.........................................................................................................................................34 4.1 SCURT PREZENTARE PRIVIND STADIUL ACTUAL AL SISTEMULUI UTILIZAT N EUROPA....34 4.2 PROPUNERE DE UTILIZARE A MOTORULUI PAS CU PAS PENTRU SISTEMUL ACTUATORULUI ..................................................................................................................................................................................35 4.3 AVANTAJUL UTILIZRII ACESTUI MOTOR............................................................................................36 5. SISTEM CU PANOURI SOLARE FOTOVOLTAICE PENTRU ALIMENTAREA CU ENERGIE SOLAR......................................................................................................................................................................37 5.1 DESCRIEREA UNUI PANOU SOLAR FOTOVOLTAIC..............................................................................37 5.2 FABRICAREA PANOULUI SOLAR..............................................................................................................38 5.3 CARACTERISTICI TEHNICE........................................................................................................................38 5.4 SISTEM SOLAR COMPLET PENTRU ALIMENTAREA CU ENERGIE ELECTRIC DINTR-O SURS FOTOVOLTAIC A UNEI LOCUINE................................................................................................................39 5.5 INCRCTORUL SOLAR..............................................................................................................................39 5.6 INVERTORUL..................................................................................................................................................40

2

5.7 CONCLUZII PARIALE.................................................................................................................................42 6. METODICA DE CALCUL....................................................................................................................................43 6.1 CONCLUZII PARIALE.................................................................................................................................55 7. STUDIU DE CAZ...................................................................................................................................................56 7.1 CONCLUZIE PARIAL................................................................................................................................57 8. CONTRIBUII PROPRII N DOMENIUL TEMATICII PROPUSE..............................................................58 8.1 NOIUNI GENERALE....................................................................................................................................58 8.2 CONTRIBUII PROPRII.................................................................................................................................58 9. CONCLUZII FINALE...........................................................................................................................................59 9.1 NOIUNI GENERALE....................................................................................................................................59 9.2 CONCLUZIILE OBINUTE ANALIZND SISTEMUL DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE..59 BIBLIOGRAFIA:.......................................................................................................................................................61

3

TERMINOLOGIENr. crt. 1. 2. Denumire Energia solar Celul solar Definiie Energia solar este energia emis de Soare pe ntreg domeniul radiaiei sale electromagnetice. Const din dou sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai ntlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprins ntre 0,001 i 0,2 mm i sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonciuni p i n. Aceast structur e similar cu a unei diode. Cnd stratul de siliciu este expus la lumin se va produce o agitaie a electronilor din material i va fi generat un curent electric. Folosesc materiale semiconductoare pentru a converti lumina soarelui n putere utilizabil, n form de energie electric. O dat cu fotonii emii de razele soarelui, pe suprafaa celulelor solare fotovoltaice, electronii sunt dislocai din materialul semiconductor. Din ce in ce mai muli electroni sunt strmutai, fluxul acestor electroni devine un curent electric direct. Raport subunitar a dou mrimi fizice scalare conservative (putere, energie, mas, sarcin electric) care msoar ct dintr-o anumit mrime a fost folosit util

3.

Sisteme fotovoltaice

4.

Randament

4

LISTA PRINCIPALELOR ABREVIERI UTILIZATE N LUCRAREPV Wp MW MWp GW PVGIS UE H2O CO2 h z Ge Si CdTe CIS HG EPIA Mt GaAs TUC EVA Mtep PIB CEI STC NOCT SC UOC OC MPP Panou fotovoltaic Watt pick Megawat Megawat pick Gigawat Photovoltaic Geographical Information System Uniunea European Formula chimic a apei Formula chimic a bioxidului de carbon Or Unghiul de zenit Germaniu Siliciu Telur de cadmiu Cupru-indiudiseleniu Hotrre guvernamental Asociaia productorilor europeni de fotovoltaice Milioane tone Arseniur de galiu Temperatura de utilizare a celulei Etilen vinil acetat Milioane tone echivalent petrol Produsul intern brut Comitetul electrotehnic internaional Condiii standard de testare Condiii normale de operare Scurt circuit Tensiunea electric de mers n gol Mers n gol Punctul de putere maxim

5

LISTA PRINCIPALELOR SIMBOLURI UTILIZATE N LUCRARE

SIMBOLURI CU CARACTERE LATINENr. crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Simbol P K Hz m v wi C lungimea E U I S Denumire mrime Puterea Grad kelvin Frecvena Masa Viteza Energia benzii interzise Grad celsius Kilometru Radiaia solar Tensiune Curent Suprafaa Unitate msur W K Hz Kg m/s eV C km w/m2 V A m2 de

SIMBOLURI CU CARACTERE GRECETINr. crt. 1 2 3 4 5 Simbol Denumire mrime Radiaia solar Defazaj ntre referine Rezistena Randament Lucru mecanic Unitate msur m % J de

6

SIMBOLURI MATEMATICE Nr. Simbol crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 + % < > * / cos sec Denumire mrime Adunare Scdere Procent Semn operaional, mai mic Semn operaional, mai mare nmulire mprire Cosinus Secant

7

INTRODUCERESursa regenerabil de energie folosit este energia solar. Conversia n energie electric se realizeaz prin intermediul sistemului solar care este prezentat n contextul lucrrii. Din punct de vedere tiinific, energia este o mrime care indic capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic cnd trece printr-o transformare din starea sa ntr-o alt stare aleas ca stare de referin. Conform legii conservrii energiei,energia este o funcie de stare a sistemului fizic pe care o caracterizeaz, adic este o funcie de potenial. 1.1 SCOPUL LUCRRII

Conversia fotovoltaic a energiei solare reprezint una dintre cele mai atractive i dinamice opiuni de utilizare a surselor regenerabile de energie, pentru producerea de energie electric. n ultimii zece ani, piaa fotovoltaic (PV) a cunoscut o cretere spectaculoas. Aciunile propuse vor contribui la dezvoltarea durabil a sistemului energetic naional prin promovarea sistemelor fotovoltaice distribuite, fiind n acord cu obiectivul global al guvernului de promovare a surselor de energie regenerabil n Romnia. 1.2 NECESITATEA LUCRRII Lucrarea propus s-a ntocmit, avnd la baz urmtoarelor considerente: - valorificarea resurselor regenerabile de energie solar; - mbuntirea calitii mediului nconjurtor; - reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser; - utilizarea raional i eficient a resurselor energetice primare; Realizrii lucrrii este pentru protecia mediului, prin reducerea emisiilor poluante, combaterea schimbrilor climatice i atingerea intei strategice a Romniei respectiv "ponderea energiei electrice produse din aceste surse n totalul consumului brut de energie electric trebuie s fie la nivelul anului 2010 de 33%, la nivelul anului 2015 de 35% i la nivelul anului 2020 de 38%. 1.3 ACTUALITATEA N DOMENIU

n prezent, utilizarea energiei fotovoltaice este n cretere considerabil datorit unui important numr de sisteme PV conectate la reea. La sfritul anului 2008, capacitatea PV instalat pe plan mondial a atins valoarea de 15 GW. inta UE de a avea o capacitate instalata de 3.000 MWp de sisteme PV pn n 2010 (White Paper for a Community Strategy i Action Plan), a fost devansat, deoarece nca din anul 2006 acest obiectiv a fost depit. Pentru exemplificare, n timpul acestui ultim an, creterea a fost de 35% in Europe (1245 MWp instalai n 2006 fa de 914 MWp existeni n 2005), dar 99,4% dintre noile instalaii sunt sisteme conectate la reea. n rezumat, la sfritul lui 2006, 96,8% dintre instalaii erau legate la reea fa de doar 3,2% sisteme stand-alone. Aceast situaie este relativ nou, indicnd direcia de dezvoltare a acestei industrii foarte dinamice. Situaia este nc nefavorabil pentru sistemele fotovoltaice integrate n cldiri. Astfel, cu toate c nca nu exist o situaie exact, procentajul de sisteme fotovoltaice n arealul urban reprezint mai puin de 5% din capacitatea total instalat de PV, cci nc puine cldiri cu sisteme PV pot fi luate n considerare.8

Totui, potenialul de instalaii PV integrate n cldirile urbane este enorm. EPIA (Asociaia productorilor europeni de fotovoltaice), n raportul suSistemele fotovoltaice n 2010[XX] prezint unele date remarcabile despre potenialul pentru instalaii PV integrate n acoperiuri. n tabelul 1 sunt prezentate datele despre potenialul pentru instalaiile PV integrate n acoperiuri.Tabelul 1 Potenialul pentru instalaiile PV integrate n acoperiuri

ara Europa SUA Japonia

Suprafaa net de Putere potenial Energia potentiala Procentajul de PV din acoperiuri (km2) (MWp) (GWh/an) electricitate Europa 3,723 4,563 1,050 617,662 757,039 174,179 494,194 903,579 158,503 14,64% 19,54% 11,54%

Sistemele PV integrate n cldiri pot fi incluse att la noile cldiri, ct i la cele recondiionate, astfel c din punct de vedere al pieei, cldirile reabilitate ar avea cel mai important potenial pentru sistemele PV (odat cu recondiionarea lor arhitectonic i din punct de vedere al eficienei energetice, ele pot fi nzestrate i cu sisteme PV integrate).

Figura 1. Sistem PV integrat pe faada unei cldirii de birouri din Germania

9

Figura 2. Sistem PV integrat pe faada unei cldirii de birouri din Marea Britanie

Figura 3. Sistem PV integrat pe faada unei cldirii de birouri

10

Obiectivul UE este atingerea unei producii din surse de energie regenerabile de 21,1%din energia electric consumat n 2010, fa de numai 6% n 1998. Este bine cunoscut c alinierea Romaniei la standardele europene, cu obiective precise n privina stoprii degradrii mediului nconjurtor (Protocolul de la Kyoto a fost ratificat de Parlamentul Romniei, Legea 3/2001) i promovarea unei dezvoltri durabile, a determinat Guvernul Romaniei s califice importana promovrii surselor de energie regenerabil drept obiectiv naional(art. 3 HG 443/10/04/2003). Obiectivele generale ale Strategiei de valorificare a resurselor de energie regenerabil sunt stabilite prin HG 1535 -18/12/2003 i cuprind integrarea surselor de energie regenerabil n sistemul energetic public i diminuarea obstacolelor. Pe teritoriul Romniei, pe o suprafa orizontal de 1m 2, este posibil captarea unei cantiti anuale de energie, cuprinse ntre 900 i 1.450 kWh, n funcie de anotimp.

Figura 4. Sistem PV integrat n acoperiul cldirii

Sistemele fotovoltaice particulare legate la reeaua electric naional sau cele stand-alone pot reprezenta o investiie atractiv. Un element cheie pentru promovarea acestui tip de surs de energie regenerabil este educaia populaiei, cu precdere a tinerilor, n sensul dezvoltrii durabile a vieii economice i sociale. Nu este deloc de neglijat impactul ecologic pozitiv prin utilizarea surselor curate de energie. Dezvoltarea energiilor regenerabile, instalaiile demonstrative i msurile de diseminare sunt nc necesare ca s incurajeze i restul rilor (n special cele noi admise) s instaleze sisteme PV. Datorit poziiei n sud-estul continentului european, Romania are o clim de tranziie ntre temperat i continental, cu patru anotimpuri bine delimitate. Temperatura medie anual este de 10,5C. Media anual pe timp de iarn este de -3C, iar pe timp de var variaz ntre 22C i 24C.

11

Figura 5. Utilizare sistemului PV ca i parasolar

Figura 6. Sistem PV integrat n acoperiul casei

12

Figura 7. Basel amplasarea panourilor PV pe o teras - grdin

1.4

PREZENTAREA PRINCIPALELOR CAPITOLE DIN LUCRARE

n capitolul 1 Introducere sunt tratate urmtoarele aspecte: scopul lucrrii, necestitatea lucrrii, actualitatea n domeniu i principalele capitole din lucrare. Capitolul 2 Legislaia pentru sursele regenerabile de energie , capitol n care este descris legislaia n vigoare cu privire la utilizarea surselor regenerabile i viziunea pe termen lung privind sursele de energie regenerabile n UE. Comisia europeana a propus stabilirea de ctre UE a unui obiectiv obligatoriu de 20% pentru ponderea energiei regenerabile n cadrul consumului de energie pn n 2020 i a unui obiectiv obligatoriu de 10% pentru ponderea energiei regenerabile n consumul de benzin i motorin n transporturi. Capitolul 3 prezint Stadiul cunoaterii n domeniul conversiei fotovoltaice, mecanismele i principiile de conversie, principalele tehnologii folosite n obinerea celulelor de conversie fotovoltaic precum i modul de conectare a celulelor (serie sau paralel) pentru obinerea panoului solar propriu-zis. Capitolul 4 prezint un Sistem automat de poziionare a panourilor solare fotovoltaice n funcie de poziia soarelui care se realizeaz cu ajutorul unui actuator care este un element de acionare (motor electric, electromagnet ) folosit n sistemele automate (controlate electronic) pentru executarea unei rotaii a panoului solar din poziia perpendicular a acestuia faa de orizontal pn la o rotaie maxim de 120 n decursul a opt ore. Capitolul 5 Sistem cu panouri solare fotovoltaice pentru alimentarea cu energie solar , unde este detaliat structura i caracteristicile tehnice ale panourilor fotovoltaice, precum i prezentarea sistemului complet pentru alimentarea cu energie electric a casei.13

Capitolul 6 Metodica de calcul, capitol n care este prezentat calculul pentru determinarea energiei electrice produs de panourile fotovoltaice cu ajutorul programului PVGIS. Capitolul 7 Studiu de caz, n acest capitol sunt prezentate cele patru cazuri de poziionare a panourilor fotovoltaice, energia electric produs de panourile fotovoltaice n fiecare dintre cazuri i consumul de energie electric a receptoarelor utilizate n cas Capitolul 8 Contribuii proprii, n acest capitol este prezentat studiul de caz, i necesitatea acestui studiu de caz Capitolul 9 Concluzii finale ,n ultima parte a proiectului am prezentat concluziile pe care le-am obinut analiznd acest sistem de producere a energiei electrice. n final gsim bibliografia i referinele stiinifice cu ajutorul crora am reuit s realizez aceast lucrare.CUVINTE-CHEIE: panou fotovoltaic , sistem PV, energie solara, celula solar,randament

2. LEGISLAIA PENTRU SURSELE REGENERABILE DE ENERGIE2.1. PROPUNERI DE DIRECTIVE, N UE, PRIVIND PROMOVAREA DE ENERGIE DIN SURSE REGENERABILE N SCOPUL CONSUMULUI ACESTEIA Comunitatea a recunoscut cu mult timp n urm necesitatea promovrii n continuare a energiei din surse regenerabile, innd seama de faptul c exploatarea acesteia contribuie la ncetinirea schimbrilor climatice prin reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser, la dezvoltarea durabil, la sigurana n aprovizionare i la dezvoltarea unei industrii bazate pe cunoatere, care s creeze locuri de munc, s contribuie la cretere economic, competitivitate i dezvoltare regional i rural. Prezenta propunere de directiv are drept scop stabilirea unui obiectiv general obligatoriu de 20% pentru ponderea energiei din surse regenerabile n cadrul consumului de energie i a unui obiectiv minim obligatoriu de 10% pentru biocombustibili n transporturi, ce trebuie realizate de ctre fiecare stat membru, precum i stabilirea obiectivelor naionale obligatorii pn n 2020 n conformitate cu obiectivul global al UE de 20%. Ca rspuns la invitaia Consiliului European din martie 2006 (Documentul 7775/1/06 REV10 al Consiliului), Comisia i-a prezentat analiza strategic european privind energia la 10 ianuarie 2007. n cadrul analizei, Foaia de parcurs pentru energia regenerabil [COM(2006) 8 final] a stabilit o viziune pe termen lung privind sursele de energie regenerabile n UE. Aceasta a propus stabilirea de ctre UE a unui obiectiv obligatoriu de 20% pentru ponderea energiei din surse regenerabile n cadrul consumului de energie n UE pn n 2020 i a unui obiectiv obligatoriu de 10% pentru ponderea energiei din surse regenerabile n consumul de benzin i motorin n transporturi. n rezoluia privind schimbarea climatic (14 februarie 2007), Parlamentul European a punctat faptul c politica energetic reprezint un element vital al strategiei globale a UE privind schimbrile climatice, n care sursele de energie regenerabile i tehnologiile eficiente din punct de vedere energetic joac un rol important. Parlamentul a susinut, ca fiind un bun nceput, propunerea unui obiectiv obligatoriu de cretere la 20% a nivelului de energie din surse regenerabile n mixul energetic al UE pn n 2020 i a considerat c acest nivel ar trebui majorat14

la 25% din mixul energetic al UE. Mai mult, Parlamentul European, n rezoluia sa privind Foaia de parcurs pentru energia din surse regenerabile n Europa (25 septembrie 2007), a invitat Comisia s prezinte, pn la sfritul anului 2007, o propunere de cadru legislativ privind energia regenerabil, referindu-se la importana stabilirii obiectivelor privind ponderea surselor de energie regenerabile la nivelul UE i al statelor membre. Consiliul European de la Bruxelles din martie 2007 (Documentul 7224/07 al Consiliului) a reafirmat angajamentul pe termen lung al Comunitii de dezvoltare la nivelul UE a surselor de energie regenerabile n perspectiva anului 2010 i a invitat Comisia s i prezinte propunerea pentru o nou directiv cuprinztoare privind utilizarea resurselor regenerabile. Aceasta ar trebui s prevad obiective obligatorii din punct de vedere juridic privind ponderea general a energiei din surse regenerabile i ponderea biocombustibililor pentru transport n fiecare stat membru. 2.2. CONTEXTUL PROPUNERII 2.2.1 Motivul i obiectivul propus UE i ntreaga lume se afl ntr-un moment de rscruce n ceea ce privete viitorul energiei. Provocrile reprezentate de schimbrile climatice cauzate de emisiile antropogene de gaze cu efect de ser, provenite n principal din utilizarea energiei fosile, trebuie abordate urgent i ntr-o manier eficient. Studiile recente au contribuit la creterea gradului de contientizare i cunoatere a problemei i a consecinelor sale pe termen lung i au subliniat necesitatea lurii unor msuri decisive i imediate. Se impune o abordare integrat a politicii n domeniul climei i energiei, dat fiind faptul c producerea de energie i utilizarea acesteia constituie principalele surse de emisii de gaze cu efect de ser. Dependena din ce n ce mai mare a UE de importurile de energie amenin sigurana n aprovizionare i implic preuri mai ridicate. n schimb, sporirea investiiilor privind eficiena energetic, energia din surse regenerabile i noile tehnologii aduce beneficii extinse i contribuie la strategia Uniunii Europene de cretere economic i creare de locuri de munc. 2.2.2 Contextul general Avnd n vedere consecinele schimbrilor climatice, dependena din ce n ce mai mare de combustibilii fosili i preurile n cretere ale energiei, UE se vede obligat s aplice ct mai urgent o politic ambiioas i cuprinztoare n domeniul energiei, coroborat cu adoptarea de msuri att la nivel european, ct i la nivelul statelor membre. n cadrul acestei politici din domeniul energiei, sectorul energiei din surse regenerabile se remarc prin capacitatea sa de a reduce emisiile de gaze cu efect de ser i poluarea, de a exploata sursele de energie locale i descentralizate i de a stimula industriile de nalt tehnologie la nivel mondial. Sursele de energie regenerabile sunt n mare msur indigene, nu se bazeaz pe disponibilitatea n viitor a surselor convenionale de energie, iar natura lor predominant descentralizat face ca economiile noastre s fie mai puin vulnerabile n faa alimentrii cu energie volatil. Prin urmare, ele constituie un element cheie al unui viitor energetic durabil. Pentru ca sursele regenerabile s devin piatra de temelie pentru realizarea obiectivului dublu de cretere a siguranei n aprovizionare i de reducere a emisiilor de gaze cu efect de ser, este necesar modificarea modului n care UE promoveaz sursele de energie regenerabile. Este necesar consolidarea i extinderea cadrului de reglementare actual al UE. Este important s se asigure faptul c toate statele membre iau msurile necesare pentru creterea ponderii surselor regenerabile n mixul lor energetic. Un nou cadru legislativ pentru promovarea i utilizarea energiei din surse regenerabile n UE va asigura comunitii de afaceri stabilitatea pe termen lung de care are nevoie pentru a lua decizii investiionale raionale n sectorul energiei din surse regenerabile, astfel nct s aduc UE pe drumul ctre un viitor energetic mai curat, mai sigur i mai competitiv.15

2.2.3 Dispoziii n vigoare n domeniul propunerii Directiva 2001/77/CE (JO L283, 27.10.2001) a Parlamentului European i a Consiliului privind promovarea electricitii produse din surse de energie regenerabile pe piaa intern a electricitii. Directiva stabilete o cot orientativ de electricitate de 21% produs din surse de energie regenerabile n consumul comunitar total de electricitate pn n 2010. Directiva definete obiectivele naionale orientative pentru fiecare stat membru, ncurajeaz utilizarea regimurilor de ajutoare naionale, eliminarea barierelor administrative i integrarea sistemului de reele i prevede obligaia ca productorii de energie din surse regenerabile s emit garanii de origine atunci cnd li se solicit acest lucru. innd seama de actualele politici i eforturi ntreprinse, se poate preconiza c pn n 2010 se va atinge o cot de 19% i nu cota propus de 21%. Directiva 2003/30/CE (JO L123, 17.05.2003) a Parlamentului European i a Consiliului de promovare a utilizrii biocombustibililor i a altor combustibili regenerabili pentru transport. Directiva stabilete un obiectiv de 5,75% biocombustibili pentru toate tipurile de benzine i motorine pentru transport plasate pe pia pn la 31 decembrie 2010. Statelor membre li s-a cerut s stabileasc obiective orientative pentru 2005, innd seama de o valoare de referin de 2%. Acest obiectiv indicativ intermediar nu a fost realizat. Biocombustibilii au reprezentat 1% din combustibilii pentru transporturi n 2005. Concluzia Comisiei, n urma evalurii intermediare, este c obiectivul pentru 2010 nu poate fi realizat estimrile vizeaz o pondere de aproximativ 4,2%. Dispoziiile precedentelor Directive 2001/77/CE i 2003/30/CE, care se suprapun cu dispoziiile noii directive, vor fi eliminate la data transpunerii. Cele care se refer la obiective i vizeaz anul 2010 vor rmne n vigoare pn la 31 decembrie 2011. 2.2.4 Coerena cu celelalte politici i obiective ale Uniunii Propunerea este n concordan cu politicile UE de combatere a schimbrilor climatice, de reducere a emisiilor de gaze cu efect de ser, de realizare a dezvoltrii durabile, de garantare a siguranei energetice i de ndeplinire a Strategiei de la Lisabona. n mod special, propunerea va face parte din pachetul legislativ care va stabili angajamentele tuturor statelor membre n privina gazelor cu efect de ser i energiei din surse regenerabile. Pe lng prezenta directiv, care stabilete obiectivele pentru 2020 privind energia din surse regenerabil, pachetul propus de ctre Comisie cuprinde un regulament de actualizare a obiectivelor naionale privind emisiile de gaze cu efect de ser i o directiv privind mbuntirea i extinderea sistemului UE de comercializare a emisiilor (EU ETS). Interconexiunile ntre stabilirea obiectivelor de reducere a gazelor cu efect de ser, schema de comercializare a emisiilor i obiectivele privind energia din surse regenerabile sunt clare. Comisia consider c urmtoarele elemente sunt complementare: EU ETS va facilita creterea n domeniul energiei din surse regenerabile; directiva privind energia din surse regenerabile va crea condiiile pentru ca aceasta s ndeplineasc un rol esenial n realizarea obiectivelor de reducere a gazelor cu efect de ser. Politica extern a Comunitii n domeniul energetic ar trebui s se constituie n vocea comun a UE, care s sprijine intensificarea relaiei sale cu partenerii n domeniul energiei, pentru diversificarea n continuare a surselor i a parcursurilor, pentru consolidarea parteneriatului i a cooperrii i pentru concentrarea eforturilor asupra reducerii emisiilor de gaze cu efect de ser, asupra surselor regenerabile i asupra creterii eficienei energetice. Ar trebui ca rile tere s poat beneficia de promovarea energiilor din surse regenerabile n UE prin furnizarea de biocombustibili i alte biolichide care s rspund cerinelor de durabilitate sau prin furnizarea de electricitate regenerabil din rile vecine. Dei, n principiu, nu ar trebui s se aplice nicio restricie comercial la importurile sau exporturile de energie din surse regenerabile,16

Comunitatea trebuie s asigure condiii de egalitate pentru toi productorii de energie din surse regenerabile din interiorul sau din afara Comunitii. ntruct prezenta propunere stabilete obiective ambiioase pentru statele membre i industria lor, trebuie abordat problema cadrului juridic n rile tere. Dezvoltarea unei piee pentru sursele i tehnologiile de energie regenerabil are, de asemenea, un impact pozitiv clar asupra siguranei n aprovizionarea cu energie, oportunitilor de dezvoltare regional i local, dezvoltrii regionale i rurale, perspectivelor de export, coeziunii sociale i oportunitilor de ocupare a forei de munc, n special n ceea ce privete ntreprinderile mici i mijlocii i productorii independeni de energie. Propunerea este, de asemenea, n conformitate cu planul strategic european pentru tehnologiile energetice [COM(2007) 723], care accentueaz necesitatea de a aduce urmtoarea generaie de tehnologii de producere a energiei din surse regenerabile la un nivel care s le asigure competitivitatea pe pia. n plus, tehnologiile de informare i comunicare vor facilita n continuare integrarea energiilor din surse regenerabile n sistemul european de furnizare i distribuie a electricitii. 2.3 FOAIE DE PARCURS PENTRU ENERGIE DIN SURSE REGENERABILE REZUMAT AL ANALIZEI DE IMPACT 2.3.1 Introducere n concluziile Preediniei, Consiliul European a solicitat Comisiei elaborarea unei foi de parcurs pentru energia din surse regenerabile i analizarea posibilitii atingerii unei ponderi de 15% pentru energiile din surse regenerabile pentru 2015. n ceea ce privete Parlamentul European, acesta a solicitat atingerea unui obiectiv obligatoriu pentru energia din surse regenerabile de 25% din consumul total de energie pentru 2020 (mpreun cu obiective sectoriale obligatorii). Aceast analiz de impact stabilete dac UE ar trebui s adopte obiective concrete n ceea ce privete ponderea energiilor din surse regenerabile n 2020 i, n caz afirmativ, care ar fi valoarea acestora i ce form li s-ar putea da. Analiza se nscrie n contextul obiectivelor politicii energetice a UE: durabilitatea mediului, securitatea aprovizionrii i competitivitatea. Sursele de energie regenerabile pot contribui la toate cele trei obiective. Acestea genereaz cantiti reduse de emisii de gaze cu efect de ser i nu contribuie la schimbarea climei, cea mai important problem legat de mediu. Sunt predominant locale i contribuie la diversificarea combustibililor i la securitatea aprovizionrii. De asemenea, pot crea competitivitate prin stimularea intrrii de noi productori inovatori pe piaa energetic. Analiza de impact examineaz aceste efecte, cuantificndu-le acolo unde este posibil. Aceasta folosete ca punct de plecare dou modele: PRIMES i Green-X. 2.3.2 O politic activ privind energiile regenerabile sau meninerea statu-quo-ului UE poate adopta, fa de dezvoltarea energiilor din surse regenerabile, o atitudine favorabil meninerii statu-quo-ului sau o politic coerent n favoarea acestora. Ne ateptm ca energiile din surse regenerabile s ating o pondere situat ntre 10,5% i 12,5% n 2020 n condiiile meninerii situaiei actuale. Aceasta n comparaie cu scenariile politicii proactive care ar permite, conform poziiilor Parlamentului European i Consiliului European, ca energiile din surse regenerabile s ating o pondere de 20% n 2020.

Fezabilitate Prima ntrebare este dac este posibil s se ating o pondere mult mai mare. Sunt analizate dou aspecte: disponibilitatea biomasei n cantitate suficient n scopuri energetice i capacitatea sistemului de electricitate de a absorbi cantiti suficiente de energie eolian i alte forme de energie variabil.17

Pentru a atinge, de exemplu, o pondere a energiei din surse regenerabile de 20%, ar fi nevoie de o bioenergie de maxim 230 milioane tone echivalent petrol (Mtep), mprit ntre producia naional i importuri. Presupunnd c 15% din biomasa folosit este importat, contribuia care ar trebui s vin din partea UE ar fi de maxim 195 Mtep. Acesta este rezultatul obinut aplicnd modelele energetice ale Comisiei i pare realizabil. Acest rezultat poate de asemenea fi comparat cu estimarea Ageniei Europene de Mediu, conform creia n 2020 UE va putea s furnizeze 235 Mtep de bioenergie. ntruct aceast analiz realizat pentru UE nu ia n considerare Romnia i Bulgaria, ri cu un consum naional sczut de energie i cu un potenial ridicat de a produce bioenergie, se poate concluziona c disponibilitatea biomasei nu reprezint un impediment n ceea ce privete fezabilitatea. n mod similar, utilizarea energiei variabile ar putea s contribuie la generarea electricitii n procent de pn la 18%. Se consider c aceasta nu va pune probleme de fezabilitate (ntreruperi): s-au realizat mai multe studii extinse, care demonstreaz posibilitatea tehnic de a integra acest nivel de producie variabil n reeaua energetic. Merit observat de asemenea faptul c modelele energetice folosite ncorporeaz ciclurile de investiii (durata de via a activelor), adesea ndelungate, din sectorul energetic pentru a afla rata posibil de cretere a noilor tehnologii i nlocuirea energiei convenionale cu cea din surse regenerabile. Costuri n absena internalizrii totale a costurilor i beneficiilor externe, majoritatea formelor de energie din surse regenerabile cost mai mult dect alternativa lor convenional. Ne ateptm ca diferena s se reduc, fr a disprea ns, pn n 2020. Presupunnd c preurile la energie se bazeaz pe un cost al petrolului de 48$ pe baril, se prevede c energia regenerabil folosit n cazul meninerii situaiei actuale s coste, n 2020, cu 13 miliarde pe an mai mult dect alternativele convenionale. Pentru o pondere de 20% a energiilor din surse regenerabile, costul suplimentar ar fi de 24 pn la 31 miliarde . Cu toate acestea, aceste costuri suplimentare ar fi aproape n ntregime contrabalansate dac preurile petrolului ar fi mai mari de exemplu 78$/baril i dac emisiile de CO 2 ar fi estimate la 25/tCO2. Emisii de gaze cu efect de ser n cazul meninerii situaiei actuale, din utilizarea energiei din surse regenerabile ar rezulta reduceri anuale de 430-600 milioane tone (Mt) de CO2 n 2020. La o pondere a energiei din surse regenerabile de 20%, cifra echivalent ar fi de 600-900 Mt. Securitatea aprovizionrii Scenariile Green-X i PRIMES demonstreaz c n 2020 combustibilii a cror folosire va fi evitat prin nlocuirea cu energii din surse regenerabile sunt estimai la circa 234-300 Mtep/an, dintre care circa 200 Mtep/an ar fi importate. Importurile de petrol din Orientul Mijlociu i CSI ar putea fi cu cel puin 50 Mtep mai mici. Petrolul este combustibilul care ridic cele mai serioase probleme legate de securitatea aprovizionrii, mai ales n privina transportului. Un scenariu n care ar fi acordat o pondere mai mare biocarburanilor ar fi necesar pentru a aborda cea mai grav problem a UE, aceea legat de securitatea aprovizionrii. Securitatea aprovizionrii este de asemenea un aspect important n sectorul sistemelor de nclzire, dat fiind faptul c acestea se bazeaz foarte mult pe petrol i gaz. Ocuparea forei de munc, PIB i oportuniti de export Rezultatele obinute prin utilizarea modelelor PRIMES i GREEN-X au fost introduse n modele ale ntregii economii. Ele iau n considerare, printre altele, modificrile de pre care vor rezulta din promovarea energiilor din surse regenerabile. Unul dintre cele trei modele utilizate demonstreaz c PIB-ul ar crete cu aproximativ 0,5% n 2020 dac energia din surse18

regenerabile ar ajunge la o pondere de 20%, ceea ce ar reprezenta puin mai mult dect n condiiile actuale, i c ocuparea forei de munc ar crete cu mai puin de 0,3%, aproximativ 650 000 de locuri de munc. Al doilea model a estimat c n sectorul biocarburanilor, numrul locurilor de munc ar putea crete cu 144 000, iar PIB-ul cu circa 0,23%. Al treilea model, care a examinat sectorul electricitii, a estimat o pierdere a bunstrii de 0,05%. Aceste simulri insist asupra efectelor cererii europene de energie din surse regenerabile i de fonduri fixe necesare pentru producerea sa. Cu toate acestea, o politic activ privind energia regenerabil creeaz de asemenea potenial pentru ca productorii europeni s exporte. Biodiversitatea Schimbarea climei reprezint principala ameninare la adresa biodiversitii. Astfel, impactul pozitiv al energiei din surse regenerabile asupra emisiilor de gaze cu efect de ser contribuie n mod pozitiv la biodiversitate. Totui, nu trebuie uitat impactul producerii de energie asupra biodiversitii locale. De exemplu, n cazul energiei eoliene i al biocarburanilor, trebuie descurajate procesele de producie care au un impact negativ puternic asupra biodiversitii: evitarea instalrii turbinelor eoliene n puncte critice prin care psrile migratoare sunt obligate s treac sau tierea pdurilor tropicale pentru a permite fabricarea de ulei de palmier n scopul producerii biomotorinei. n scopul evitrii acestor procese de producie, Comisia elaboreaz instruciuni referitoare la modul n care impacturile asupra mediului ar trebui luate n calcul n dezvoltarea energiei eoliene i intenioneaz s dezvolte o strategie n contextul revizuirii directivei privind biocarburanii. Avnd n vedere aceste msuri, se poate trage concluzia c impactul asupra biodiversitii a unei ponderi a energiilor din surse regenerabile semnificativ mai mare ar fi extrem de pozitiv, chiar nainte de a analiza efectele negative ale energiei convenionale. De fapt, producerea de energie convenional are efecte extrem de importante asupra biodiversitii (deversrile de petrol sunt un exemplu n acest sens). n cazul unei politici de promovare a energiei din surse regenerabile, aceste impacturi nu ar mai exista deoarece o pondere ridicat a energiei din surse regenerabile nseamn un consum mai mic de energie convenional. Calitatea aerului nlocuirea generrii de curent electric pe baz de combustibili fosili cu energia din surse regenerabile are n general efecte pozitive asupra calitii aerului, mai ales atunci cnd combustibilul nlocuit este crbunele. nlocuirea combustibililor convenionali pentru transport cu biocarburani are efecte minime asupra calitii aerului, din cauza restriciilor severe n privina polurii n transportul rutier. nlocuirea nclzirii convenionale cu cea pe baz de biomas poate avea un efect negativ asupra calitii aerului dac se folosete echipament de slab calitate. Pentru a evita acest lucru, ar trebui s se depun eforturi pentru a asigura acordarea de msuri de sprijin doar pentru echipament de bun calitate. Aspecte internaionale Cererea european de biomas, n special de biocarburani, poate contribui la mbuntirea relaiilor comerciale cu partenerii comerciali ai Uniunii Europene, mai ales cu rile n curs de dezvoltare, multe din ele avnd capacitatea de a produce i exporta biomas i biocarburani la preuri competitive. Sursele regenerabile de energie pot oferi posibiliti importante n ceea ce privete crearea de noi locuri de munc i dezvoltarea rural n rile n curs de dezvoltare. Prin urmare, o politic puternic privind energia regenerabil n UE poate fi considerat un instrument important n politica referitoare la rile n curs de dezvoltare.

19

Vizarea unor ponderi diferite de 20% Folosind unul dintre scenariile aflate n studiu, s-a efectuat o analiz de sensibilitate n scopul comparrii impactului atingerii unei ponderi de 20% n 2020 cu cel al atingerii unor ponderi de 16, 18 sau 22%. Atunci cnd ponderea energiei din surse regenerabile este stabilit la un nivel sub 20%, reducerile estimate ale costurilor (n raport cu un scenariu de 20%) sunt aproximativ egale cu reducerile avantajelor. De exemplu, varianta de 16% ar presupune o utilizare cu 20% mai sczut a energiei regenerabile, reducerea cu 19% a emisiilor de CO2, scderea cu 24% a importurilor de combustibili fosili i diminuarea costurilor de investiii cu 23%. n schimb, atunci cnd cota energiei din surse regenerabile este stabilit la un nivel mai mare de 20% -n varianta de 22% costurile cresc mai mult dect avantajele. S-ar folosi cu 10% mai mult energie din surse regenerabile, reducerea emisiilor de CO2 i a importurilor de combustibili fosili ar crete n mod asemntor (cu 7 i, respectiv, 12%), ns costurile de investiii ar crete cu 26%. Acest lucru vine n sprijinul argumentelor c nu se justific vizarea unei ponderi de peste 20%. Concluzie parial n baza acestei analize i n funcie de importana politic acordat fiecrui factor, se impune concluzia c abordarea activ a energiei din surse regenerabile merit s fie urmrit de ctre UE, printr-un obiectiv ambiios stabilit pentru 2020.

20

3. STADIUL CUNOATERII N DOMENIUL CONVERSIEI FOTOVOLTAICE 3.1 SURSE REGENERABILE DE ENERGIE BAZATE PE CONVERSIAFOTOVOLTAIC A ENERGIEI SOLARE 3.1.1 Radiaia solar Soarele este un corp radiant complex, care se poate aproxima cu un corp negru de temperatur 6.050 K (Fahrenbruch, 1983). Modificarea spectrului solar la suprafaa pmntului faa de alura spectrului corpului negru este datorat variaiei de temperatur a atmosferei soarelui, a liniilor de absorbie Fraunhofer i a absorbiei atmosferei terestre.

Figura 8. Spectrul solar

n figura de mai sus, sunt date distribuiile spectrale ale corpului negru la diferite temperaturi i aproximaia spectrului soarelui, pentru comparaie. n spaiul extra atmosferic, 98 % din energia radiat de soare se prezint ntre lungimile de und 0,25 i 3 m. Se definete constanta solar ca energia recepionat n spaiu pe unitatea de suprafaa perpendicular pe direcia soarelui, situat la o distan medie a Pmntului fa de Soare. Valoarea acceptat a constantei solare este de 1.366 W/m2 (ASTM E490). Constanta solar este rezultatul medierii msurtorilor cu ajutorul a 6 satelii n perioada 1978-1998 (Frohlich si Lean). Valoarea acestei energii variaz n plaja de 3,35 % fa de constanta solar din cauza schimbrii distanei Pmnt Soare (1400 W/m2 n ianuarie i 1310 W/m2 n iulie). n drumul prin atmosfer, radiaia solar este modificat de urmtoarele procese: mprtierea Rayleigh, care este responsabil de culoarea albastr a cerului; benzile de absorbie ale componentelor atmosferei (oxigen, ozon, azot). Aproape toat radiaia cu < 0,29 m este absorbit de ozon; absorbia molecular a H2O si CO2. Aproape toat radiaia solar cu > 3 m este absorbit de ap i bioxid de carbon, cu excepia aa-numitelor ferestre atmosferice, dar care sunt situate la lungimi de und mult mai mari; mprtierea datorat aerosolilor i altor particule din atmosfer, care are loc la lungimi de und foarte mici; refracia i turbulena datorate variaiei indicelui de refracie cu temperatura i presiunea.

21

La radiaia solar direct, se adaug componenta difuz provenit de la bolta cereasc, care depinde de coninutul de aerosoli, nori i de reflexia datorat caracteristicilor suprafeei terestre n locul dat. Radiaia difuz are maximul n regiunea albastr a spectrului i contribuie cu 8+10 % la radiaia total. Spectrul solar n afara atmosferei este AM0 (AM=masa de aer ) i se apropie mult de radiaia corpului negru la 5800K, radiaia fiind de 1366 W/m 2. La AM1(inciden normal), radiaia scade de la valoarea de 1366 W/m2 la 925 W/m2, iar la AM1,5 (adic soarele la 45) radiaia este de 844 W/m2. De-a lungul unei zile, unghiul zenital variaz continuu, deci coninutul spectral al radiaiei solare, AM, variaz, n consecin, continuu. Media radiaiei solare pe 24 h este aproximativ 0,2 din valoarea maxim a acestei radiaii n cursul zilei, dar acest coeficient depinde puternic de factorii locali. AM se apropie de unitate n condiii atmosferice perfecte, la z=0 (z=unghi de zenit, unghiul fcut de direcia Pmnt-Soare cu normala la planul care include orizontul din locul respectiv). Spectrele (AM1,5 sau AM2) sunt valori aproximate ale mediei diurne a spectrului, folosite la definirea eficienei de conversie a dispozitivelor de conversie a energiei solare.

Figura 9. Poziia relativ a Soarelui

Intensitatea i compoziia spectral a radiaiei solare care ajunge la suprafaa pmntului depind de compoziia atmosferei terestre i de lungimea drumului parcurs pn la suprafaa pmntului. Cei mai importani parametri ai atmosferei care au impact asupra radiaiei solare sunt: coninutul de ap; turbiditatea, ca expresie a transparenei i a mprtierii radiaiei; coninutul de ozon; existenta norilor; reflexia suprafeei terestre. Deoarece cantitatea de energie care ajunge la periferia atmosferei este dependent de distana Pmnt Soare, radiaia care ajunge la suprafaa terestr mai depinde i de declinaia soarelui, care nseamn mrirea drumului radiaiei solare prin atmosfera Pmntului. AM = sec z (secant de z)sec( z ) = 1 2 = iz cos( z ) e + e iz

(1.1)

n care: z unghiul de zenit; e exponenial22

Figura 10. Mrimi care definesc AM

Unghiul de zenit z este unghiul fcut de direcia Pmnt-Soare cu normala la planul care include orizontul din locul respectiv. Acest unghi z depinde de ora local, anotimp i latitudine. La ora 12:00, ora astronomic local, zenitul este dat de formula: z = 23,5 cos(360/365N +) n care: L - latitudinea locului; N - numrul de zile scurs de la solstiiul de var (22 Iunie), n grade; - defazaj ntre referina calendarului (ziua n care se dorete efectuarea masurtorii) i data solstiiului de iarn (22 Decembrie), n grade . S-a convenit ca lungimea drumului parcurs prin atmosfera terestr sa se descrie prin coeficientul AM.Un spectru solar specific este etichetat AM . AM0 corespunde spectrului solar n afara atmosferei, iar spectrul solar mediu corespunde AM2. Datorit variaiilor mari ale radiaiei solare i condiiilor mediului ambiant, s-au definit condiii de testare i calificare ale dispozitivelor de conversie a energiei solare, acceptate ca norme de ctre productori i utilizatori de sisteme de conversie a energiei soarelui n energie electric i/sau termic. Comitetul Electrotehnic Internaional (CEI), n spe grupul de lucru STC 82, se ocup de standardizarea n acest domeniu, implicnd n aceast activitate specialiti cu bogat experien practic n conversia energiei solare. Condiiile standard de testare STC pentru conversia fotovoltaic sunt: temperatura celulei: 252 C; radiaia solar: 1.000 W/m2; spectrul AM 1,5. Condiiile standard, STC, care se aplic n laborator, constituie baza de evaluare i de comparaie a diferitelor componente folosite n conversia fotovoltaic. Aceste condiii sunt ns destul de diferite de condiiile reale de funcionare a acestor dispozitive. De aceea, au fost definite metode de testare n condiii normale de operare NOCT- care sunt la rndul lor standard, dar sunt mult mai aproape de ceea ce se ntmpl n condiii normale de exploatare: unghiul de nclinare perpendicular pe direcia soarelui; radiaia solar: 800 W/m2; temperatura ambiant 20 C; viteza vntului 1 m/s. 3.2 CELULA FOTOVOLTAIC 3.2.1Principiu de funcionare O celul fotovoltaic poate fi asimilat cu o diod fotosensibil, funcionarea ei baznduse pe proprietile materialelor semiconductoare.23

(1.2)

ntre metale i izolatoare, din punct de vedere al conductivitii, se plaseaz semiconductoarele, pentru care s [10-8, 104] -1m-1. Spre deosebire de metale, la semiconductoare, conductivitatea crete puternic cu temperatura. La temperaturi foarte coborte, semiconductoarele sunt izolatoare, iar la temperaturi ridicate sunt conductoare destul de bune. n categoria semiconductoarelor intr o mare varietate de substane: oxizi, compui, elemente chimice ca siliciul, germaniul i seleniul. n dispozitivele electronice semiconductoare, cele mai utilizate materiale sunt cristalele elementelor tetravalente Ge i Si i a unor compui intermetalici, ndeosebi GaAs (arseniur de galiu). n cazul semiconductoarelor, electronii de valen sunt legai de un atom mai slab dect la materialele izolatoare. Aceste legturi pot fi rupte dac electronii primesc o energie suficient devenind astfel electroni liberi. Pentru trecerea electronilor din stadiul de electroni legai de atom n starea de electroni liberi, trebuie transmis o energie minim W, numit energie de activare. Pentru semiconductoare, energia de activare se plaseaz n domeniul 0,025 3 eV. Fiecare material semiconductor n parte este caracterizat de o anumit valoare a energiei de activare. Astfel, pentru Ge avem W = 0,72 eV, pentru Si, W = 1,1 eV. Folosind acelai criteriu, al energiei de activare, putem constata c la metale, W = 0, iar la izolatori, W = 3 10 eV. Datorit valorilor mici, energia de activare poate fi transmis electronilor de valen din materialele semiconductoare de energia de agitaie termic a ionilor reelei cristaline. Spre deosebire de metale, cu creterea temperaturii n semiconductoare crete numrul electronilor liberi. De exemplu, la Si pur, concentraia electronilor liberi crete de la 10 17 m-3 (la temperatura camerei) pn la 1024 m-3, la temperatura de 700 C . Celula fotovoltaic permite conversia direct a energiei luminoase n energie electric. Principiul de funcionare se bazeaz pe efectul fotoelectric. Efectul fotoelectric este emiterea de electroni din materie n urma absorbiei de radiaie electromagnetic, de exemplu radiaie ultraviolet. Cnd o suprafa semiconductoare este expus unui flux de radiaie electromagnetic poate s genereze, n anumite condiii, electroni liberi, care produc un curent electric dac sunt accelerai sub aciunea unui cmp electric.

Figura 11. Sub aciunea luminii electronii prsesc semiconductorul

Radiaia electromagnetic este format din particule (pe care le numim fotoni). Energia unui foton poate fi transferat unui singur electron. Astfel, dac energia fotonului este sub pragul de extragere a electronului din cristal, mrirea numrului de fotoni (intensificarea fluxului de lumin) nu poate ajuta la declanarea efectului fotoelectric.

24

Figura 12. Schema unei celule elementare

Cantitativ, efectul fotoelectric se poate descrie folosind formula:hf = hf 0 + 1 mv 2 2

(1.3)

n care: h - este constanta lui Planck [J*s]; f - este frecvena fotonului incident [Hz]; f0 - este frecvena minim la care are loc efectul fotoelectric [Hz]; m [Kg] i v[m/s] sunt masa, respectiv viteza electronului dup ieirea din cristal; Energia fotonului incident este hf, aceast energie se conserv. O parte se regsete n reeaua cristalin a cristalului i o parte este transferat sub form de energie cinetic electronului devenit liber. Dac se noteaz cu = hf0 lucrul mecanic de extracie i cu Ec energia cinetic a electronului, formula de mai sus se poate rescrie astfel: hf = + Ec (1.4)

n care: lucrul mecanic de extracie [J]; Ec energia cinetic a electronului [J]; Conform desenului de mai sus fotonii acioneaz asupra unei jonciuni p-n care este un semiconductor eterogen constituit din dou regiuni cu conductibilitate de tip opus (p i n ), care formeaz o singur reea cristalin. Exist dou tipuri de semiconductori:

semiconductor intrinsic Semiconductorii intrinseci sunt materiale pure i au wi 10-2 eV(energia benzii interzise). Astfel, un numr destul mare de electroni din banda de valen pot trece n banda de conducie, escaladnd banda Fermi, crendu-se astfel purttori de sarcin care stabilesc un curent electric neglijabil n corp.

semiconductor extrinsec Semiconductorii extrinseci se obin prin dopare, adic prin adugarea unei foarte mici cantiti de atomi strini ntr-un semiconductor pur , care( n general) are wi (energia benzii interzise) relativ mare (de exemplu wi 1,1 eV pentru Si, i wi 0,7 eV pentru Ge). Deoarece wi este mai mare dect la semiconductorii intrinseci, electronii escaladeaz cu dificultate banda interzis Fermi. n acest caz prezena impuritilor bine alese determin apariia n banda25

interzis a nivelurilor adiionale de tip donor (nd), foarte apropiate de banda de conducie (wn 10-2 eV), i/sau de tip acceptor (na), foarte apropiate de banda de valen (wp 10-2 eV), care poate furniza cu uurin purttori de sarcin pentru conducia electric. semiconductor de tip P(impuriti acceptoare). semiconductor de tip N(impuriti donoare). 3.2.2 Tehnologii ale celulelor solare Cel mai utilizat material pentru realizarea celulelor solare este siliciu, un semiconductor din grupa IV. Acesta este tetra-valent, ceea ce nseamn c un atom de siliciu se poate asocia cu patru ali atomi de aceeai natur. Se mai utilizeaz arseniur de galiu i straturi subiri de CdTe (telur de cadmiu), CIS (cupru-indiudiseleniu) i CIGS. Exist mai multe tipuri de celule solare: celule monocristaline: celulele se prezint sub forma unor plachete rotunde, ptrate sau pseudo ptrate. Randamentul lor este de 12 16%.

Figura 13. Celula monocristalin

celule multicristaline sau policristaline: acest tip de celule se realizeaz pe baza unui bloc de siliciu cristalizat n mai multe cristale, care au orientri diferite. Randamentul lor este de 11 13%, dar presupun un cost de producie mai redus dect cel al celulelor monocristaline.

Figura 14. Celula multicristalin

celule amorfe: aceste celule sunt realizate dintr-un suport de sticl sau material26

sintetic, pe care se depune un strat subire de siliciu (organizarea atomilor nu este regulat, ca n cazul unui cristal). Randamentul lor este de 5 10%, mai mic dect al celulelor cristaline, dar preul este bun. Ele au avantajul de a se comporta mai bine la lumina difuz i la cea fluorescent, fiind deci mai performante la temperaturi mai ridicate.

Figura 15. Celula amorf

celule cu CdTe, CIS i CIGS : tehnologiile CdTe, CIS i CIGS sunt n curs de dezvoltare sau de industrializare. Mai precis, celulele cu CdTe se bazeaz pe telura de cadmiu, material interesant datorit proprietii de absorbie foarte mare. Totui, dezvoltarea lor risc s fie frnat datorit toxicitii cadmiului. Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazeaz pe cupru, indiu i seleniu. Acest material se caracterizeaz printr-o bun stabilitate sub aciunea iluminrii. Ele au proprieti de absorbie excelente. Celulele cu CIGS sunt realizate din aceleai materiale ca i cele cu CIS, avnd ca particularitate alierea indiului cu galiu. Aceasta permite obinerea unor caracteristici mai bune. n tabelul 2 sunt prezentate valorile randamentului tipic i teoretic ce poate fi obinut cu aceste diferite tehnologii.Tabelul 2 Randamentul tipic i teoretic ce poate fi obinut cu aceste diferite tehnologii

Tehnologie Monocristaline Policristaline Amorfe

Randament tipic[%] 12-16 11-13 5-10

Randament teoretic[%] 24 18.5 12.7

3.3 ANALOGIE CU DIODA Celula fotoelectric este elementul de baz n conversia fotoelectric. n ntuneric, ea se comport ca i o jonciune PN (diod). n aceste condiii, o celul fotoelectric are caracteristica curent tensiune a unei jonciuni.

Figura 16. Dioda PN

27

n practic, jonciunile (diodele) PN moderne sunt foarte asimetrice: doparea unei zone este mult mai mare dect a celeilalte. Dac partea P este mult mai dopat dect partea N, avem de-a face cu o diod P+N. Dac partea N este mult mai dopat dect partea P, avem de-a face cu o diod PN+. Dioda PN are particularitatea de a permite trecerea curentului ntr-un singur sens (sensul de conducie dinspre anod spre catod).

Figura 17. a) jonciunea p n nepolarizat b) jonciunea p n polarizat direct c) jonciunea p n polarizat invers

Unde ipM i inM sunt componentele curenilor de goluri, respectiv de electroni, produi de acei purttori majoritari care au o energie suficient de mare pentru a nvinge bariera de potenial U0 din regiunea de trecere. Cum bariera de potenial este mare, curentul de difuzie id este foarte mic. Cmpul intern al jonciunii antreneaz dintr-o zon n alta purttorii minoritari, formnd un curent de conducie, ic = ipm + inm , unde ipm i inm sunt componentele curenilor de goluri, respectiv de electroni (purttori minoritari). n regimul de echilibru termic al unei jonciuni nepolarizate, curentul de difuzie id este egal i de sens contrar cu curentul de conducie ic , astfel nct curentul rezultant prin jonciune este nul. Cnd celula este iluminat, ea produce un curent cu att mai mare cu ct iluminarea este mai intens. Curentul este proporional cu iluminarea. Se va regsi aceeai caracteristic ca i a diodei, dar decalat n jos cu curentul Iph (fotocurent), corespunztor intensitii iluminrii. n sfrit, trebuie observat c, pentru a se obine caracteristica curent-tensiune ca n figura de mai jos, se consider ca sens de referin al curentului, sensul opus lui Id, respectiv sensul fotocurentului Iph. Se poate obine, de asemenea, caracteristica de putere P = f(U), care pentru anumite condiii de iluminare i temperatur, pune n eviden un punct de funcionare la puterea maxim, aa cum se poate observa n figura de mai jos.

a)

b)

Figura 18. a) Caracteristica curent-tensiune

28

b) Caracteristica putere-tensiune

n plus se poate determina experimental caracteristica curent-tensiune, prin modificarea rezistenei la bornele celulei din schema de mai jos lucru care permite trasarea caracteristici celulei fotoelectrice fr s fi definit toi parametrii ecuaiei I = f(U).

Figura 19. Schema de montaj

3.4. MODELUL MATEMATIC ECHIVALENT Modelul matematic al celulei fotoelectrice se poate obine, plecnd de la cel al jonciunii propuse. Se adaug curentul Iph, proporional cu iluminarea i un termen ce modeleaz fenomenele interne. Curentul I furnizat de celul se poate scrie:

I = I ph I 0 dI d = I 0dn care:

q*(U + Rs *I ) * (e kT

1)

U + Rs * I Rsh

(1.5) (1.6)

q*(U + Rs *I ) * (e kT

1)

I ph

: fotocurent, sau curent generat prin iluminare [A];

I 0 d : curent de saturaie [A]; Rs : rezisten serie [ ]; Rsh : rezisten paralel [ ];k: constanta lui Boltzmann (k = 1,38.10-23 J/K); q: sarcina electronului (q = 1,602.10-19 C); U: tenisunea [V]; T: temperatura celulei (K). Expresia de mai sus se poate deduce din schema echivalent din figura urmtoare:

29

Figura 20. Schema echivalent a unei celule fotoelectrice

Dioda modeleaz comportamentul celulei n ntuneric. Sursa de curent modeleaz curentul Iph generat prin iluminare. Rezistenele modeleaz pierderile interne: Rezistena serie Rs modeleaz pierderile ohmice ale materialului; Rezistena paralel Rsh modeleaz curenii parazii ce parcurg celula. Ideal, se poate neglija Rs i I fa de U, i s se lucreze cu un model simplificat:

I = I ph I 0 d

qU * (e kT

1)

U Rsh

(1.7)

Cum rezistena paralel este mult mai mare dect rezistena serie, se poate neglija curentul prin Rsh. Rezult:

I = I ph I 0 d

qU * (e kT

1)

(1.8)

Schema echivalent corespunde celulei ideale:

Figura 21. Schema echivalent simplificat

3.5 PARAMETRI UNEI CELULE FOTOVOLTAICE Se definete randamentul energetic al unei celule, ca fiind raportul dintre puterea electric maxim generat de celula studiat i puterea incident (produsul dintre iluminare (E) i suprafaa activ (S) a celulei studiate):

30

=

Pm E*S

(1.9)

n care: E iluminarea [W/m]; 0 S suprafaa activ a panourilor [m]. 1 Pm puterea maxim msurat n condiiile standard impuse de UE, respectiv n spectrul AM1.5, la o temperatur de 25C i iluminare de 1000 W/m. AM desemneaz condiiile masei de aer, determinate n funcie de numrul de mase de aer (grosimea straturilor traversate de razele soarelui i constituia lor). n urma trecerii prin atmosfer, radiaia global a Soarelui se descompune n radiaie direct, radiaie difuz i albedo. Radiaia direct provine direct de la Soare, fr a fi deviat. Radiaia difuz provine de la bolta cereasc, difuzat de particule (aer, gaz, nori). Pentru aceasta, nu exist o direcie preferenial. Albedo este fraciunea de radiaie difuzat sau reflectat de sol. Trebuie s se in cont i de atmosfer. Practic, radiaia ajuns pe Pmnt, la nivelul solului, nu este dect cel mult 1000 W/m. Aceast radiaie este obinut, la latitudinea noastr, doar pe durata a ctorva zile pe an. Randamentul unei celule este, n general, destul de sczut, de ordinul 10 -20%. Au fost obinute randamente mai bune cu materiale noi (n laborator, arseniura de galiu AsGa ofer un randament mai mare de 25%) cu tehnologii experimentale (tehnologia multistraturi), deseori dificile i costisitoare pentru a fi puse n practic. n aceste condiii, materialul fotoelectric cel mai utilizat este siliciul, care reprezint o soluie economic. Pentru astfel de celule, randamentul energetic nu depete 15%. Pe baza caracteristicilor curent-tensiune i putere-tensiune, se pot obine i ali parametrii: Curentul de scurtcircuit Isc, respectiv curentul debitat de celul, atunci cnd tensiunea la bornele sale este nul. Practic, acest curent este foarte apropiat de fotocurentul Iph. Tensiunea n gol VCO, respectiv, tensiunea la bornele celulei, atunci cnd curentul debitat este nul. ntre cele dou extreme, exist un optim care ofer puterea maxim Pmax sau MPP (Punctul de putere maxim). Factorul de form, care arat ct de ideal este caracteristica, este dat de raportul: 0

FF =1

Pm Vco I sc

(1.10)

2 3 0 0

n care: Pm puterea maxim;Isc curentul de scurtcircuit; VCO tensiunea n gol;

1 3.6 INFLUENA TEMPERATURII

1Temperatura este un parametru important, deoarece celulele sunt expuse radiaiei solare, fiind posibil nclzirea lor. n plus, o parte din energia absorbit nu este convertit n energie electric: se disip sub form de cldur. Din aceste motive, temperatura celulelor este ntotdeauna mai ridicat dect a mediului ambiant. Pentru a estima temperatura unei celule Tc, cunoscnd temperatura mediului ambiant Ta, se poate folosi expresia: 2

31

Tc = Ta +

Em (TUC 20) 800

(1.11)

n care: Em: iluminarea medie [W/m2]; TUC: Temperatura de utilizare a celulei [C]. Cu ct temperatura este mai mic, cu att celula este mai eficient. Fiecare grad de nclzire a celulei, determin o pierdere a randamentului de ordinul a 0,5 %. n mod empiric, s-a constatat c fotocurentul crete puin cu temperatura (de ordinul a 0.05%/K, n cazul celulelor cu siliciu). De asemenea, se poate observa c punctul de putere maxim poate avea variaii semnificative. 3.7 INFLUENA ILUMINRII Fotocurentul este, practic, proporional cu iluminarea sau cu fluxul luminos. n mod normal, curentul nu se modific. Acest comportament nu este valabil dect pentru celulele care nu utilizeaz concentratoare a radiaiei solare, sau cu concentrare redus. n consecin, densitatea purttorilor de sarcin i curentul de saturaie variaz prin modificarea temperaturii i a concentraiei iluminrii. Fotocurentul creat de o celul fotoelectric este proporional i cu suprafaa S a jonciunii, supus expunerii la radiaia solar; pe de alt parte, tensiunea n gol nu depinde de aceast suprafa, ci doar de calitatea materialului semiconductor i de tipul jonciunii. Se poate considera c tensiunea U este constant, deoarece variaia valorii Upmax n funcie de iluminare, este infim pierderea de putere nu va fi semnificativ.

a)

b) Figura 22. a) Familie de caracteristici U-I b) Familie de caracteristici U-P

Pentru creterea iluminrii celulelor, este de dorit ca acestea s fie orientate astfel nct, razele soarelui s cad perpendicular pe ele. 3.8 CONECTAREA CELULELOR n condiii standard STC (1000W/m, 25C, AM1.5), puterea maxim a unei celule de siliciu de 10 cm va fi de aproximativ 1,25 W. Celula fotoelectric elementar reprezint, deci, un generator electric de foarte mic putere, insuficient pentru majoritatea aplicaiilor casnice sau industriale. n consecin, generatoarele fotoelectrice sunt realizate prin conectarea (asocierea) n32

serie i/sau n paralel a unui numr mare de celule elementare. Aceste grupri se numesc module, care la rndul lor vor forma panourile. Aceast conectare trebuie s se realizeze cu respectarea anumitor criterii precise, innd cont de dezechilibrele care se creeaz n timpul funcionrii ntr-o reea de fotocelule. Practic, chiar dac numeroasele celule care formeaz un generator, sunt teoretic identice, datorit inevitabilelor dispersii de fabricaie, ele au caracteristici diferite. Pe de alt parte, iluminarea i temperatura celulelor nu este aceeai pentru toate celulele din reea. Conectarea n serie a celulelor face ca tensiunea la bornele ansamblului s fie mai mare, curentul fiind acelai n toate celulele. Conectarea n paralel determin creterea curentului debitat, tensiunea la bornele ansamblului fiind aceeai. Conectarea n serie n cazul conectrii n serie, celulele sunt parcurse de acelai curent, iar caracteristica ansamblului rezultat este dat de suma tensiunilor celulelor componente, la un anumit curent.

Figura 23. Conectarea n serie

Conectarea n paralel

n cazul conectrii n paralel, tensiunea la bornele tuturor celulelor este aceeai, curentul rezultat al ansamblului fiind suma curenilor celulelor componente. Caracteristica ansamblului este dat de suma curenilor furnizai de celulele componente, la o anumit tensiune.

Figura 24. Conectarea n paralel

Cea mai mare parte a modulelor comercializate, sunt compuse din 36 de celule de siliciu cristalin, conectate n serie pentru aplicaii de 12 V.

33

4. SISTEM AUTOMAT DE POZIIONARE A PANOURILOR SOLARE FOTOVOLTAICE N FUNCIE DE POZIIA SOARELUI

Figura 25. Sistem automat de poziionare a panourilor fotovoltaice

Actuatorul este un element de acionare (motor electric, electromagnet) folosit n sistemele automate (controlate electronic) pentru executarea unei rotaii a panoului solar din poziia perpendicular a acestuia faa de orizontal pn la o rotaie maxim de 120 n decursul a opt ore. n cazul de fa rotirea actuatorului este realizat de catre un motor pas cu pas care este comandat cu ajutorul unui microcontroller cu functie de ceas. Microcontrollerul permite realizarea ceasului necesar funcionrii unitii de execuie. Este complet, neavnd nevoie extern dect de un quartz sau de chiar numai de o rezistent i un condensator (n functie de configuraie). Se elimin astfel o serie de componente externe ce ar fi sczut fiabilitatea microsistemului. Ideea de baz a fost comasarea echipamentelor de comand i control ntr-un singur dispozitiv compact. Avantajele sunt evidente: se poate realiza un sistem complex de prelucrare i control industrial folosind un numar redus de piese; dispare eterna problem a realizrii unor cablaje complicate care asigurau conectarea echipamentelor de comand i control. Microcontrollerul nregistreaz trecerea a 60 de minute i realizeaz o comand de transmitere a unui impuls electric ctre partea de control a motorului pas cu pas. La primirea impulsului motorul realizeaz o rotire cu 15. Dup efectuarea rotaiei motorul se oprete, iar microcontrollerul reia numrtoarea, efectund urmtoarea comand de transmitere a impulsului ctre motor, la nregistrarea a 120 de minute. Ciclul se repet pn cnd numrtoarea ajunge la 480 de minute, moment n care microcontrollerul se reseteaz, panoul este adus n poziia perpendicular fa de orizontal i repornete sistemul la ora setat de utilizator. 4.1 SCURT PREZENTARE PRIVIND STADIUL ACTUAL AL SISTEMULUI UTILIZAT N EUROPA Proprietti: Motor profesional pas cu pas i stabilizator de tensiune Carcas realizat din aluminiu34

Urmrire orizontal a orbitei soarelui Rotaie a motorului de pan la 120 (opt ore de urmrire la unghi perpendicular)

Consum redus Baterie intern pentru meninerea datei i orei Proiectat pentru utilizarea n condiii climatice extreme Fabricat n Europa Not: Consumul total de energie al motorului actuatorului este de 0,0832Wh, sau 0,025% din energia total colectat ntr-o zi. n tabelul 3 sunt prezentate datele tehnice ale sistemului automat de poziionare a panourilor fotovoltaiceTabelul 3

Date tehnice Protocol de operare Unghi de rotaie orizontal nclinarea motorului (elevaie) Greutatea maxim a unui panou solar Vitez de rotaie Curent consumat n gol Curent de pornire Temperatur de exploatare Umiditatea relativ de exploatare Conectori Conectare Limitare EST-VEST Pas minim (automat) Greutate brut Cuplul maxim al motorului Durat de via MSCS 120 75 25 Kg 1,33/s 25%, cu panou de 100W, la -10C 15 mA 25% 200 mA pentru maxim 0,25 secunde -30C / 70C 0% - 100% Clips tubular 19mm2 2 cabluri cu conductor de cupru de 4mm2 Software / butoane cu revenire 3,2 2,3 Kg - motor / 3,1 Kg - structur metalic 35,9 Nm la 17V si 0,5/s 2000 de cicluri la 190 (95E i 95V)

Tensiunea de alimentare a motorului de la un panou solar 7 - 43 Vcc, n funcie de model

4.2 PROPUNERE DE UTILIZARE A MOTORULUI PAS CU PAS PENTRU SISTEMUL ACTUATORULUI Motorul pas cu pas - motor sincron cu poli apareni pe ambele armturi. La apariia unui semnal de comand pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa pn cnd polii si se vor alinia n dreptul polilor opui statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol n pol, de unde i denumirea sa de motor pas cu pas. Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesar precizie ridicat (hard disc, copiatoare). Constructiv motorul pas cu pas (m.p.p) se clasifica n: m.p.p. cu reluctan magnetic (mrime egal cu raportul dintre tensiunea magnetic de-a lungul unui circuit i fluxul magnetic care strbate circuitul) variabil; m.p.p. cu magnet permanent;35

m.p.p. hibride;

Figura 26. Schema principial a m.p.p. cu reluctan magnetic variabil

Motorul pas cu pas cu reluctan magnetic variabil: avantaje principale - frecvena maxim de comand atinge limite relativ mari i deci se pot realiza viteze ridicate; construcie mecanic simpl; poate fi realizat pentru o gam larg de pai unghiulari; este bidirecional dac dispune de un numr mrit de faze. dezavantaje - nu memoreaz poziia i nu dezvolt cuplu electromagnetic n lipsa alimentrii fazelor statorice; oscilatii importante ale rotorului la alimenatarea unei singure faze statorice la un moment dat.

Figura 27. Schema principial a motorului pas cu pas cu magnet permanent

Motorul pas cu pas cu magnet permanent: avantaje: dezvolt un cuplu de fixare a rotorului chiar n cazul nealimentrii fazelor; consum energetic mai redus; rotorul are o micare amortizat datorit prezenei magnetului permanent. dezavantaje: performanele motorului sunt afectate de variaia caracteristicilor magneilor permaneni; tensiunea electromotoare indus n nfurarea de comand are valori ridicate. 4.3 AVANTAJUL UTILIZRII ACESTUI MOTOR Motorul pas cu pas realizeaz o conversie a informaiei digitale ntr-o micare mecanic proporional. Sistemul este format din: motorul propriu zis, din sursa de alimentare de c.c., un comutator electronic i o surs de comand n impulsuri36

Motorul efectueaz o fraciune de rotaie (pas) pentru fiecare impuls de comand aplicat comutatorului electronic de putere. Topologia circuitelor de comand de putere adaptat principiului de realizare i funcionare al motorului pas cu pas. Motoarele cu magnet permanent mrimea pasului realizat depinde de numrul de poli magnetici aflai pe stator i de cei de pe rotor. Rotorul cilindric i are un anumit diametru impus, datorit caracteristicilor de material, numrul de magnei ce pot fi poziionai pe rotor este limitat.

5. SISTEM CU PANOURI SOLARE FOTOVOLTAICE PENTRU ALIMENTAREA CU ENERGIE SOLAR5.1 DESCRIEREA UNUI PANOU SOLAR FOTOVOLTAIC Un panou solar fotovoltaic transform energia luminoas din razele solare direct n energie electric. Componentele principale ale panoului solar sunt celulele solare. Panourile solare se utilizeaz separat sau legate de baterii pentru alimentarea consumatorilor independeni sau pentru generarea de curent electric ce se livreaza n reeaua public.

Figura 28. Descrierea unui panou fotovoltaic

Tensiunea de ieire a unei singure celule solare cristaline este n jur de 0,5V la un curent direct proporional cu suprafaa celulei (aproximativ 7A la o suprafaa de aproximativ 39 cm2). De obicei, n fiecare panou solar, sunt nseriate ntre 30 - 36 de celule (plus la minus), pentru a obine o tensiune nominal de ieire de 12V (17V tensiune de vrf). Panourile solare pot fi conectate n serie sau n paralel, obinndu-se astfel matrici solare.

Figura 29. Panouri fotovoltaice

Un panou solar este caracterizat prin parametrii si electrici, cum ar fi tensiunea de mers n gol, sau curentul de scurtcircuit. Pentru a ndeplini condiiile impuse de producerea de energie electric, celulele solare se asambleaz n panouri solare utiliznd diverse materiale, ceea ce asigur: protecie transparent mpotriva radiaiilor i intemperiilor legturi electrice robuste protecia celulelor solare rigide de aciuni mecanice37

electricitate

protecia celulelor solare i a legturilor electrice de umiditate asigurarea unei rciri corespunztoare a celulelor solare protecia mpotriva atingerii a elementelor componente conductoare de posibilitatea manipulrii i montrii uoare

Se cunosc diferite variante de construcie a modelelor existente de panouri solare. n continuare descriem construcia modelului cel mai rspndit n momentul de fa. un ecran protector (de cele mai multe ori geam securizat monostrat) pe faa expus la soare un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc siliconic) n care se fixeaz celulele solare celule solare monocristaline sau policristaline conectate ntre ele prin benzi de cositor caserarea feei posterioare a panoului cu o folie stratificat din material plastic rezistent la intemperii ( fluorura de poliviniliden sau tedlar ) i poliester priz de conectare prevzut cu diod de protecie, respectiv diod de scurtcircuitare i racord o ram din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare i montare, pentru fixare i rigidizarea legturii 5.2 FABRICAREA PANOULUI SOLAR Fabricarea ncepe ntotdeauna de pe partea activ expus la soare. La nceput se pregtete i se cur un geam de mrime corespunztoare. Pe acesta se aeaz un strat de folie de etilen vinil acetat, (EVA), adaptat profilului celulelor solare utilizate. Celulele solare vor fi legate cu ajutorul benzilor de cositor n grupe (iruri), care mai apoi se aseaz pe folia de EVA, dup care se face conectarea grupelor ntre ele i racordarea la priza de legatur prin lipire. n final, totul se acoper cu o folie EVA i peste aceasta o folie tedlar. Pasul urmtor const n laminarea panoului n vacuum la 150 C. n urma laminrii, din folia EVA plastifiat, prin polimerizare, se va obine un strat de material plastic ce nu se va mai topi i n care celulele solare sunt bine ncastrate i lipite strns de geam i folia de tedlar. Dup procesul de laminare, marginile se vor debavura i se va fixa priza de conectare, n care se vor monta diodele de bypass. Totul se prevede cu o ram metalic, se msoar caracteristicile i se sorteaz dup parametrii electrici, dup care se mpacheteaz. 5.3 CARACTERISTICI TEHNICE Parametrii unui panou solar se stabilesc, la fel ca i cei pentru celule solare, pentru condiii de test standard. Prescurtri ale termenilor mai des utilizai SC: (Short Circuit) - Scurtcircuit OC: (Open Circuit) Mers n gol MPP: (Maximum Power Point) Punctul de putere maxim Tensiunea electric de mers n gol UOC Curent electric de scurtcircuit ISC Tensiunea electric n punctul optim de funcionare UMPP Curentul electric n punctul de putere maxim IMPP Putere maxim PMPP Factor de umplere FF Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei Randamentul celulei solare38

5.4 SISTEM SOLAR COMPLET PENTRU ALIMENTAREA CU ENERGIE ELECTRIC DINTR-O SURS FOTOVOLTAIC A UNEI LOCUINE Panoul solar 180 Wp Panoul solar este realizat din celulele solare poli-cristaline de calitate ridicat asigur un randament maxim de energie. Panoul solar SCHOTT a fost premiat pentru numrul independent de studii i pentru durata de via. Fiecare tip de panou este conceput - de la cadru la caseta de conexiune - pentru a asigura o eficien maxim integrrii sistemului.

Toleran ngust de ieire: o ieire foarte ngust permite legarea n serie cu pierderi mici de conexiune Instalare uoar i rapid: cadrul de aluminiu i preinstalarea cablului cu conectorii Tyco asigur instalarea uoar i rapid Sistem de tensiune pn la 1000 V: panoul cu clasa de siguran II este configurat pentru un sistem de tensiune de pn la 1000 de V. Este potrivit pentru sisteme conectate la reea. Caracteristici:

panou fotovoltaic multicristalin cu 180 Wp Marimea celulei: 125 x 125 mm, Tyco Solarlok plug Dimensiuni: 1620 x 810 x 50 mm Mas: 15.5 kg Tensiune de ieire: U = 36V Curent de ieire: I = 4,95 A

5.5 INCRCTORUL SOLAR ncrctorul solar se monteaz n circuitul sistemului solar, ntre panoul solar fotovoltaic i baterie. ncrctorul solar asigur o ncrcare eficient a bateriei, pe care o i protejeaz mpotriva descrcrii profunde i scurtcircuitelor, protejnd n acelasi timp i panoul solar mpotriva unui eventual scurtcircuit. ncrcarea bateriei este realizat prin metoda PWM (Pulse Width Modulation = Modulare a Duratei de Impuls). Bateria este ncrcat folosind un tren continuu de impulsuri de curent electric, impulsuri a cror durat este modificat automat de ncrcator n funcie de gradul de ncrcare a bateriei. Pe lng stabilizarea perfect PWM, cu compensare termic integrat, controller-ul ofer funcii deosebite de afiare, programare i siguran. Starea de ncrcare a bateriei este afiat sub forma unui grafic cu bare. Starea de sarcin este de asemenea afiat : suprasarcin, scurtcircuit. Funcia de protecie mpotriva descrcrii profunde poate fi setat n 3 moduri diferite : controlat de tensiune, controlat SOC sau adaptiv (logica fuzzy). Modul de funcionare a unui ncrctor solar este exemplificat prin figura de mai jos:

39

Figura 30. Modul de funcionare a unui ncrctor solar

Caracteristici: ncarcator multi-pas cu inchidere automata (3 pasi) led indicator de stare protecie la scurtcircuit protecie la inversarea polaritii protecie la suprasarcin ventilator cu control automat al turaiei n tabelul 4 sunt prezentate specificaiile tehnice ncrctorului solar:Tabelul 4 Specificatiile tehnice ale ncrctorului solar:

Curent de maxim de ncrcare Curent maxim de sarcin Tensiune sistem Consum propriu Dimensiuni Tip de protecie

20 A 20 A 12/24 V < 4 mA 89x90x39 IP20

5.6 INVERTORUL

40

Invertorul este utilizat ntr-un sistem solar pentru a obine o tensiune util de 230 V, folosind ca surs de alimentare bateria, ncrcat n prealabil de panoul solar, prin intermediul ncarctorului solar. Tensiunea de 12 V a bateriei este convertit n 230 V de ctre acest aparat. Printre facilitaile pe care le pot avea invertoarele se numar: protecie la scurtcircuit pe intrare i ieire, protecie la suprasarcin i supranclzire protecie la supravoltare i subvoltare, afiarea puterii consumate i a tensiunii bateriei. Invertoarele au ca i caracteristic principal puterea nominal, care reprezint consumul maxim admis la ieirea de 230 V forma undei de ieire. Exist invertoare cu und sinusoidal pur sau cu und sinusoidal modificat. Invertoarele cu und sinusoidal modificat sunt mai accesibile ca pre, dar nu se preteaz la echipamente electrice sau electronice care folosesc motoare alimentate direct la 230 V, pentru care se utilizeaz invertoare cu unda sinusoidal pur. Modul de conectare al unui invertor ntr-un sistem solar este exemplificat prin figura urmatoare :

Figura 31. Modul de conectare a unui invertor

n tabelul 5 sunt prezentate specificaiile tehnice ale invertoruluiTabelul 5

Specificatiile tehnice ale invertorului:Model Putere continua de iesire Putere maxima 1. Intrare Tensiune nominala de intrare Gama tensiunii de intrare Linie joasa de transfer Linie joasa de intoarcere Linie inalta de transfer PM-2400SLU-12 2400 W 4800 W 120 Vca sau 220 Vca 60 V ~ 135 Vca sau 120 V ~ 270 Vca 60 Vca +/- 2% sau 120 Vca +/- 2% 65 Vca +/- 2% sau 130 Vca +/- 2% 135 Vca +/- 2% sau 270 Vca +/- 2% 41

Linie inalta de intoarcere Frecventa de intrare 2. Iesire Tensiune de iesire Forma de unda Stabilizare tensiune (mod baterie) Frecventa de iesire Distorsiune armonica totala (THD) Sarcina maxima Sarcina maxima asimetrica Protectie la suprasarcina si scurt-circuit Protectie la supraincalzire Factor de putere Afisaj LCD LED indicator Eficienta maxima 3. Baterie Gama de tensiuni Timp de Backup (sarcina maxima) Gama de frecvente Curent maxim de incarcare (3 pasi selectabili) 4. Regulator de incarcare solara de mentinere Tensiune maxima de circuit deschis Curent maxim de incarcare 5. Avertizare sonora Mod baterie Baterie descarcata Eroare Suprasarcina Compensare termica (Optiune) 6. Date generale Timp de comutare AC (mod UPS) Temperatura de functionare Curent maxim la comutare Zgomot Umiditate relativa

130 Vca +/- 2% sau 260 Vca +/- 2% Auto 50Hz / 60Hz ( 45Hz ~ 75 Hz ) 110 Vca / 115 Vca / 120 Vca sau 220 Vca / 230 Vca / 240 Vca re-setabil via panou LCD Unda pur-sinusoidala < 3% RMS pentru intreaga gama de tensiuni ale bateriei Ajustabila : 50 Hz sau 60 Hz +/- 0.1Hz < 3% Pna la scurt-circuit Pna la puterea nominala de iesire Deconectare automata Avertizare sonora inainte de oprire. Repornire automata 0.8

Stare UPS , Frecventa I/P si O/P, % incarcare, Tensiune Baterie, Temperatura, ModelNormal (Verde), Avertizare (Galben), Eroare (Rosu) 85~92% 12 VCC ( 10 ~ 16 VCC ) 24 VCC ( 20 ~ 32 VCC ) Perioada indelungata de timp 45 ~ 70 Hz > 50 A 55 V 50 A (Optional) Beep la fiecare 4 secunde Beep la fiecare secunda Beep continuu Beep de doua ori pe secunda Celula 3 mV / < 10 ms -20 / +55 40 A / CA 220V Mai putin de 55 dBA (la 1M) 0-95% fara condens

Detalii baterie:

Tensiunea nominal : 12 V ; Capacitate : 12 Ah ; Dimensiune (LxWxH): 151x98x94 mm, mas: 3,75 kg; Curent maxim de descrcare (5sec): 120 A , curent iniial de ncrcare: < 3 A ; Conector : rapid-pornit 4,8/6,3 mm .

5.7 CONCLUZII PARIALE ne ofer independen. Energia solar ne face independeni de sursele convenionale de energie, care sunt ntr-o continu scdere i ale cror preuri sunt ntr-o continu cretere42

n Romnia ne bucurm de o intensitate a radiailor solare pe m2 cu 50 % mai mic dect cea existent n deertul Sahara sistemul de conversie solar prezentat n context are avantajul de a proteja i mediul natural existent sub panourile solare deoarece prin rotaia sa permite creterea plantelor sub acesta ntreinerea nu necesit metode speciale, se cur uor i este indicat ca dup o perioad de un an partea mecanic s fie curat i uns printre trile Europei, Romnia beneficiaz de o insololie peste medie n perioada de var, comparabil cu a Greciei, ar n care tehnologia solar este puternic dezvoltat

6. METODICA DE CALCULCalculul pentru determinarea energiei electrice produs de panourile fotovoltaice s-a efectuat n programul PVGIS.

Figura 32. Iradierea global i potenialul de energie furnizat de soare pe teritoriul rii

Calcul a fost ntocmit pentru patru cazuri : a) Calculul este efectuat pentru un numr de 15 panouri fotovoltaice care vor fi orientate spre coordonata SUD i care vor fi echipate cu sistem de urmrire a poziiei soarelui pe dou axe (pe axa vertical i pe axa orizontal). Estimarea privind media anual de energie electric produs din sistemul fotovoltaic are valoarea de 4410 kWh. Puterea nominal a sistemului fotovoltaic: 2,7 kW (siliciu); Pierderile estimate datorit temperaturi: 9,3% (raportat la temperatura ambiental din aceast zon); Pierderile estimate datorit unghiului de reflexie: 2,8% Alte pierderi (cabluri, invertor): 14% Pierderile sistemului fotovoltaic: 24,2%43

n tabelul 6 sunt prezentate valoriile energie electrice generate n fiecare lun a anului de ctre sistemul fotovoltaic.Tabelul 6 Energia electric generat de sistemul fotovoltaic

Urmriea poziiei soarelui dupa dou axe Luna Ianuarie Februarie Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Decembrie An Totalul intrun an Ed 5.56 9.06 13,10 14,70 17,00 17,00 17,60 16,60 13,10 11,10 6,14 4,01 12,10 Em 172 254 405 440 528 509 544 516 393 343 184 124 368 4410 Hd 2,50 4,19 6,17 7,20 8,53 8,64 8,93 8,45 6,43 5,34 2,88 1,82 5,93 Hm 77,6 117 191 216 264 259 277 262 193 166 86,3 56,3 180 2170

Ed: media zilnic de enegie electric produs de acest sistem n kWh; Em: media lunar de enegie electric produs de acest sistem n kWh; Hd: media zilnic a iradiiei globale pe metru ptrat captat de modulele sistemului n kWh/m2; Hm: media iradiiei globale pe metru ptrat captat de modulele sistemului n kWh/m2.

Figura 33. Energia furnizat lunar de ctre sistemul fotovoltaic

44

Figura 34. Iradierea lunar n plan

Figura 35. Linia de orizont traiectoria soarelui pentru solstiiul de var i iarn

45

Figura 36. Poziionarea panourilor fotovoltaice i urmrirea poziiei soarelului pe axa orizontal i pe cea vertical

b) Calculul este efectuat pentru un numr de 15 panouri fotovoltaice care vor fi orientate

spre coordonata SUD i care vor fi echipate cu sistem de urmrire a poziiei soarelui pe axa orizontal. Estimarea privind media anual de energie electric produs din sistemul fotovoltaic are valoarea de 4140 kWh. Puterea nominal a sistemului fotovoltaic: 2,7 kW (siliciu); Pierderile estimate datorit temperaturi: 9,3% (raportat la temperatura ambiental din aceast zon); Pierderile estimate datorit unghiului de reflexie: 2,8% Alte pierderi (cabluri, invertor): 14% Pierderile sistemului fotovoltaic: 24,2% n tabelul 7 sunt prezentate valoriile energie electrice generate n fiecare lun a anului de ctre sistemul fotovoltaic.Tabelul 7 Energia electric generat de sistemul fotovoltaic

46

Urmriea poziiei soarelui dup axa orizontal Luna Ianuarie Februarie Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Decembrie An Totalul intrun an Ed 4,88 8,34 12,30 13,80 16,10 15,70 16,60 15,90 13,00 10,30 5,50 3,52 11,30 Em 151 233 381 415 498 471 515 492 390 320 165 109 345 4140 Hd 2,18 3,82 5,82 6,85 8,07 8,00 8,45 8,10 6,37 4,97 2,55 1,58 5,57 Hm 67,5 107 180 205 250 240 262 251 191 154 76,5 49,0 170 2030

Ed: media zilnic de enegie electric produs de acest sistem n kWh; Em: media lunar de enegie electric produs de acest sistem n kWh; Hd: media zilnic a iradiiei globale pe metru ptrat captat de modulele sistemului n kWh/m2; Hm: media iradiiei globale pe metru ptrat captat de modulele sistemului n kWh/m2.

Figura 37. Energia furnizat lunar de ctre sistemul fotovoltaic

47

Figura 38. Iradierea lunar n plan

Figura 39. Linia de orizont traiectoria soarelui pentru solstiiul de var i iarn

48

Figura 40. Poziionarea panourilor fotovoltaice i urmrirea poziiei soarelului pe axa orizontal

c) Calculul este efectuat pentru un numr de 15 panouri fotovoltaice care vor fi montate

pe suporturi metalice fixe i vor fi orientate spre coordonata SUD la un unghi optim de 35 de grade. Estimarea privind media anuala de energie electric produsa din sistemul fotovoltaic are valoarea de 3190 kWh. Puterea nominal a sistemului fotovoltaic: 2,7 kW (siliciu); Pierderile estimate datorit temperaturi: 9,3% (raportat la temperatura ambiental din aceasta zon); Pierderile estimate datorit unghiului de reflexie: 2,8% Alte pierderi (cabluri, invertor): 14% Pierderile sistemului fotovoltaic: 24,2% n tabelul 8 sunt prezentate valoriile energie electrice generate n fiecare lun a anului de ctre sistemul fotovoltaic.Tabelul 8 Energia electric generat de sistemul fotovoltaic

Sistem fix: unghiul de inclinaie 35 grade Luna Ianuarie Februarie Martie Aprilie Mai Iunie Iulie

4,35 7,08 9,78 10,50 11,60 11,30 11,90

135 198 303 316 359 338 369 49

1,