Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa

8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa

http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 1/14

Proiectarea unui sistem cu celule solare pentru

alimentarea unei pompe de apa

Cuprins:

1) Efectul fotovoltaic

2) Tipuri de celule fotovoltaice(caracteristicile electrice ale celulelor:

exemplu)

3) Structura sistemelor solare3.1) Sistem autonom

3.1.1) Sistem cu celule solare – consummator

3.1.2) Sistem cu celule solare – regulator de incarcare si baterii de

acumulatoare + consummator

3.1.3) Sistem cu celule solare si convertoare c.c-c.a, c.c-c.a. si baterii de

acumulatoare

3.2) Sistem fotovoltaic pentru alimentarea unei pompe de apa

3.3) Sisteme cuplate la retea – structura

4) Model experimental de sistem



4.1) Alegerea configuratiei sistemului sursa electrica - pompa – apa. Celula -

regulator incarcare – baterie – invertor – pompa apa

4.2) Calcularea si alegerea componentelor

4.3) Prezentarea standului4.4) Date experimentale

5) Proiectarea unui sistem fotovoltaic pentru alimentarea unei pompe

actionate electric

1) EFECTUL FOTOVOLTAIC

Efectul de apariţie a unei tensiuni electromotoare, sub acţiunea

energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul

francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839. Denumirea acestui

efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină şi din numele

fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume.

Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative

(electroni) şi pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafaţa

acestuia interacţionează cu lumina. Datorită polarizării electrice a

materialului respectiv, care se produce sub acţiunea luminii, apare o tensiune

electromotoare, care poate genera current electric într-un circuit închis.

Dispozitivele care funcţionează pe baza acestui fenomen, sunt denumitecelule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permite furnizarea

unei puteri elctrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcţionează

individual ci legate în serie într-un mumăr mai mare, alcătuind panouri

fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile



solare pentru producerea energiei termice, denumite şi colectori solari sau

panouri solare termice).

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale

semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu(Si), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarţa terestră,

reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantităţi suficiente,

fiind astfel şi ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu

sunt agresive pentru mediul ambiant.

În figura 1.1 este prezentată structura energetică a materialelor

semiconductoare, deci şi a siliciului.

Fig. 1.1. Structura energetică a materialeor semiconductoare

Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înţelegerii

condiţiilor în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de

curent electric. În situaţii normale, electronii ocupă în jurul nucleelor

atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite şi

straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile pentru

electroni, sunt separate debenzi energetice interzise, reprezentând adevărate



“bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre

cele ocupate de electroni, este denumit şi bandă energetică de valenţă, sau

mai simplu bandă de valenţă. Următorul nivel energetic accesibil

electronilor, dar neocupat de aceştia, este denumit bandă energetică de

conduţie, sau mai simplu bandă de conducţie. Este evident că pentru

materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valenţă şi ale benzii de

conducţie sunt diferite. Diferenţa de potenţial energetic ΔE, dintre banda de

conducţie şi banda de valenţă, reprezentând şi valoarea “barierei energetice”

dintre cele două straturi, este diferenţa dintre nivelurile energetice Ec al

benzii de conducţie şi Ev al benzii de valenţă ΔE=Ec-Ev. În cazul siliciuluimonocristalin, valoarea acestei bariere energetice este ΔE≈1eV, iar în cazul

siliciului amorf poate să ajungă la ΔE≈1,7eV. Aceste valori ale barierei

energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise

electronilor de pe stratul de valenţă pentru ca aceştia să devină liberi, adică

pentru a putea trece pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor

semiconductoare de tipul siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de

lumină cum mai sunt numiţi aceştia, sunt capabili să transmită electronilor

de pe banda de valenţă, energia necesară pentru a depăşi “bariera energetică”

şi a trece pe banda de conducţie. Acest fenomen se produce în celulele

fotovoltaice.

În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat)

cu diferite elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini

electrice negative (electroni) sau pozitive (goluri). Se obţin astfel straturi desiliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcţie de tipul

sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două asemenea straturi

de material semiconductor, caracterizate prin predominanţa diferită a



sarcinilor electrice, în zona de contact, se obţine o aşa numită joncţiune de

tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în figura 1.2.

Fig. 1.2. Joncţiune p-n

Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de

contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migraţie în

stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p,

prezintă tendinţa de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electrică

pozitivă. Această tendinţă de deplasare a sarcinilor electrice este

reprezentată în figura 1.3.

Fig. 1.3. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncţiunii

p-n

Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii

p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de



sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul

sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă

superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative

(electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcinielectrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor

electrice în zona joncţiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 1.4.

Fig. 1.4.. Apariţia unei diferenţe de potenţial electric în zona joncţiunii p-n

Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariţia

unei diferenţe de potenţial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă

internă de potenţial reprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare

ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p şi a celor

pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două

straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre suprafeţele acestor straturi,

opuse joncţiunii p-n.

Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât

caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât şicaracteristici corpusculare, conform teoriei corpusculare, sau fotonice a

luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai util ca

lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.



Dacă joncţiunea p-n este supusă radiaţiei solare, fotonii având un

nivel energetic suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiaţia solară

prezintă o intensitate mai mare), sunt capabili să transfere suficientă energie

electronilor aflaţi pe straturile de valenţă ale atomilor, pentru a treace pestraturile de conducţie şi să devină electroni liberi. Sub acţiunea diferenţei

interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n,

electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa

stratului n al joncţiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt

atraşi spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul

n, sunt respinşi spre suprafaţa acestui strat. Fiecare electron liber, înmomentul trecerii sale pe stratul de conducţie, lasă în urmă un gol (sarcină

electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub

acţiunea radiaţiei solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini

electrice negative (electroni) şi positive (goluri). Sub acţiunea diferenţei

interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile

care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al

joncţiunii, iar golurile care se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de

joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul p, sunt respinşi spre

suprafaţa acestui strat.

În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi şi în zona

joncţiunii p-n, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare

electrică la nivelul suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n, aşa cum se

observă în figura 1.5.



Fig. 1.5. Polarizarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n

Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu câte un

strat metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceştia se va

manifesta o diferenţă de potenţial, care într-un circuit închis va produce

manifestarea unui curent electric. Diferenţa de potenţial şi curentul electric

se pot menţine la un nivel constant atâta tip cât se manifestă radiaţia solară.

Este evident că variaţia intensităţii radiaţiei solare va produce şi variaţii ale

diferenţei de potenţial, dar mai ales ale intensităţii curentului electric aşa

cumse va arăta ulterior.

Joncţiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă

fotovoltaică sau o celulă elctrică solară având construcţia de tipul celei

reprezentate în figura 1.6.



Fig. 1.6. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar

grosimea stratului n, este de cca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului

negativ al celulei fotovoltaice, se amplaseaza un strat antireflexie, cu rolul de

a împiedica reflexia radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei electrice

solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată

electronilor de valenţă din cele două straturi semiconductoare. Celulele

fotovoltaice au dimensiuni uzulale de 10x10cm şi mai recent de 15x15cm.



Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul

Vanguard I, prezentat în figura 1.7. Eficienţa de conversie a energiei

radiaţiei solare în electricitate era de 10%, iar puterea totală a acelor celule

fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în 2005, puterea totală instalată pe planetă a panourilor fotovoltaice, depăşea 1.000.000.000W=1GW.

Fig. 1.7. Primele panouri solare, montate pe Vanguard I

Eficienţa celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:

Intensitatea radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei;

Eficienţa procesului de conversie a energiei radiaţiei solare în energieelectrică.

În prezent, construcţiile de celule fotovoltaice au eficienţe în jurul

valorii de 15%, ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută. Din acest

motiv, panourile fotovoltaice sunt amplasate preponderent în zone

caracterizate prin radiaţie solară intensă. Cu toate acestea, ţări ca Germania

sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă a acestei

tehnologii, cu toate că nu sunt favorizate din punct de vedere al intensităţii

radiaţiei solare.



2) TIPURI DE CELULE FOTOVOLTAICE

În funcţie de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat lafabricarea acestora (de regulă siliciul, aşa cum s-a arătat anterior), se disting

trei tipuri de celule fotovoltaice:

- monocristaline;

- policristaline;

- amorfe.

Monocristalele se obţin sub formă de baghetă sau vergea, prin

turnarea siliciului pur. Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subţiri

care se utilizează la fabricaţia celulelor fotovoltaice. Acest proces tehnologic

asigură cel mai ridicat nivel de eficienţă a conversiei fotoelectrice, dar este şi

cel mai costisitor.

Policristalele se obţin în urma unui proces de producţie mai puţin

ieftin, constând din turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt

tăiate în plăci subţiri. În procesul de solidificare, se formează cristale dediferite dimensiuni şi forme, iar la marginea acestor cristale apar şi unele

defecte de structură. Ca urmare a acestor defecte, celulele fotovoltaice

fabricate prin această metodă sunt mai puţin eficiente.



Structura amorfă se obţine prin depunerea unui film extrem de

subţire de siliciu pe o suprafaţă de sticlă, sau pe un substrat realizat dintr-un

alt material. În acest caz, solidificarea atomilor nu se realizează într-o

structură cristalină ci sub forma unei reţele atomice cu dispunere neregulată,denumită structură amorfă. În această reţea atomică apar şi numeroase

defecte, care diminuează performanţele electrice ale materialului. Grosimea

stratului amorf de siliciu, obţinut prin această metodă este mai mică de1μm.

Pentru comparaţie grosimea unui fir de păr uman este de 50…100μm.

Costurile de fabricaţie ale silicului amorf sunt foarte reduse, datortă cantităţii

extrem de reduse de material utilizat, dar eficienţa celulelor fotovoltaice careutilizează siliciu amorf este mult mai redusă decât a celor care utilizează

structuri cristaline de material. Datorită costului redus, celulele fotovoltaice

cu siliciu amorf se utilizează preponderent la fabricarea echipamentelor cu

putere redusă, cum sunt ceasurile sau, calculatoare de buzunar.

În tabelul alăturat sunt prezentate performanţele celor trei tipuri de

celule fotovoltaice din punct de vedere al conversiei energiei radiaţiei solare

în energie electrică.

Performanţele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice

Material

Eficienţă în condiţii

de laborator

Eficienţă în condiţii

de producţie în serie

Siliciu monocristalin 24 % 14…17 %Siliciu policristalin 18 % 13…15 %

Siliciu amorf 13 % 5…7 %



În continuare sunt prezentate câteva dintre fenomenele care limitează

creşterea eficienţei celulelor fotovoltaice:

O parte semnificativă din fotonii care alcătuiesc radiaţia solară, au unnivel energetic insuficient pentru a determina trecerea electronilor de pe

stratul de valenţă pe cel de conducţie;

Energia fotonilor cu nivel energetic prea scăzut, se transformă în

căldură şi nu în energie electrică;

Apar pierderi optice datorate reflexiei dadiaţiei solare, pe suprafaţa

celulelor fotovoltaice;Apar pierderi datorate rezistenţei electrice a materialului

semiconductor sau cablurilor electrice de legătură;

Defectele de structură a materialelor din care este realizată celula

fotovoltaică înrăutăţesc performanţele acestora.

În figura 2.1 sunt prezentate eficienţele maxime teoretice, ale

conversiei fotovoltaice care pot fi atinse în condiţii optime, pentru diferite

tipuri de materiale semiconductoare, împreună cu valoarea “barierei

energetice” adică diferenţa dintre nivelul energetic al benzii de conducţie şi

al benzii de valenţă.



Fig. 2.1. Eficienţa teoretică şi nivelul “barierei energetice”,

pentru diferite materiale semiconductoare

Se observă că de exemplu pentru Si monocristalin, valoarea efcienţei

teoretice este de cca. 28%, dar valorile acestui parametru sunt situate pentru

toate materialele sub 30%.

Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa

Documents

Transcript of Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa