Sisteme Inter Grate Pentru Conversia Energiei Solare in Energie Electrica

7/31/2019 Sisteme Inter Grate Pentru Conversia Energiei Solare in Energie Electrica

1/42

Sisteme intergrate pentru conversia energiei

solare in energie electrica

2011-2012


2/42

1. Cadrul general

Energia din surse regenerabile a cptat n ultimele decenii o importan crescut pentru

autoriti, ceteni i industrie pe msura semnalelor tot mai intense c sursele tradiionale de energie

se epuizeaz treptat, iar preul accesului la resursele energetice devine tot mai ridicat.

Pe plan european, este previzibil ca preul energiei electrice din surse fosile s creasc pe

termen mediu i lung, prin eliminarea subveniilor la crbune, creterea costurilor limitrii gazelor cu

efect de ser i prin creterea preurilor surselor fosile pe pia. Pe de alt parte, costul produciei

energiei din surse regenerabile va scdea pe termen mediu i lung, unul dintre motive fiind reducerea

costurilor produciei de echipamente.

Este semnificativ ca n numai 5 ani, pe plan mondial, capacitatea instalat n instalaii/centralede producere a energiei din surse regenerabile a fost de 120 GW, reprezentnd n anul 2008 peste 50%

din puterea nou instalat. Puterea totala instalata in centrale de producere a energiei din surse

regenerabile a ajuns la 1.140 GW.

1.1. Condiii ce impun utilizarea energiilor regenerabile

Unul din efectele dezvoltrii tehnologice a ntregii societi umane, din ultimul secol, este

creterea tot mai pronunat a consumurilor de energie, dar i dependena tot mai accentuat a

omenirii, de consumul combustibililor fosili, n special produse petroliere, gaze naturale i crbuni.

Avnd n vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe plan internaional au

fost create numeroase organizaii pentru studierea fenomenelor legate de evoluia consumurilor i

rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioas organizaie de acest tip este The Association

For The Study Of Peak Oil And Gas (ASPO) - Asociaia pentru Studiul Deficitului de Petrol i GazeNaturale. Aceast asociaie se autodefinete ca fiind o reea de oameni de tiin i alte categorii de

persoane, interesai de identificarea informaiilor i impactului produs de deficitul petrolului i al

gazelor naturale.

Pentru a se putea continua exploatarea zcmntului de petrol al lumii, s-a impus reducerea

produciei de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pe zi, dup ce a trebuit

abandonat o tentativ de a stabili nivelul produciei la 1,9 milioane de barili pe zi, nivel al produciei

care s-a dovedit a fi prea ridicat.


3/42

Datorit existenei actualului deficit, pentru urmtoarea perioad este estimat o reducere

constant a produciei de petrol, ncepnd cu anul 2010, aa cum este indicat n figura 1.1. Creterea

consumului n perioada 2006 - 2010 poate fi explicat numai prin faptul c este necesar s treac o

perioad de timp pn cnd n economie, se vor putea lua msuri eficiente de reducere a consumurilor.

Fig. 1.1. Evoluia estimat a produciei mondiale de petrol.

(sursa: ASPO 2006.www.peakoil.net)

1.2. Importana folosirii surselor de energie regenerabile


4/42

Energiile regenerabile nu produc emisii poluante i prezint avantaje pentru mediu

inconjurator i pentru combaterea polurii locale. Obiectivul principal al folosirii energiilor

regenerabile l reprezint reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser.

Dezvoltarea surselor regenerabile de energie ca o resur energetic semnificativ i nepoluanteste unul din principalele obiective ale politicilor energetice mondiale care, n contextul dezvoltrii

durabile, au ca scop cresterea siguranei n alimentarea cu energie, protejarea mediului nconjurator i

dezvoltarea la scar comercial a tehnologiilor energetice

viabile.

n anul 2000, ponderea surselor regenerabile n producia total de energie primar pe plan

mondial era de 13,8 %, conform Consiliului Mondial al Energiei. Din analiza ratelor de dezvoltare din

ultimele trei decenii se observ c energia produs din surse regenerabile a nregistrat o crestereanual de 2 %. Este evident c pe termen mediu sursele regenerabile de energie nu pot fi privite ca

alternativ total la sursele conventionale, dar este cert c, n masura potenialului local, datorit

avantajelor pe care le au (resurse locale abundente, ecologice, ieftine, independente de importuri),

acestea trebuie utilizate n complementaritate cu combustibilii fosili i energia nuclear.

Studiile oamenilor de tiint au devenit n ultimii ani din ce n ce mai unanime n a aprecia c

o crestere puternic a emisiilor mondiale de gaze cu efect de ser va conduce la o ncalzire global a

atmosferei terestre de [2 6] C, pn la sfritul acestui secol, cu efecte dezastroase asupra mediului

nconjurator.

Tinnd seama de timpul de implementare a unor noi tehnologii i de nlocuire a instalaiilor

existente, este necesar s se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii curate i a celor care

presupun consumuri energetice reduse. n acelasi timp este necesar o profund evoluie a stilului de

via i o orientare ctre o dezvoltare durabil.

Sursele regenerabile de energie sunt energia solar, energia eolian, energia geotermal,

hidrotermal, biomasa, energia hidrogenului si altele.

Sursele fosile posed proprietai foarte folositoare care le-au facut foarte populare n ultimul

secol. Din nefericire, sursele fosile nu sunt regenerabile. Mai mult dect att, acestea sunt responsabile

de emisiile de CO2 din atmosfer, care sunt dunatoare unui climat ecologic.

1.3. Dependena energetic i oferta de energie solar


5/42

Aproximativ 50% din energia consumat n cadrul U.E. provine din ri care nu sunt membre

ale U.E. Fr schimbarea nivelului produciei energetice i innd cont de creterea previzibil a

consumului, aceast dependen va ajunge la 70% pn n 2030.

Dependena fa de rile Orientului Mijlociu, care dein 65% din rezervele actuale de petrolva crete. ncepnd cu 2020-2030, tensiunile economice i politice pot determina diminuarea

resurselor fosile uor de exploatat i concentrarea lor n zone instabile politic, care duneaz

securitii aprovizionrii rilor Uniunii Europene.

Suprafaa pmntului este nclzit anual de o energie de aproximativ 8 x 108 TWh. Omenirea

consum energie primar doar n cantitate de 1 x 105 TWh anual. Deci oferta de energie solar este

de 8000 de ori mai mare dect cererea de energie a lumii.

Chiar dac lum n considerare numai suprafaa uscatului, de 149 x 106 km

2

(29% din suprafaa globului), cantitatea de energie incident pe pmnt este de 2300 de ori mai mare

dect cererea. Dac presupunem c numai o fraciune din energia incident de pe suprafaa

pmntului poate fi convertit n folosul omului, cantitatea de energie solar nc rmne mai mult

dect suficient pentru satisfacerea nevoilor de energie.

1.4. Stadiul sistemelor fotovoltaice la nivel mondial

ncepnd cu anul 2002 creterea produciei de sisteme fotovoltaice a fost n medie de 20 % n

fiecare an, reprezentnd cea mai mare cretere dintre tehnologiile energetice. Anul 2008 a reprezentat

un an important n industria energiei produse de panouri fotovoltaice deoarece cantitatea de energie

solar produs la nivel mondial aproape s-a dublat la 15GW fa de 2007, cnd era 9GW. Cea mai

mare cretere a nregistrat-o Spania care a ajuns la 2,5 GW, urmat de Germania cu 1.5GW ( Figura.

1.2.).

La sfritul anului 2009 puterea cumulat a sistemelor fotovoltaice depea 21.000 MW.

Aceste instalaii sunt realizate la nivelul solului sau integrate n acoperiul sau pereii cldirilor,

cunoscute sub denumirea Building Integrated Photovoltaics (BIPV pe scurt). Centralele fotovoltaice

au capaciti uzuale de 10-60 MW putnd ajunge la 150 MW sau mai mult.


6/42

Fig. 1.2. Ponderea sistemelor fotovoltaice n lume

innd cont de perioada de criz economic pe care o traverseaz toate rile, experii sperca piaa s creasc n continuare, bazndu-se pe capacitatea rilor de a se dezvolta individual, avnd

ateptri mari de la state cum ar fi Statele Unite, Germania, Frana sau Italia, unde se sper ca

producia de energie din surse regenerabile s fie susinute i de politici interne favorabile. Pe de alt

parte, Spania a schimbat de curnd programul de sprijin pentru ncurajarea utilizrii energiilor

alternative, lucru ce va duce la o cretere a pieei n continuare.

La sfritul anului 2009 cele mai mari centrale fotovoltaice erau: Olmedilla Photovoltaic Park

(Spain, 60 MW), the Strasskirchen Solar Park (Germany, 54 MW), the Lieberose Photovoltaic Park

(Germany, 53 MW), the Puertollano Photovoltaic Park (Spain, 50 MW), the Moura Photovoltaic

Power Station (Portugal, 46 MW), and the Waldpolenz Solar Park (Germany, 40 MW).

n 2013, doar prin implementarea unor programe puternice de susinere a unui numr tot mai

mare de ri, piaa energie solare ar putea ajunge la 22GW.

Prin comparaie, cea mai mare central solar care produce doar energie termic The solar

thermal SEGS n California are o capacitate instalat de 354 MW, iar cea mai mare central nuclear

are mai mult de 1.000 MW.

1.5. Stadiul sistemelor fotovoltaice n Romania


7/42

Pornind de la datele disponibile s-a ntocmit harta cu distribuia n teritoriu a radiaiei solare n

Romnia (Figura. 1.3.). Harta cuprinde distribuia fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente

pe suprafaa orizontal pe teritoriul Romniei. Sunt evideniate 5 zone, difereniate prin valorile

fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente. Se constat c mai mult de jumtate din suprafaa

rii beneficiaz de un flux de energie mediu anual de 1275 kWh/m2

.

Fig. 1.3. Harta potenialului solar n Romania

Zonele de interes deosebit pentru aplicaiile electroenergetice ale energiei solare n ara noastr

sunt:

Primul areal, care include suprafeele cu cel mai ridicat potenial, acoper Dobrogea i omare parte din Cmpia Romn;

Al doilea areal, cu un potenial bun, include nordul Cmpiei Romne, Podiul Getic,

Subcarpaii Olteniei i Munteniei o bun parte din Lunca Dunrii, sudul i centrul Podiului

Moldovenesc i Cmpia i Dealurile Vestice i vestul Podiului Transilvaniei, unde radiaia solar pe

suprafa orizontal se situeaz ntre 1300 i 1400MJ/m2;

Cel deal treilea areal, cu potenialul moderat, dispune de mai puin de 1300 MJ /m2

i acoper cea mai mare parte a Podiului Transilvaniei, nordul Podiului Moldovenesc i Rama

Carpatic. ndeosebi n zona montan variaia pe teritoriu a radiaiei solare directe este foarte mare,

formele negative de relief favoriznd persistena ceii i diminund chiar durata posibil de strlucire


8/42

a Soarelui, n timp ce formele pozitive de relief, n funcie de orientarea n raport cu Soarele i cu

direcia dominant de circulaie a aerului, pot favoriza creterea sau, dimpotriv, diminuarea radiaiei

solare directe.

2. Efectul fotovoltaic


9/42

Efectul fotovoltaic este datorat eliberrii de sarcini electrice negative (electroni) i pozitive

(goluri), ntr-un material solid, atunci cnd suprafaa acestuia interacioneaz cu lumina. Datorit

polarizrii electrice a materialului respectiv, care se produce sub aciunea luminii, apare o tensiune

electromotoare, care poate genera curent electric ntr-un circuit nchis. Dispozitivele care funcioneaz

pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice. Pentru a permite furnizarea unei puterielectrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcioneaz individual ci legate n serie, paralel ntr-un

numr mai mare, alctuind panouri fotovoltaice.

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 rspndit n

scoara terestr, reprezentnd cca. 25% din aceasta, deci este disponibil n cantiti suficiente, fiind

astfel i ieftin. n plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul

ambiant.n figura 2.1. este prezentat structura energetic a materialelor semiconductoare.

Fig. 2.1. Structura energetic a materialelor semiconductoare

(sursa: www.bpsolar.fr)

Analiza acestei scheme energetice este util n vederea nelegerii condiiilor n care

semiconductorii pot deveni materiale conductoare de curent electric. n situaii normale, electronii

ocup n jurul nucleelor atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite i benzi

energetice. Aceste nivele energetice accesibile pentru electroni, sunt separate de benzi energetice

interzise, reprezentnd adevrate bariere energetice pentru electroni. Nivelul energetic cel mai

ridicat dintre cele ocupate de electroni, este denumit band de valen. Urmtorul nivel energetic

accesibil electronilor, dar neocupat de acetia, este denumit band de conducie. Este evident c

pentru materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valen i ale benzii de conducie suntdiferite. Diferena de potenial energetic E, dintre banda de conducie i banda de valen,


10/42

reprezentnd i valoarea barierei energetice dintre cele dou straturi, este diferena dintre nivelurile

energetice Ec al benzii de conducie i Ev al benzii de valen E=Ec-Ev. n cazul siliciului

monocristalin, valoarea acestei bariere energetice este E1eV, iar n cazul siliciului amorf poate s

ajung la E1,7eV. Aceste valori ale barierei energetice, reprezint cuante de energie care trebuie s

fie transmise electronilor de pe stratul de valen pentru ca acetia s devin liberi, adic pentru aputea trece pe banda de conducie. Prin supunerea materialelor semiconductoare de tipul siliciului la

radiaia solar, fotonii sunt capabili s transmit electronilor de pe banda de valen, energia necesar

pentru a depi bariera energetic i a trece pe banda de conducie. Acest fenomen se produce n

celulele fotovoltaice.

n vederea fabricrii celulelor fotovoltaice, Si este impurificat cu diferite elemente chimice,

pentru obinerea unui surplus de sarcini electrice negative sau pozitive. Se obin astfel straturi de

siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, n funcie de tipul sarcinilor electrice carepredomin. Prin alturarea a dou asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin

predominana diferit a sarcinilor electrice, n zona de contact, se obine o aa numit jonciune de tip

p-n de tipul celei reprezentate schematic n figura 2.2.

Fig. 2.2. Jonciune p-n

Sub aciunea diferenei de potenial electric, manifestat n zona de contact, electronii

excedentari din stratul n, prezint tendina de migraie n stratul p, deficitar n electroni. Analog,

golurile excedentare din stratul p, prezint tendina de a migra n stratul n, deficitar n sarcin electric

pozitiv. Aceast tendin de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentat

n figura 2.3.


11/42

Fig. 2.3. Tendina de migrare a sarcinilor electrice ntre straturile jonciunii p-n

Amploarea migraiei sarcinilor electrice ntre cele dou straturi ale jonciunii p-n este limitat

de nivelul energetic al purttorilor celor dou tipuri de sarcini electrice. Astfel, cu toate c nu se va

realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice n toat profunzimea celor dou straturi, o zon

superficial din stratul p va fi ocupat de sarcini electrice negative, iar o zon superficial din stratuln, va fi ocupat de sarcini electrice positive. Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor

electrice n zona jonciunii p-n, de tipul celei reprezentate n figura 2.4.

Fig. 2.4. Apariia unei diferene de potenial electric n zona jonciunii p-n

Se observ c efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariia unei diferene de

potenial locale, la nivelul jonciunii. Aceast diferen intern de potenial reprezint o barier care

mpiedic o eventual deplasare ulterioar a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p i a

celor pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele dou straturi sunt respinse

din zona jonciunii spre suprafeele acestor straturi, opuse jonciunii p-n.

Dac jonciunea p-n este supus radiaiei solare, fotonii avnd un nivel energetic suficient de

ridicat, sunt capabili s transfere suficient energie electronilor aflai pe straturile de valen ale

atomilor, pentru a treace pe straturile de conducie i s devin electroni liberi. Sub aciunea diferenei

interne de potenial, care se manifest local la nivelul jonciunii p-n, electronii liberi care se formeaz

n stratul n, sunt respini spre suprafaa stratului n al jonciunii, iar electronii liberi care se formeaz n

stratul p, sunt atrai spre zona de jonciune, pe care o vor traversa i odat ajuni n stratul n, sunt

respini spre suprafaa acestui strat. Fiecare electron liber, n momentul trecerii sale pe stratul de


12/42

conducie, las n urm un gol n structura atomului pe care l-a prsit, astfel c sub aciunea radiaiei

solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini electrice negative i pozitive. Sub aciunea

diferenei interne de potenial, care se manifest local la nivelul jonciunii p-n, golurile care se

formeaz n stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al jonciunii, iar golurile care se formeaz

n stratul n, sunt atrase spre zona de jonciune, pe care o vor traversa i odat ajuni n stratul p, suntrespini spre suprafaa acestui strat.

n urma deplasrii sarcinilor electrice n cele dou straturi i n zona jonciunii p-n, conform

mecanismului prezentat, se produce o polarizare electric la nivelul suprafeelor exterioare ale

jonciunii p-n, aa cum se observ n figura 25.

Fig. 2.5. Polarizarea suprafeelor exterioare ale jonciunii p-n

Dac suprafeele exterioare ale jonciunii p-n sunt acoperite cu cte un strat metalic,

reprezentnd fiecare cte un electrod, ntre acetia se va manifesta o diferen de potenial, care ntr-

un circuit nchis va produce manifestarea unui curent electric. Diferena de potenial i curentul

electric se pot menine la un nivel constant atta tip ct se manifest radiaia solar. Este evident c

variaia intensitii radiaiei solare va produce i variaii ale diferenei de potenial, dar mai ales ale

intensitii curentului electric.

Jonciunea p-n, mpreun cu cei doi electrozi, alctuiete o celul fotovoltaic avnd

construcia de tipul celei reprezentate n figura 2.6.


13/42

Fig. 2.6. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

(sursa:www.viessmann.com)

Grosimea total a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3 mm, iar grosimea stratului n, este decca. 0,002 mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplaseaza un strat

antireflexie, cu rolul de a mpiedica reflexia radiaiei solare incidente pe suprafaa celulei electrice

solare, astfel nct o cantitate ct mai mare de energie s fie transferat electronilor de valen din cele

dou straturi semiconductoare. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzulale de 10x10cm i mai recent

de 15x15cm.

Eficiena celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:

- intensitatea radiaiei solare incidente pe suprafaa celulei;- eficiena procesului de conversie a energiei radiaiei solare n energie electric.

n prezent, construciile de celule fotovoltaice au eficiene n jurul valorii de 15%, ceea ce

reprezint o valoare destul de sczut. Din acest motiv, panourile fotovoltaice sunt amplasate

preponderent n zone caracterizate prin radiaie solar intens. Cu toate acestea, ri ca Germania sau

Austria reprezint exemple de utilizare pe scar larg a acestei tehnologii, cu toate c nu sunt

favorizate din punct de vedere al intensitii radiaiei solare.
http://www.viessmann.com/http://www.viessmann.com/http://www.viessmann.com/


14/42

3. Tipuri de celule solare

Sunt cunoscute i folosite numeroase tipuri de celule solare. O clasificare posibil este dup

natura neomogeneitatii ce d natere barierei de potenial i cmpului electric intern. Ea poate fi o

homojonctiune, adic un contact ntre dou regiuni cu tipuri de conducie sau cu nivele de dopare

diferite din acelai cristal semiconductor, o heterojonctiune, adic un contact ntre dou

semiconductoare diferite, avnd tipuri de conducie sau nivele de dopare diferite, un contact ntre un

metal i un semiconductor, sau un contact ntre un elecrolit i un semiconductor.

Un alt mod n care pot fi clasificate celulele solare este n celule cu semiconductoare

monocristaline i celule cu straturi subiri, policristaline sau amorfe.

Celule cu cristaline, dintre care cele mai cunoscute i mai folosite sunt cele pe baz de Si i

cele cu GaAs, dau eficienele de conversie cele mai ridicate, de 18 - 25% i permit concentrarearadiaiei pn la x1000, dar au i un pre relativ ridicat, din cauza tehnologiilor de preparare

pretentoase, a materialelor scumpe, de exemplu Ga, i a adaosului dispozitivelor de concentrare.

Celulele cu straturi subiri, cum sunt cele cu CdS policristalin i cele cu Si amorf hidrogenat,

dau randamente mai sczute, de 5 - 12% dar pot atinge preuri de 10 -100 de ori mai mici dect

celulele cu monocristale, datorit tehnologiilor de obinere mai simple i posibilitilor de a realiza arii

active relativ mari, reducnd costul asamblrii n baterii. Denumirea de celule cu straturi se refer

mai mult la metodate de preparare i la structura cristalin mai imperfect, adic mai ndeprtat demonocristal, dect la o anumit proprietate caracteristic depinznd de grosime. Exist straturi subiri

monocristaline, preparate prin epitaxie, care intr n componena celulelor cu monocristale, de

exemplu a celulelor cu GaAs/AlGaAs. Metodele de preparare a straturilor structural mai imperfercte

din celulele cu straturi sunt numeroase: evaporarea n vid, depunerea prin descompunerea unui

compus gazos ntr-o descrcare de radio-frecven, pulverizarea pirolitica din soluie, serigrafie,

depunere chimic din soluie.

Celule solare cu siliciu sunt sigure n exploatare, au o durat de via ridicat i au

randamente mari de conversie (peste 10%). Valorile uzuale maxime ale tensiunii de mers n gol sunt

de 0.5 - 0.6 V, iar ele densitii curentului de scurtcircuit de cca. 30 mA/cm2.

Printre avantajele utilizrii siliciului n sistemele fotovoltaice de putere se numr i

disponibilitatea sa n cantiti mari ca materie prim, sub form de nisip, precum i existena unei

tehnologii bine puse la punct pentru convertirea siliciului din nisip n dispozitive fotoelectrice.


15/42

Fig. 3.1. Configuraia unei celule solare cu

siliciu, pentru aplictii terestre.

Dimensiunile tipici ale unei celule solare cu siliciu (fig. 3.1.) sunt:

- grosimea stratului transparent, de tip p, cca. 1m;

- grosimea stratului suport, de tip n, peste 100m;

- grosimea transversal D 75mm.

Contactele sunt realizate din argint, indiu sau nichel.

Procesul de producere al celulelor se realizeaz n trei mari etape:

- producerea siliciului policristalin, cu caliti chimice adecvate, din nisip sau ferosiliciu;

- convertirea policristalelor de siliciu n monocristale sub forma unor benzi sau foi foarte

subiri;

- fabricarea celulelor solare din aceste foi.

Cea mai laborioas i costisitoare etap este convertirea siliciului policristalin n foi sau benzi

de monocristale.

Celule cu sulfur de cadmiu (CdS) au ca principal avantaj preul sczut, datorit costului

sczut al procesului de producie i datorit folosirii unor materiale relativ ieftine. n plus, limea

mare a benzii interzise a sulfurii de cadmiu ar recomanda utilizarea acestor celule n aplicaii la

temperaturi ridicate.

Dezavantajele acestor celule constau n randamentul lor sczut i necesitatea tratrii n vederea

asigurrii stabilitii n timp a caracteristicilor.

O configuraie a celulei cu sulfur de cadmiu este artat n fig. 3.2. Un strat suport de sticl

sau material plastic este acoperit cu un contact electric (din zinc sau stanat de cadmiu). Peste acesta se

depune prin avaporare un strat de sulfur de cadmiu, de 20 - 25 m, i ntreaga structur este

cufundat ntr-o baie de ioni de cupru pentru a obine o pelicul de sulfur cuproas, cu grosimea de


16/42

0.2 - 0.4 m. Urmeaz apoi un tratament termic de cteva minute, la 200 - 250AC, pentru a obine

fotosensibilitate maxim i proprieti electrice optime.

Fig. 3.2. Configuraia unei celule solare cu CdS

Factorul major ce mpiedic folosirea larg acestor celule este randamentul lor sczut, cca.

8%. Densitatea curentului de scurtcircuit este de cca. 18 - 20 mA/cm2, iar tensiunea de mers n gol de

cca. 0.45 - 0.48 V.

Celule cu straturi subiri. Avantajele acestor celule constau n consumul redus de material

semiconductor scump, posibilitatea folosirii unor structuri suport foarte ieftine i posibilitatea obinerii

printr-un proces continuu a unor foi de dimensiuni mari. Principalul dezavantajele const n

randamentul sczut.

O celul solar din aceast categorie are un strat suport de sticl, material plastic, metal, grafit

sau chiar siliciu metalurgic, peste care se depune, prin evaporare, o pelicul subire din Si,

policristalin sau amorf, GaAs, InP, CdTe, CdS sau de material organic. n fig. 3.3. este reprezentat

variaia randamentului calculat n funcie de grosimea peliculei, pentru jonciuni p - n cu Si, GaAs i

InP, n cazul unor materiale de bun calitate precum i n cazul unor materiale de slab calitate. Dup

cum se remarc, chiar i n cazul unei caliti slabe a peliculelor de GaAs i InP cu grosimi de cca. 2

m se pot obine, teoretic, randamente de 8 - 10%

.


17/42

Fig. 3.3. Variaia randamentului , cu

grosimea peliculei de semiconductor d,

n cazul unor materiale de bun calitate

(b), i de slab calitate (s).

n tabelul 3.1. sunt prezentate rezultatele experimentale obinute pentru diverse celule solare

cu straturi subiri.

Tabelul 3.1. Celule solare cu straturi subiri

Material

semiconductor

Bariera Grosime pelicula

[m]

Strat suport

[%]Si (policristalin)

GaAs

GaAs

InP

CdS

CdTe

Si (amorf)

Si (amorf)

Organic

p n

Pt

Cu2Se

CdS

Cu2S

Cu2Te

p i n

Au

Ge

30

50

15

10

2

10

1.6

2 3

0.05

Grafit

Mo

Al

Grafit

Sticla

Sticla

Sticla

Sticla

Sticla

3.6

5.0

4.6

2.8

4.9

6.0

2.4

4.0

0.1

Celule folosite la intensiti luminoase ridicate, obinute prin concentrarea radiaie solare.

Singurele celule din aceast categorie care au performane corespunztoare celulelor cu siliciu,

convenionale i speciale i celulelor cu arseniur de galiu, GaAs.

Dificultile care apr la utilizarea celulei convenionale cu siliciu la intensiti luminoase

ridicate sunt legate de creterea rapid a rezistenei serie rs a celulei cu intensitatea luminoas. De

asemenea, creterea temperaturii de funcionare conduce la scderea randamentului, datoritmicorrii tensiunii de mers n gol Ug a celulei. Fr rcire exterioar, pot fi adoptate valori ale

factorului de concentrare a radiaiei pn la 5 fr a avea ce efect o reducere nsemnat a


18/42

performanelor celulei datorit nclzirii. Prin msuri tehnologice i constructive adecvate (acoperiri

radiante, rcire exterioar) pot fi, obinute randamente bune i la temperaturi i intensiti luminoase

mai ridicate. Cteva rezultate n acest sens sunt prezentate n tabelul 132.

Tabelul 3.2. Celule solare pentru intensiti luminoase ridicate

Tipul celulei Factorul de

concentrare

Temperatura

[C]

[%]Si, conventionala

Si, conventionala

Si, intrepatrundere

Si, multijonctiune verticala

GaAs, Alx, Ga1-xAs

GaAs, Alx, Ga1-xAsGaAs, Alx, Ga1-xAs

30

>120

220

330

10

1735270

100


19/42

Cel de-al doilea tip (fig. 3.4. b) este reprezentat de celula cu multijonctiune vertical, format

din mai multe straturi alternate de tip n i p. Prin ntreptrunderea cte unui strat metalic ntre

jonciuni, se obine o nseriere a jonciunilor, ceea ce conduce la creterea tensiunii la bornele celulei.

Celula este iluminat paralel cu jonciunile. Rezultatele obinute cu astfel de celule sunt prezentate n

tabelul 3.2.Celulele cu GaAs pun nc aceleai probleme legate de rezistena serie c i celulele

convenionale cu siliciu i au dezavantajul c resursele mondiale de galiu sunt reduse, dar prezint

avantajul c, datorit limii mari a benzii interzise, i menin mult mai bine randamentul la

temperaturi ridicate. n fig. 3.5. este reprezentat schematic o celul de GaAs avand un strat de

acoperire de Alx Ga1-x As. Acest strat reduce foarte mult pierderile datorate recombinrilor de

suprafa care, altfel, ar fi ridicate i ar micora randamentul. Rezultatele obinute folosind celule cu

GaAs, Alx Ga1-x As sunt prezentate n tabelul 3.2. Aceste celule permit funcionarea, cu randamentesatisfctoare, la temperaturi de pn la 200C, fr a fi necesare radiatoare

Fig. 3.5. Congiguraia unei celule GaAs

Baterii solare. Pentru a obine un sistem de conversie fotovoltaic a energie solare, de putere

ridicat, este necesar conectarea n serie i/sau paralel a mai multor celule solare, realizndu-se astfel

aa numitele baterii solare. Celule urmeaz a se fixa pe panouri care, la rndul lor, pot fi montate fie

ntr-o poziie fix,de regul, cnd se folosesc celule solare fr concentrator, fie acionate cu

dispozitive de urmrire a micrii aparente a Soarelul, soluie adoptat, deseori, cnd sunt folosite

celule solare cu concentrator.

Dac cererea de baterii solare este suficient de mare i tehnologia o permite, se pot realiza, la

preuri mai sczute, modele de celule solare, care au deja conexiunile serie paralel ntre celule,

urmnd ca aceste modele s fie montate n panouri i conectate ntre ele dup necesiti. n fig. 3.6.

este prezentat un astfel de panou realizat cu modele de celule solare fr concentrator.


20/42

Fig. 3.6. Panou realizat cu modele de celule solare, far concentrarea radiaie.

(sursa: www.go4it.ro)


21/42

4. Panouri fotovoltaice

Puterea maxim pe care o poate atinge celula fotovoltaic este de cca. 1,35W, ceea ce

sugereaz necesitatea legrii n serie a mai multor celule n vedrea obinerii unor panouri fotovoltaice,

ca cel din figura 4.1, asemenea panouri fiind capabile s asigure puteri de cca. 10 - 250W.

Fig. 4.1. Panou fotovoltaic

(sursa:www.viessmann.com)

Trebuie menionat i faptul c performanele panourilor fotovoltaice sunt dependente de

temperatur. Astfel cu ct crete temperatura, cu att scade i eficiena panourilor fotovoltaice de a

converti energia radiaiei solare n curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativ, oreducere a eficienei panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de cretere a temperaturii.

De regul performanele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25C.

Este evident c din acest punct de vedere, cea mai eficient conversie a energiei solare n energie

electric este realizat n spaiul cosmic, unde temperatura este apropiat de 0K.

Montarea modulelor poate fi fcut n diferite configuraii, aa cum se poate vedea n figura

4.2.
http://www.viessmann.com/http://www.viessmann.com/http://www.viessmann.com/


22/42

Fig. 4.2. Metode de montare a modulelor fotovoltaice

4.1. Efectul de umbr

Modulul poate fi format din mai multe rnduri n paralel de celule legate n serie. Dou

asemenea rnduri pot fi vzute n Figura 4.3. Un modul mare poate fi umbrit parial din cauza unei

cldiri, a unui stlp sau a unui copac ce se interpune ntre modul i linia soarelui.

Fig. 4.3. Efectul umbrei asupra unei serii de celule dintr-un modul

Dac o celul legat n serie cu alte celule este umbrit complet, va pierde capacitatea de

captare a energiei solare. Aceast celul trebuie s conduc n continuare curentul datorit faptului c

este legat n serie cu restul celulelor. Fr a avea tensiune generat intern nu poate produce putere. In

schimb, acioneaz ca o baterie, producnd pierdere de cldur. Restul celulelor rmase n serie


23/42

trebuie s produc mai mult putere, pentru a compensa pierderea datorat celulei umbrite. O tensiune

mai mare n celulele neumbrite nseamn un curent mai mic n serie pe caracteristica I-V a seriei.

Acest lucru este ilustrat n figura 4.4. Curentul pierdut nu este proporional cu aria de suprafa

umbrit i ar putea s nici nu fie observat pentru suprafee mici.

Fig. 4.4. Reprezentarea grafic a efectului umbrei asupra unei serii de celule dintr-un modul

Cu toate acestea dac mai multe celule sunt umbrite peste limita critic, curba I-V trece sub

tensiunea operaional a seriei, fcnd curentul n seria de celule sa ajung la 0, pierznd ntreaga

putere a seriei. Pn n momentul n care umbra atinge punctul critic pierderile de tensiune sunt mici.

Cea mai folosit metod pentru a elimina pierderile din seria de celule datorate efectului de umbr

este de a mpri lungimea circuitului n mai multe segmente cu diode de tip bypass (figura 4.5).Aceasta cauzeaz o pierdere proporional a tensiunii i curentului n cadrul seriei de calcul, fr a se

pierde ntreaga putere. Modulele fotovoltaice moderne sunt dotate cu diode de bypass interne.

Fig. 4.5. Dioda de bypass minimizeaz pierderile de tensiune i curent atunci cnd e umbr

4.2. Efectul temperaturii


24/42

Cu creterea temperaturii curentul de scurtcircuit al celulei crete n timp ce tensiunea

circuitului deschis scade (fig. 4.6).

Fig. 4.6. Efectul temperaturii asupra caracteristicii I-V.

Celulele produc mai puin curent dar tensiuni mai mari la temperaturi sczute.

Efectul temperaturii asupra cantitii de putere l putem evalua examinnd separat efectele

asupra curentului i asupra tensiunii. Se noteaz Isc curentul de scurtcircuit i Vsc tensiunea de

scurtcircuit la temperatura de referin T, i i sunt coeficienii lor de temperatur. Dac

temperatura de lucru crete cu T, atunci noul curent i noua tensiune vor fi date de urmtoarea

formul:

Isc = I0 (1 + T); (4.1)

Vsc = V0 (1 T). (4.2)

Puterea va fi:

P = V I = I0 (1 + T) V0 (1 T) (4.3)

P = P0 [1 + ( ) T]. (4.4)

Efectul variaiei de temperatur asupra puterii de ieire este artat in diagrama din figura 4.7.

la dou temperaturi de lucru. Diagrama arat c la o temperatur mai mica maximul puterii obinute

este mai mare dect la o temperatur mai mare. Prin urmare temperaturile mai mici sunt mai bune

pentru celulele fotovoltaice deoarece genereaz mai multa putere. Dup cum se observ punctele deputere maxima nu sunt la aceeai tensiune. Pentru a obine maximul de putere, sistemul fotovoltaic


25/42

trebuie s fie proiectat n aa fel nct tensiunea de ieire a modulului s poat crete la V2 pentru a

obine Pmax2 la o temperatur mai sczut i s scad la V1 pentru a obine Pmax1 la o temperatur mai

mare.

Fig. 4.7. Efectul temperaturii asupra caracteristicii P-V.

Celule produc mai mult putere la temperaturi

sczute


26/42

5. Principiul de funcionare al celulelor fotovoltaice

Efectul fotovoltaic este legat de jonciunea p n a dou materiale semiconductoare de tip p i

de tip n. n figura 5.1. este prezentat schematic jonciunea p-n pentru siliciu.

Fig. 5.1. Prezentarea schematic a jonciunii p - n pentru siliciu.

Dac n cristalul unui material semiconductor se nlocuiete un atom al siliciului cu un atom

pentavalent As sau P (operaiunea de dopare a siliciului), atunci cei cinci electroni ai stratului de

valen vor satisface cele patru legturi covalente ale atomului de siliciu nlocuit. Al cincilea electron

poate trece uor peste banda interzis n banda conductore. Substanele folosite pentru substituie se

numesc substane donoare (dopante), iar semiconductorul astfel obinut se numete n-negativ.

Dac Si este dopat cu un atom trivalent B sau Al cei trei electroni de valen vor satisface doar

trei dintre legturile covalente ale atomului. n acest mod se creeaz legturi cu electroni lips

(goluri). Semiconductorul se numete p-pozitiv. Purttorii de sarcin al cror numr este majoritar

poart numele de purttor majoritar. Se poate defini, in mod similar, noiunea de purttor minoritar.

n apropierea unei jonciuni p-n are loc o difuzie a purttorilor de sarcin majoritari n

regiunea unde ei sunt minoritari. n acest mod se stabilete o regiune cu sarcina spaial pozitiv n

regiunea n i o alt regiune cu sarcin negativ n regiunea p. ntre cele dou sarcini apare un cmp

electric orientat de la semiconductorul n ctre semiconductorul p. Se stabilete astfel o barier de

potenial care mpiedic difuzia purttorilor de sarcin prin jonciune. n consecin, dup o micare

iniial de purttori majoritari ntr-un sens (curent de difuzie) i minoritari n sens opus (curent de

drift) se realizeaz un echilibru dinamic n care jonciunea prezint dou zone neutre separate printr-

un cmp electric (cu un potenial de barier).

Cnd un foton lovete jonciunea, se ntmpl urmtoarele fenomene:

- Fotonul traverseaz materialul dac energia lui este mai mic dect energia necesar unui electron

pentru a trece de pe banda de valen pe banda de conducie;


27/42

- Fotonul este absorbit (n caz contrar celui de mai sus). Fotonul creeaz o pereche de electroni

guri. Dac energia fotonului este mai mare dect cea necesar pentru eliberarea unui electron,

cristalul se nclzete;

O dat perechile electroni-guri formate n jonciunea p-n, att electronii, ct i gurile sunt

libere s se mite n cristal. Cmpul electric format va atrage electronii n zona catodic i gurile nzona anodic a jonciunii, formnd astfel un curent continuu, care poate fi folosit de ctre un

consumator.

Celulele fotovoltaice sunt conectate n circuite electrice serie sau/ i paralel pentru a produce

tensiuni, cureni i puteri mai mari. Modulele fotovoltaice sunt formate din celule mbrcate n

materiale protectoare. Aceste sisteme sunt componentele de baz ale instalaiilor. Principiul de cuplare

al instalaiilor este prezentat n figura 5.2.

Fig. 5.2. Modul de formare al instalaiilor fotovoltaice.

5.1. Evaluarea condiiilor de testare i certificare a modulelor fotovoltaice

Procedurile de ncercare a modulelor fotovoltaice au fost elaborate de ctre Comitetul

Electrotehnic Romn, Laboratorul de ncercri Produse Electrice.Msurrile care stau la baza modulelor fotovoltaice se realizeaz conform urmtoarelor

standarde:

- IEC 60891:1987, Procedures for temperature and irradiance corrections to measured I V

characteristics of crystalline silicon photovoltaic devices;

- IEC 60904-1:1987, Photovoltaic devices Part 1: Measurments of photovoltaic

current/voltage characteristics;

- IEC 60904-2:1989, Photovoltaic devices Part 2: Requirements for reference solar cells;

- IEC 60904-6:1994, Photovoltaic devices Part 6: Requirements for reference solar modules;

- IEC 60904-9:1995, Photovoltaic devices Part 9: Solar simulator performance requirements;


28/42

- IEC 60904-10:1998, Photovoltaic devices Part 10: Methods of linearity measurments.

Modulele utilizate pentru generarea de electricitate sunt testate dupa norma CEI 61215/2005:

Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules Design qualification and type approval.

5.2. Msurarea coeficientului de temperatur al curentului de scurtcircuit

Aceast msurare are ca scop determinarea coeficientului de temperatur al modulului pentru

curentul de scurtcirucit i este valabil numai pentru puterea specific la care s-a efectuat msurarea.

Pentru alte niveluri ale puterii specifice, valorile coeficientului de temperatur se deduc prin calcul,

conform cu standardul IEC 60904-10. ncercarea se realizeaz variind temperatura camerei climatice

n trepte de 5C, n intervalul de temperatur -25C - +55C i se msoar, pentru fiecare temperatur,curentul modulului supus ncercrii.

Se traseaz dreapta:

Isc = f()

utiliznd metoda ptratelor minime. Din panta dreptei se deduce coeficientul de temperatur al

curentului de scurtcircuit .

5.3. Msurarea coeficientului de temperatur al tensiunii n gol

Coeficientul de temperatur al tensiunii n gol este definit de variaia tensiunii n gol la

modificarea temperaturii modulului cu 1C. Coeficientul de temperatur este valabil numai pentru

puterea specific la care s-a efectuat msurarea. Pentru alte niveluri ale puterii specifice, valorile

coeficientului de temperatur se deduc prin calcul, conform cu standardul IEC 60904-10. ncercarease realizeaz variind temperatura camerei climatice n trepte de 5C, n intervalul de temperatur

-25C - +55C i se msoar, pentru fiecare temperatur, tensiune n gol a modulului supus ncercrii.

Se traseaz dreapta:

UG= f()

utiliznd metoda ptratelor minime. Din panta dreptei se deduce coeficientul de temperatur al

tensiunii n gol .

5.4. Msurarea coeficientului de temperatur al puterii de vrf


29/42

Coeficientul de temperatur al puterii de vrf este definit de variaia puterii de vrf la

modificarea temperaturii modulului cu 1C. Coeficientul de temperatur este valabil numai pentru

puterea specific la care s-a efectuat msurarea. Pentru alte niveluri ale puterii specifice, valorile

coeficientului de temperatur se deduc prin calcul, conform cu standardul IEC 60904-10. ncercarease realizeaz variind temperatura camerei climatice n trepte de 5C, n intervalul de temperatur

-25C - +55C i se msoar, pentru fiecare temperatur, 20 de valori ale tensiunii la borne i

intensitii curentului modulului supus ncercrii. Se calculeaz pentru fiecare temperatur cele 20 de

produse curent-tensiune i se reine valoarea maxim Pmax. Se traseaz dreapta:

Pmax = f()

utilizand metoda ptratelor minime. Din panta dreptei se deduce coeficientul de temperatur al

puterii de varf.

5.5. ncercarea rezistenei de izolaie

Acesta ncercare reprezint verificarea rezistenei de izolaie dintre componentele sub

tensiune i cadrul modulului sau mediul exterior. Msurrile se efectuaza n conformitate custandardul IEC 61215:1993, Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules - Design

qualification and type approval.

Pentru ncercare se scurtcircuiteaz terminale modulului i se conecteaz la polul pozitiv al

sursei de tensiune de c.c. un limitator de curent. Cadrul metalic al modulului se conecteaz la polul

negativ al sursei de tensiune de c.c.

Dac tensiunea maxim din cadrul ansamblului nu depete 50 V, se crete tensiunea sursei

pn la 500 V, plus dublul tensiunii maxime din ansmblul modulului i se menine timp de 1 minut.

Dac tensiunea maxim din cadrul modulului depete 50 V, se crete tensiunea sursei pn la 1000

V, plus dublul tensiunii maxime din ansamblul modulului i se menine timp de 1 minut. Rata de

cretere a tensiunii sursei nu trebuie s depeasc 500 Vs-1. Pe perioad ncercrii nu trebuie s apar

strpungeri dielectrice sau urme de suprafa.

Rezistena izolaie trebuie s satisfac urmtoarea condiie:

Riz(M) > 40/S


30/42


31/42

Captatorul solar este elementul esenial al unei instalaii care transform energia radiant ntr-

o alt form, util, de energie. Deseori, termenul de captator solar este utilizat pentru a desemna un

convertor heliotermic, al crui scop primar este conversia energie solare n cldur.

Captatoarele solare pot fi de dou feluri: captatoare fr concentrarea radiaiei i captatoare

cu concentrarea radiaie.

6.1. Captatoare fara concentrarea radiatie

Captatoarele fr concentrarea radiaie sunt captatoare solare la care aria suprafeei ce

absoarbe o anumit cantitate de radiaii solare este identic cu aria suprafeei care intercepteaz acea

cantitate de radiaii solare.Principalele lor avantaje sunt:

- utilizeaz att radiaia solar direct ct i cea difuz;

- nu necesit orientarea precis dup Soare;

- au o construcie mai simpl dect a captatoarelor cu concentrarea rediatie;

- implic o ntreinere uoar.

Domeniul de aplicaie al acestor captatoare este cel al temperaturilor moderate, de ordinul a

100C peste temperatura ambiant, i anume: n instalaiile solare de nclzire a apei menajere saupentru unele procese industriale, n instalaii de nclzire i climatizare a cldirilor, n instalaii de

uscare, n instalaii de distilare a apei i n unele instalaii de conversie a energiei solare n energie

mecanic i electric prin ciclu termodinamic.

Dup forma suprafeei absorbante, captatoarele fr concentrarea radiaie pot fi plane,

cilindrice, semicilindrice.

n fig. 6.1. este reprezentat schematic un captator plan. Prile sale componente sunt:

- suprafaa neagr absorbant a radiaie solare, nzestrat cu mijloace de transfer a energiei

absorbite ctre un fluid purttor de cldur;

- una sau mai multe suprafee transparente pentru radiaia solar (geamuri), aezate deasupra

suprafeei absorbante, care au rolul de a reduce pierderilor de cldur prin convecie i radiaie

ctre mediul ambiant;

- izolaia termic a suprafeei absorbante, prevzut pentru a reduce pierderile de cldur prin

conducie;

- carcasa.


32/42

Fig. 6.1. Captator solar plan de tip placa-tub

Funcionarea captatorului plan se bazeaz pe nclzirea suprafeei absorbante sub aciunea

radiaie solare, directe sau difuze. Cldura este transmis fluidului aflat n contact termic, direct sau

indirect, cu suprafaa absorbant. Prin circularea acestui fluid cldura este transportat spre alte

elemente ale instalaiei n care este integrat captatorul. Drept fluid purttor de cldur se folosete apa

sau aerul.

Performana oricrui captator solar este dat de bilanul su energetic, acesta indicnd moduln care este distribuit energia solar incident n energie util i diverse pierderi.


33/42

6.2. Captatoare cu concentrarea radiatie

Captatoarele cu concentrator sau cu focalizarea radiaiilor utilizeaz sisteme optice bazate pe

reflexie sau refracie, pentru a mri densitatea fluxului de radiaie care cade pe suprafaa de captare a

receptorului.Un captator cu focalizare poate fi considerat un caz special de captator plan, modificat prin

interpunerea ntre receptor i Soare a unui concentrator de radiaii. Odat cu creterea fluxului de

radiaie solar care ajunge la receptor scade suprafaa necesar de recepie pentru o aceeai cantitate

total de energie captat, ceea ce determin n mod corespunztor scderea pierderilor termice ale

receptorului i conduce n final la obinerea unor temperaturi mai mari n fluidul de lucru.

Sistememele cu concentrator funcioneaz ns, numai pe baza componentei directe a radiaiei solare.

n consecin radiaia difuz este pierdut pentru captare i n plus apar i alte pierderi opticesuplimentare, fa de captatoarele plane. Pe lng acestea, pierderile prin radiaie la temperaturi mai

mari dect cele din captatoarele plane devin din ce n ce mai importante.

n funcie de principiul de funcionare i construcia concentratorului se pot obine valori

foarte diverse pentru densitatea fluxului de radiaie pe suprafeele absorbante ale receptorului: de la

valori relativ mici de 1.5 - 2 kW/m2 pn la valori foarte mari de ordinul a 10 000 kW/m2. Odat cu

creterea fluxului de radiaie crete i temperatura la care este preluat cantitatea de cldur util.

Deoarece creterea densitii fluxului de radiaie atrage dup sine necesitatea ndeplinirii unorexigene sporite n ceea ce privete precizia sistemelor optice folosite pentru concentrare, se ajunge

pn la urm la creterea costului captatorului n ansamblu. Astfel, costul energiei furnizate de un

sistem de captare cu focalizare este funcie direct de temperatura la care se livreaz aceast energie.

Din punctul de vedere al realizrii practice (proiectare, tehnologie, exploatare) captatoarele cu

concentrator prezint cteva probleme suplimentare fa de captatoarele plane. Astfel, cu excepia

unor sisteme cu raport mic de concentrare, toate captatoarele cu focalizare necesit un sistem de

orientare pentru urmrirea micrii aparente diurne, lunare sau anotimpuale a Soarelui, n aa fel nct

cu ajutorul sistemului optic de concentrare radiaia direct s fie dirijat permanent ctre suprafaa

absorbant a receptorului. Apar i unele cerine specifice pentru ntreinerea sistemelor optice, n

special pentru pstrarea calitii suprafeelor de reflexie sau refracie mpotriva murdririi, oxidrii,

deteriorrii sau deformrii.

Toate acestea contribuie de asemenea la creterea complexitii sistemelor respective, precum

i la creterea cheltuielilor de fabricaie i exploatare, n comparaie cu captatoarele plane.

6.3. Stocarea energie solare


34/42

Problema stocrii energiei solare trebuie analizat privind instalaia termoenergetic ca un

sistem compus din urmtoarele elemente principale: captatorul de energie solar, unitatea de stocare a

energiei, aparatura de conversie a energiei, instalaia consumatoare de energie, consumatorii auxiliari

de energie, sistemul de automatizare i control.Orice sistem de stocare trebuie s aib o anumit capacitate de stocare a energie solare.

Capacitate optim de stocare a energie solare dintr-o anumit instalaie depinde de mai muli factori

c: disponibilitatea n timp a radiaie solare n locul respectiv; natura sarcinii energetice a instalaiei;

modul n care este furnizat eventuala energie auxiliar i anumite criterii economice care determin

ponderea din sarcina total anual care trebuie acoperit cu energie solar i implicit ponderea sursei

de energie auxiliar.

Stocarea energiei solare se poate face n diverse moduri, sub form de:- cldura sensibil a unui mediu solid sau lichid;

- cldura latent la schimbare de faz a unor sisteme chimice;

- energie chimic a produselor rezultate dintr-o reacie chimic reversibil.

Alegerea modelului de stocare a energie solare depinde de natura procesului care se urmrete

n instalaia solar. De exemplu, pentru nclzirea apei este practicata folosirea stocrii energiei solare

prin cldura sensibil a apei. Dac se folosesc captatoare solare cu nclzirea aerului, se poate utiliza

pentru stocarea energiei solare cldura sensibil a unui pat de pietre n schimbtoare de cldur de tip

regenerativ. Dac n instalaia solar se folosesc celule fotovoltaice sau fotochimice cea mai indicat

form de stocare a energiei este energia chimic.

Proiectantul unei instalaii termoenergetice solare are la dispoziie diverse alternative n ceea

ce privete locul de plasare a unitii de stocare a energiei n ansamblul instalaiei. n fig. 6.2. se

consider o instalaie n care maina termic transform energia solar n energie electica. n acest caz

energia se poate stoca fie sub form de energie termic, ntr-o unitate plasat ntre captatorul solar i

maina termic, fie sub form de energie mecanic ntr-o unitate de stocare plasat ntre maina

termic i generatorul electric, sau, n fine, sub form de energie chimic n baterii de acumulatoare

electrice plasate ntre generatorul electric i consumatorul de energie electric. Cele trei alternative de

plasare a unitii de stocare a energiei nu sunt echivalente n ceea ce privete: capacitatea de stocare

necesar, costul instalaiei i efectele soluiei adoptate asupra proiectrii instalaiei n ansamblu i

asupra performanelor acesteia.


35/42

Fig. 6.2. Locul de plasare al unitatii de stocare in instalatia solara

Principalele caracteristici ale unui sistem de stocare a energiei sunt:

- capacitatea de stocare a energiei pe unitatea de volum sau de greutate;

- domeniul de temperaturi n care funcioneaz sistemul de stocare, adic temperatura la care

cldura este introdus n sistem i temperatura la care cldur este evacuat din sistem;

- modurile de introducere sau evacuare a cldurii n sistem i diferenele de temperatur

asociate cu acestea;

- distribuia temperaturii n sistemul de stocare;

- cerinele de puteri privind introducerea i evacuarea cldurii n sistemul de stocare;

- containerele, rezervoarele sau celelalte elemente componente ale sistemului de stocare;

- mijloacele de control ale pierderilor termice din sistemul de stocare;

- costul sistemului de stocare.

6.4. Bateriile de stocare

Energia solar la nivelul scoarei terestre este o surs energetic dependent de micarea de

rotaie a Pamntului i de condiiile atmosferice. De asemenea necesarul de energie este variabil n

timp i depinde de numrul de consumatori conectai la un moment oarecare de timp. n consecin,

dac se dorete ca anumii consumatori s fie alimentai cu energie provenit de la razele Soarelui,

este necesar s fie prevzui cu elemente corespunztoare de stocare (acumulare) a energiei.

Caracteristicile pe care trebuie s le ndeplineasc o unitate de stocare a energiei solare (n

funcie de domeniul de aplicaie) sunt urmtoarele:

- unitatea de stocare trebuie s fie capabil s primeasc energia cu maximum de vitez fr foretermodinamice excesive (de exemplu diferene de temperatur, de presiune, de potenial, etc.);


36/42

- unitatea de stocare trebuie s livreze energia cu maximum de vitez (dependent de scopul

instalaiei) far a utiliza fore termodinamice excesive;

- unitatea de stocare trebuie s aib pierderi mici (o caracteristic de autodescrcare sczut);

- unitatea de stocare a energiei trebuie s fie capabil s suporte un numr ridicat de cicluri ncrcare-

descrcare, far diminuarea substanial a capacitii sale;- nu n ultimul rnd, unitatea de stocare trebuie s fie ieftin.

Una din caracteristicile foarte importante ale acumulatorilor utilizai n sistemele fotovoltaice

este proprietatea acestora de a avea o auto-descrcare foarte mic, de aproximativ 2-3% pe lun.

Tipurile de acumulatori cei mai des folosii n sistemele fotovoltaice sunt:

Acumulatorii deschii plumb-acid;

Acumulatorii nchii ermetic plumb-acid;

Acumulatorii de nichel-cadmiu.

Fig. 6.3. Exemplu de acumulatoare folosite n sistemele fotovoltaice

Deoarece acumulatorii cu plumb pot prezenta pericol n exploatare datorit faptului c

plumbul este toxic, n prezent se utilizeaz tot mai mult acumulatori capsulai sau acumulatori de

nichel-cadmiu.

Bateriile deschise plumb-acid sunt nc utilizate n sistemele fotovoltaice dar au un mare

inconvenient: n cazul n care sunt descrcate total pot suferi o reducere semnificativ a duratei de

via. Sistemele care folosesc acest tip de baterii sunt concepute n aa fel nct bateriile s nu se

descarce mai mult de 40-50% pentru a le prelungi durata de via util.

Bateriile nchise ermetic plumb-acid sunt cele mai des utilizate n sistemele fotovoltaice.

Au avantajul de a nu necesita ntreinere, fiind cele mai potrivite pentru depozitarea n locuri cu puin

ventilaie, produc foarte puin oxigen i hidrogen, i au un risc sczut de scurgeri de acid. Astfel de

baterii pot fi, de asemenea, sub form de gel, n care este acid solidificat sub form de gel mbibat

ntr-un burete-fibr de sticl .


37/42

Bateriile de nichel-cadmiu sunt mai scumpe, dar au o mai mare longevitate faa de cele de

plumb-acid i pot fi descrcate complet, pentru c nu exist nici un risc ca acest factor s influeneze

scderea duratei lor de via.

Bateriile sunt clasificate n funcie de capacitatea de stocare (Ah), de ciclurile de via (numr

de ori de a putea fi evacuate i aproape complet ncrcate din nou). Cu ct este mai lent descrcareabateriei, cu att este mai mare capacitatea acesteia de a furniza energie. Bateria este mai mult dect o

capacitate de depozitare. Poate servi ca un regulator de putere: o parte a circuitului prin care circul

fluxurile de energie electric din surse fotovoltaice, bateria ajut s menin constant ncrcarea

electric a sistemului. Astfel, sistemul fotovoltaic poate fi proiectat s funcioneze mai aproape de

punctul lui optim de funcionare. Durata de via a bateriei depinde de modul n care ncrcarea i

descrcarea e controlat.

6.5. Noi tendine n fabricarea celulelor fotovoltaice

La ora actual, toi productorii de celule fotovoltaice caut soluii pentru mbuntirea

performanelor celulelor fotovoltaice i pentru reducerea costurilor de fabricaie a acestora, respectiv a

panourilor care le conin. Cteva dintre aceste tendine sunt prezentate n continuare.

Realizarea de suprafee cu pierderi prin reflexie minime. Astfel de celule fotovoltaice au

suprafaa realizat ntr-o structur piramidal, pentru ca lumina incident s loveasc de mai multe orisuprafaa celulei.

Utilizarea unor materiale noi, cum sunt: Galiu-Arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu

(Cd-Te) sau Cupru-Indiu-Seleniu (CuInSe2).

Realizarea unor celule fotovoltaice tandem, construite din materiale semiconductoare

diferite aezate unul deasupra celuilalt, cu scopul de a capta energia luminoas ntr-un domeniu de

lungimi de und ct mai larg.

Utilizarea unor concentratori de lumin, realizai dintr-un sistem de oglinzi, care pe de-o

parte s mreasc intensitatea radiaiei luminoase i pe de alt parte s poat urmri deplasarea

Soarelui pe cer.

Producerea cmpului electric intern prin realizarea unei jonciuni ntre un strat subire de

oxid i un semiconductor, aceast soluie fiind mai eficient dect jonciunea p-n.

Utilizarea celulelor Grtzel, care sunt celule fotovoltaice cu lichid electrochimic i utilizeaz

dioxid de titan ca electrolit i o vopsea special, pentru a mbunti procesul de absorbie a luminii.

7. Sistem hibrid solar diesel


38/42

Configuraia unui sistem solar hibrid este descris n schema electric de mai jos. Acest

sistem semicomplex, este dezvoltat prin adugarea unui generator diesel, care are rolul de a compensa

lips energiei electrice n situaii critice, neprevzute i rencrcarea bateriei n condiii de

supraconsum. Sunt folosite baterii de acumulatori pentru stocarea energiei electrice. Alimentarea

consumatorilor se face n curent continu sau alternativ. Aceast configuraie descrie foarte bine unsistem energetic autonom care poate fi folosit pentru cabane, case de vacan i sisteme ecologice.

Fig. 7.1. Sistem hibrid solar (sursa:www.lpelectric.ro)

7.1. Sistem fotovoltaic back-up locuinta Pipera, Bucuresti

Sistemele solar back-up concept, sunt sisteme de back-up evoluate, care dispun de avantajuleconomiei de energie. n cazul n care alimentarea cu energie electric de la reeaua naional, nu
http://www.lpelectric.ro/http://www.lpelectric.ro/http://www.lpelectric.ro/


39/42

corespunde necesitilor (datorit ntreruperilor dese), singura soluie viabil este instalarea unuisistem de rezerv (backup). Configuraia de mai jos permite funcionarea tuturor consumatorilor dintr-o locuin n cazul ntreruperii alimentrii cu energie electric. Sistemul Solar Back-up Concept poatefi configurat astfel nct s ndeplineasc toate criteriile de performan solicitate. Sistemul de panourifotovoltaice (photovoltaic solar panel), poate fi adaptat n aa fel nct se poate obine o economie deenergie de pn la 100%.

Pentru sistemul din Pipera, 61% din energia consumat de ntrega cldire, este furnizat dinpanourile fotovoltaice, iar diferen este extras din reeaua convenional.

Sistemul dispune de o reea fotovoltaic cu o putere de 1,75 kW, iar producia de energieelectric estimat pe durat unui an este urmtoarea:

Energia electrica produsa fotaovoltaic: puterea fotovoltaica = 1.75 kWUnghi deexpunere

Unghi fix de expunere 35 grade 35 grade

Luna Ian Feb Mar Apr Mai Iun Iul Aug Sep Oct Nov Dec Mediaanuala

Productie peluna (kW/h)

98 116 165 196 226 218 234 324 208 177 99 81 171

Productie pe zi(kW/h)

3.2 4.2 5.3 6.5 7.3 7.3 7.6 7.6 6.9 5.7 3.3 2.6 5.6

Total productieanuala (kW/h)

2053 kWh/an

Sistemul furnizeaz o cantitate de energie electric de aproximativ 7,6 kWh/zi n perioada devar, la o putere instantanee de 1,75 kW n sistem monofazic. Sistemul alimenteaz toi consumatoriila 230V/50Hz n limita celor 6 kW putere invertor. Sistemul este complet automatizat i programabil,

permind comutatrea automat pe reea sau baterii cu o vitez mai mare de 20ms.

Tensiunea de alimentare de la reeaua de 220V, este cuplat la invertor la intrarea denumit AC1 -Grid Support. Invertorul monitorizeaz starea de ncrcare a bateriei de acumulatori i intrarea dereea AC1. Toi consumatorii vor fi cuplai la ieirea invertorului, iar acetia nu pot depi putereainstantanee maxim, furnizat de acest tip de invertor. n momentul n care regulatorul solar MPPTcomunic invertorului existena produciei din energie alternativ, acesta cupleaz consumatorii laacumulatori. n cazul n care se determinat starea de descrcare programat a bateriei de acumulatori,va fi cuplat tensiunea de 230V la invertor ceea ce permite rencrcarea lor i alimentarea direct acosnumatorilor. Acumulatorii vor primii energie i de la panourile solare cuplate la sistem. Acestlucru face ca n timpul zilei cantitatea de energie necesar consumatorilor, s fie compensat deaportul de curent de la aceste panouri fotovoltaice.


40/42

Fig. 7.2. Sistemul de alimentare al casei (sursa:www.lpelectric.ro)

Sistemul contine:

- Panouri fotovoltaice monocristaline - 175W/24V - 10 buc.

- Acumulatori Exide - Germania - Solar Block-1200cicli 100% - 6V/200Ah - 16 buc.

- Invertor cu unda sinusoidala pura programabil Xantrex- SUA - 6000W /48V - 1 buc.

- Regulator Xantrex programabil tehnologie MPPT - 60A/48V - 1 buc.


41/42

Fig. 7.3. Casa Pipera (sursa:www.lpelectric.ro)

Sistemul dispune de un suport metalic fix la un unghi de expunere egal cu cel format deacoperi cu orizontala. n acest mod se obine maximum de energie electric i meninerea arhitecturiiconstruciei. Aria fotovolatica este grupat n module (fiecare modul avnd n componen cte 2stringuri) rezultnd din etapa de proiectare, necesitatea implementrii a cte 5 stringuri n paralel.Cablarea celor 10 de panouri fotovoltaice a fost realizat cu ajutorul unor cabluri speciale rezistente larazele ultaviolete i la temperaturi de pn la 120oC. n cazul utilizrii unor cabluri obinuite n loculacestui tip de cablu (ntlnit n literatura de specialitate i sub numele de "cablu solar"), exist risculapartiei unor pierderi semnificative de energie ntr-un interval de timp scurt. Exist i posibilitateadeteriorrii nveliului acestui tip de cablu inducnd apariia unor posibile scurgeri de curent la massau scurtcircuit. Cablul utilizat n cadrul acestui sistem a fost furnizat de Tyco Electronics.


42/42

7.2. Simularea unui sistem fotovoltaic

Programul ales pentru aceasta simulare este PowerSim (Psim), iar sistemul simulat este unsistem fotovoltaic.

Fig. 7.4. Schema unui sistem fotovoltaic

n fig. 7.4., datorit lipsei din program a unui bloc pentru un sistem fotovoltaic, este folosit osurs de tensiune continu. Tensiunea sursei este egal cu cea a unui sistem fotovoltaic de 24 V.

Sisteme Inter Grate Pentru Conversia Energiei Solare in Energie Electrica

Documents

Transcript of Sisteme Inter Grate Pentru Conversia Energiei Solare in Energie Electrica