Modulul 2: Soarele ca sursă de energie primară 22 Modulul 2 ...
Modulul 2: Soarele ca sursă de energie primară 22 Modulul 2 ...
Modulul 2: Soarele ca sursă de energie primară 22 Modulul 2 ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Modulul</strong> 2<br />
SOARELE CA SURSĂ DE ENERGIE<br />
Cuprins<br />
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Obiective…………………………………………………………………………............<strong>22</strong><br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare 3. Radiaţia solară .Efectul <strong>de</strong> seră. <strong>Soarele</strong> şi echilibrul energetic<br />
global……………………………………………………………………………………..23<br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare 4. Energia solară fotovoltaică. Introducere. Celula fotovoltaică şi<br />
<strong>ca</strong>racteristicile ei……………………………………………………………………...…..32<br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare 5. Energia solară fotovoltaică. Parametrii celulelor şi modulelor PV.<br />
Influenta radiatiei solare şi temperaturii asupra <strong>ca</strong>racteristicilor celulelor şi modulelor PV.<br />
Module fotovoltaice………………………………………………………………..…….39<br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare 6. Sisteme fotovoltaice. Dimensionarea unui sistem fotovoltaic.<br />
Domeniile <strong>de</strong> utilizare a <strong>energie</strong>i electrice fotovoltaice…………………………......…..51<br />
Teste <strong>de</strong> autoevaluare..........................................................................................30;37;50;58<br />
Lucrare <strong>de</strong> verifi<strong>ca</strong>re...........................................................................................31;38;50;59<br />
OBIECTIVELE MODULULUI 2<br />
- să explice mo<strong>de</strong>lul ” corp absolut negru”<br />
- să <strong>de</strong>finească radiaţia solară<br />
- să explice efectul <strong>de</strong> seră<br />
- să explice factorii <strong>de</strong> <strong>ca</strong>re <strong>de</strong>pin<strong>de</strong> eficienţa celulei solare<br />
-să clasifice celulele solare<br />
-să enumere tipurile <strong>de</strong> siliciu din <strong>ca</strong>re se confecţionează celulele solare<br />
-să explice principiul <strong>de</strong> funcţionare al celulei solare cu semiconductori<br />
-să indice <strong>ca</strong>racteristicile tehnice ale celulei solare<br />
-să explice schemele <strong>de</strong> conectare şi echivalente ale unei celule solare<br />
-să explice construcţia şi principiul <strong>de</strong> funcţionare al unei celule fotovoltaice<br />
-să <strong>de</strong>finească parametrii celulelor şi modulelor PV<br />
-să explice structura unui sistem fotovoltaic<br />
-să enumere şi să explice <strong>ca</strong>racteristicile modulului PV<br />
-să <strong>de</strong>finească rolul invertorului în subsistemul <strong>de</strong> condiţionare a <strong>energie</strong>i electrice al<br />
sistemului PV<br />
-să realizeze dimensionarea unui sistem fotovoltaic<br />
<strong>22</strong>
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare nr. 3<br />
RADIATIA SOLARĂ. EFECTUL DE SERĂ. SOARELE ŞI ECHILIBRUL<br />
ENERGETIC GLOBAL<br />
Unitatea <strong>de</strong> studiu 3.1<br />
Radiaţia solară. Efectul <strong>de</strong> seră. <strong>Soarele</strong> şi echilibrul energetic global<br />
Cuprins<br />
3.1. Obiective<br />
3.2. Test <strong>de</strong> autoevaluare<br />
3.3. Lucrare <strong>de</strong> verifi<strong>ca</strong>re<br />
3.1. OBIECTIVELE UNITĂŢII DE 3.1<br />
- să explice mo<strong>de</strong>lul ” corp absolut negru”<br />
- să <strong>de</strong>finească radiaţia solară<br />
- să explice efectul <strong>de</strong> seră<br />
Radiaţia solară .Efectul <strong>de</strong> seră. <strong>Soarele</strong> şi echilibrul energetic global<br />
Proiectarea unui sistem <strong>de</strong> conversie a <strong>energie</strong>i solare în <strong>energie</strong> termică sau electrică se<br />
bazează pe evaluarea corectă a radiaţiei solare în amplasamentul dat şi pe cunoştinţe privind<br />
proprietăţile radiaţiei solare.<br />
<strong>Soarele</strong> este cea mai aproape stea <strong>de</strong> la Pământ şi se află la distanţa medie <strong>de</strong> 1,5x10 11<br />
m. Structura schematică a soarelui este prezentată în figura 1, iar relaţiile geometrice în<br />
sistemul soare - pământ - în figura 2.<br />
Energia soarelui este rezultatul a mai multor reacţii <strong>de</strong> fuziune nucleară, principal fiind<br />
procesul în <strong>ca</strong>re hidrogenul (4 protoni) fuzionează şi se formează heliu. Masa nucleului <strong>de</strong><br />
heliu este mai mică <strong>de</strong>cât masa a 4 protoni, diferenţa <strong>de</strong> masă se transformă în <strong>energie</strong> în<br />
conformitate cu formula lui Einstein E=mc 2 .<br />
Diametrul soarelui este <strong>de</strong> aproximativ 110 ori mai mare <strong>de</strong>cât diametrul pământului:<br />
respectiv 1,39x10 9 m şi 1,27x10 7 m. Nucleul solar cu raza <strong>de</strong> aproximativ 0,23R (R - raza<br />
discului solar) şi un volum ce constituie 15 % din total prezintă reactorul natural<br />
termonuclear. Aici temperatura se estimează la (8-40)x10 6 K şi se <strong>de</strong>gajă 90 % din <strong>energie</strong>.<br />
Nucleul are o <strong>de</strong>nsitate <strong>de</strong> 100 <strong>de</strong> ori mai mare <strong>de</strong>cât a apei şi masa lui constituie 40 % din<br />
masă totală. La o distanta <strong>de</strong> 0,7 R <strong>de</strong> la centrul temperatura s<strong>ca</strong><strong>de</strong> până la 130 000 K şi<br />
<strong>de</strong>nsitatea s<strong>ca</strong><strong>de</strong> până la 70 kg/m 3 . Zona cuprinsă între 0,7 şi 1,0R se numeşte zona<br />
convectivă (se consi<strong>de</strong>ră că procesele termice convective sunt principale). Temperatura s<strong>ca</strong><strong>de</strong><br />
până la 5000 K, iar <strong>de</strong>nsitatea este foarte mică - <strong>de</strong> cir<strong>ca</strong> 10- 5 kg/m 3 .<br />
23
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig. 3.1 Structura simplifi<strong>ca</strong>tă a soarelui<br />
Corpul absolut negru este un mo<strong>de</strong>l introdus în fizică pentru a <strong>ca</strong>racteriza spectrul<br />
radiaţiei unui corp cu o temperatură constantă T. Corpul absolut negru este un corp i<strong>de</strong>al, <strong>ca</strong>re<br />
are factorul <strong>de</strong> absorbţie egal cu 1, iar cel <strong>de</strong> reflecţie egal cu 0. Un astfel <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>l se<br />
prezentă în figura 2. Materia din <strong>ca</strong>vitatea corpului are temperatura T şi se menţine constantă.<br />
Din toate părţile, cu excepţia unei <strong>de</strong>schizături înguste, materia este izolată. Pereţii interiori ai<br />
<strong>ca</strong>vităţii posedă un factor <strong>de</strong> reflecţie egal cu 1. Probabilitatea, că un foton <strong>ca</strong>re a pătruns în<br />
interiorul <strong>ca</strong>vităţii prin <strong>de</strong>schizătura îngustă să părăsească corpul, este aproape nulă. În acest<br />
sens mo<strong>de</strong>lul prezentat este absolut negru (nu se ve<strong>de</strong>). Totodată, materia din <strong>ca</strong>vitate având<br />
temperatura T radiază un<strong>de</strong> electromagnetice prin <strong>de</strong>schizătura menţionată. Densitatea <strong>de</strong><br />
putere spectrală <strong>de</strong>pin<strong>de</strong> <strong>de</strong> temperatura materiei T şi lungimea <strong>de</strong> undă a radiaţiei<br />
electromagnetice A. Legătura analitică dinte <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> putere, temperatură şi lungimea <strong>de</strong><br />
undă este dată <strong>de</strong> formula lui Plank:<br />
2<br />
2hc<br />
1<br />
2<br />
W<br />
, W / m m (3.1)<br />
5 hc / kT<br />
e 1<br />
un<strong>de</strong> h = 6,63x10 34 W s 2 - este constanta lui Plank; k = 1,38x10- 23 - constanta lui Boltzmann;<br />
c = 2997<strong>22</strong>458 m/s - viteza luminii în vid. Expresia analitică (3.1) permite să mo<strong>de</strong>lăm<br />
radiaţia solară cu o exactitate foarte bună. În figura 3. este prezentată <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> putere<br />
spectrală la suprafaţa soarelui <strong>ca</strong>lculate în conformitate cu (3.1) pentru temperatura efectivă a<br />
corpului absolut negru egală cu 5800 K. Temperatura efectivă se consi<strong>de</strong>ră o astfel <strong>de</strong><br />
temperatură pentru <strong>ca</strong>re corpul absolut negru radiază aceiaşi <strong>energie</strong> <strong>ca</strong> şi soarele.<br />
24<br />
40% masă<br />
15% volum<br />
90% <strong>energie</strong><br />
T=(8-40)x10 6 K<br />
= 10 5 kg/m 3
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig. 3.2 Mo<strong>de</strong>lul corpului Fig.3.3 Radiaţia spectrală<br />
absolut negru a corpului absolut negru<br />
Pământul se roteşte în jurul soarelui pe o orbită aproximativ circulară (abaterea <strong>de</strong> la<br />
circumferinţă nu <strong>de</strong>păşeşte 1.7%)-fig. 4.<br />
Ds=1,39x10 9 m<br />
Fig. 3.4 Geometria sistemului soare-pământ<br />
<strong>Soarele</strong>, fiind privit <strong>de</strong> pe suprafaţa pământului, prezintă un disc cu diametrul unghiular<br />
<strong>de</strong> 32`.Radiaţia solară poate fi mo<strong>de</strong>lată cu cea a unui corp absolut negru cu temperatura<br />
efectivă <strong>de</strong> cir<strong>ca</strong> 5777 K. Calculele radiaţiei corpului absolut negru şi rezultatele măsurărilor<br />
<strong>de</strong>monstrează că 6,4 % <strong>de</strong> <strong>energie</strong> este transportată <strong>de</strong> banda ultravioletă <strong>de</strong> un<strong>de</strong><br />
electromagnetice ( = 0-0,38 µm), 48,0% - <strong>de</strong> bandă vizibilă ( = 038- 0,78 µm) şi 45,6% -<br />
<strong>de</strong> bandă infraroşie (>0,78 µm).<br />
Radiaţia solară- este un melanj <strong>de</strong> un<strong>de</strong> electromagnetice cu lungimea <strong>de</strong> undă<br />
cuprinsă în gama (0,2-2,5) m. Energia un<strong>de</strong>lor cu lungimea mai mare <strong>de</strong> 2,5 m poate fi<br />
neglijată<br />
Iradiaţie (iluminare), se măsoară în W/m 2 şi prezintă <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> putere instantanee a<br />
radiaţiei solare. De exemplu, iradiaţia egală <strong>de</strong> 1000 W/m 2 înseamnă că în fie<strong>ca</strong>re secundă pe<br />
un metru pătrat <strong>de</strong> suprafaţă <strong>ca</strong><strong>de</strong> un flux <strong>de</strong> <strong>energie</strong> egal cu 1000 J.<br />
25<br />
L=1,495x10 11 m<br />
Dp=1,27x10 7 m
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Iradiere (expunere), se măsoară în MJ/m 2 sau kWh/m 2 şi prezintă <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> <strong>energie</strong><br />
a radiaţiei solare. Este evi<strong>de</strong>nt că iradierea este integrala iradiaţiei pe o perioadă <strong>de</strong>finită <strong>de</strong><br />
timp - o oră, zi sau lună.<br />
Fig.3.5 Componentele radiaţiei solare pe suprafaţa absorbantă A: B – directă; D – difuză; R - reflectată<br />
În <strong>ca</strong>lculul sistemelor fotovoltaice <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> <strong>energie</strong> a radiaţiei solare, măsurată în<br />
kWh/m 2 , a<strong>de</strong>sea este exprimată în ore solare <strong>de</strong> vârf, ceeace înseamnă durata <strong>de</strong> timp în ore<br />
cu o <strong>de</strong>nsitate <strong>de</strong> putere <strong>de</strong> 1 kW/m 2 necesară pentru a produce o radiaţie solară diurnă<br />
echivalentă cu cea obţinută în urma integrării <strong>de</strong>nsităţii <strong>de</strong> <strong>energie</strong> pe durata unei zile.<br />
Radiaţia directă reprezintă radiaţia primită <strong>de</strong> la soare fără a fi împrăştiată <strong>de</strong> atmosferă.<br />
Umbra unui obiect apare numai atunci când este radiaţie directă. Radiaţia directă va fi notată<br />
cu B.<br />
Radiaţia difuză va fi notată cu D. Raza solară trecând prin atmosferă este împrăştiată,<br />
altfel spus, difuzate în toate direcţiile (fig.5). Radiaţia difuză este prezentă întot<strong>de</strong>auna, chiar<br />
şi într-o zi senină, această componentă constituie cir<strong>ca</strong> 10%. În acest <strong>ca</strong>z razele solare sunt<br />
împrăştiate <strong>de</strong> moleculele <strong>de</strong> oxigen, bioxid <strong>de</strong> <strong>ca</strong>rbon, particule <strong>de</strong> praf, etc. şi cerul <strong>ca</strong>pătă<br />
culoarea albastră. Dacă cerul este acoperit cu nori, radiaţia directă este egală cu zeroşi avem<br />
numai radiaţia difuză. Radiaţia solară totală inci<strong>de</strong>ntă notată(G) reprezintă suma celor trei<br />
componente: radiaţia directă-B, difuză-D şi reflectată-R.<br />
Radiaţia reflectată este notată cu R. De obicei, se operează cu radiaţia reflectată <strong>de</strong><br />
suprafaţa pământului şi <strong>ca</strong>re <strong>ca</strong><strong>de</strong> pe colectorul solar sau panoul fotovoltaic. În cele mai multe<br />
<strong>ca</strong>zuri, această componentă nu se ia în <strong>ca</strong>lcule, cu excepţia colectoarelor sau panourilor<br />
fotovoltaice bifaciale (ambele suprafeţe: cea orientată spre soare şi cea orientată spre<br />
suprafaţa pământului sunt lucrative). Radiaţia totală inci<strong>de</strong>ntă pe suprafaţa unui corp va fi<br />
egală cu suma radiaţiei directe şi difuze şi (fig. 5):<br />
G B<br />
D<br />
(3.2)<br />
Radiaţia solară pe suprafaţa pământului-Densitatea <strong>de</strong> putere radiantă, S, în spaţiul<br />
extraterestru este constantă şi egală cu 1367 W/m 2 . Suprafaţa expusă iradierii este egală cu<br />
2<br />
2<br />
R , un<strong>de</strong> R este raza pământului, iar suprafaţa totală a globului pământesc - cu 4 R .<br />
26
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Densitatea medie <strong>de</strong> putere radiantă, Smed <strong>ca</strong>ptată <strong>de</strong> pământ va fi:<br />
S 1367<br />
2<br />
Smed 342W<br />
/ m<br />
(3.3)<br />
4 4<br />
Razele solare trecând prin atmosferă sunt supuse unor modificări esenţiale. Unele sunt<br />
absorbite <strong>de</strong> moleculele <strong>de</strong> aer, altele împrăştiate (componenta difuză), iar altele pătrund<br />
atmosfera fără a fi afectate (componenta directă) şi fie sunt absorbite sau reflectate<br />
(componenta reflectată) <strong>de</strong> obiecte <strong>de</strong> pe suprafaţa pământului.<br />
Se constată o absorbţie puternică a radiaţiei ultraviolete în banda cu lungimea <strong>de</strong> undă<br />
mai mică <strong>de</strong> 0,3 µm <strong>de</strong> către moleculele <strong>de</strong> ozon (stratul <strong>de</strong> ozon este ecranul protector a<br />
biosferei <strong>de</strong> razele ucigătoare ultraviolete), o transparenţă mare a atmosferei în banda vizibilă<br />
0,4<
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
banda infraroşie emisă <strong>de</strong> suprafaţa pământului, atmosferă şi nori. Molecula respectivă începe<br />
a vibra şi la rândul său emite radiaţie în acelaşi spectru infraroşu, <strong>ca</strong>re este absorbită <strong>de</strong> alte<br />
molecule GES. Astfel, fenomenul <strong>de</strong> absorbţie - emisie - absorbţie conduce la păstrarea<br />
<strong>energie</strong>i în stratul <strong>de</strong> jos al atmosferei.<br />
Fig.3. 7 Echilibrul simplifi<strong>ca</strong>t al fluxurilor <strong>de</strong> <strong>energie</strong> în sistemul suprafaţa pământului - atmosferă<br />
Efectul <strong>de</strong> seră- joacă un rol crucial în menţinerea vieţii pe pământ. Dacă nu ar avea<br />
loc efectul <strong>de</strong> seră, atunci temperatura la suprafaţa pământului va fi <strong>de</strong>terminate <strong>de</strong> echilibrul<br />
dintre <strong>ca</strong>ntitatea <strong>de</strong> <strong>energie</strong> cedată <strong>de</strong> pământ în spaţiu şi cea primită prin intermediul radiaţiei<br />
solare. În conformitate cu legea lui Ştefan-Boltzman <strong>ca</strong>ntitatea <strong>de</strong> <strong>energie</strong> emisă <strong>de</strong> un corp<br />
cu temperatura efectivă Te se <strong>de</strong>termină cu relaţia:<br />
4<br />
We A Te<br />
(3.4)<br />
un<strong>de</strong> = 5,67x10 -8 W/m 2 K 4 - este constanta lui Ştefan-Boltzman; A - aria corpului.<br />
Formula se obţine în rezultatul integrării expresiei <strong>de</strong>nsităţii puterii spectrale. În <strong>ca</strong>zul<br />
2 4<br />
pământului We 4R<br />
Te<br />
. Din altă parte pământul obţine <strong>de</strong> la soare o <strong>ca</strong>ntitate <strong>de</strong> <strong>energie</strong><br />
egală cu 0,69 S/4 (fig.7). În condiţia echilibrului termic <strong>ca</strong>ntitatea <strong>de</strong> <strong>energie</strong> primită este<br />
egală cu <strong>ca</strong>ntitatea <strong>de</strong> <strong>energie</strong> emisă, <strong>de</strong> un<strong>de</strong> obţinem temperatura efectivă a suprafeţei<br />
pământului Te:<br />
0,<br />
69S<br />
T 4<br />
e (3.5)<br />
4<br />
Calculul radiaţiei solare disponibile. Generalităţi<br />
Pentru proiectarea unei instalaţii <strong>de</strong> conversie a <strong>energie</strong>i solare în <strong>energie</strong> termică sau<br />
electrică este necesar să cunoaştem radiaţia solară disponibilă pe suprafaţa <strong>ca</strong>ptatoare fie a<br />
colectorului solar, fie a modulului (panoului) fotovoltaic. Totodată, radiaţia solară este o<br />
funcţie variabilă ce <strong>de</strong>pin<strong>de</strong> <strong>de</strong> mai mulţi factori: latitudinea §i altitudinea locului, anotimpul,<br />
ziua, ora, gradul <strong>de</strong> nebulozitate, conţinutul <strong>de</strong> praf, vapori <strong>de</strong> apă §i aerosoli în atmosferă.<br />
Este evi<strong>de</strong>nt că nu pot exista una sau mai multe expresii matematice <strong>ca</strong>re ar permite <strong>ca</strong>lculul<br />
radiaţiei solare, luând în consi<strong>de</strong>raţie toţi aceşti factori, în particular, cei cu <strong>ca</strong>racter aleatoriu<br />
- nebulozitatea, conţinutul <strong>de</strong> praf, aerosoli, etc.<br />
Proiectarea unei instalaţii solare şi productivitatea acesteia se fac pe baza măsurărilor<br />
sistematice ale componentelor radiaţiei solare. În majoritatea <strong>ca</strong>zurilor se utilizează<br />
rezultatele măsurărilor pentru o suprafaţă orizontală ale radiaţiei directe şi difuze pe o durată<br />
<strong>de</strong> o oră.<br />
Unghiul <strong>de</strong> înclinaţie a planului este unghiul dintre planul suprafeţei studiat şi<br />
suprafaţa orizontală -180 o 180 o . - fig. 8. Această valoare nu <strong>de</strong>păşeşte 90 o pentru apli<strong>ca</strong>ţii<br />
28
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig.3.8. Expli<strong>ca</strong>ţia referitor la unghiurile:<br />
<strong>de</strong> înclinaţie, , azimutal, , azimutal solar, s, înălţare a soarelui, s<br />
Unghiul <strong>de</strong> înălţare al soarelui, s, - unghiul dintre orizont şi linia ce legă soarele şi<br />
punctul <strong>de</strong> interes, altfel spus, raza solară inci<strong>de</strong>ntă în punctul <strong>de</strong> interes (figura 11).<br />
Unghiul zenital, z , - unghiul dintre verti<strong>ca</strong>lă şi linia ce legă soarele şi punctul <strong>de</strong><br />
interes, altfel spus, unghiul complementar unghiului s (figura 8).<br />
Unghiul orar, , - <strong>de</strong>termină poziţia soarelui pe bolta cerească într-un moment dat.<br />
Este egal cu zero în momentul trecerii <strong>de</strong> către soare a meridianului lo<strong>ca</strong>l, altfel spus în<br />
momentul amiezii, pozitiv spre est şi negativ - spre vest (figura 9). Respectiv, s , corespun<strong>de</strong><br />
unghiului <strong>de</strong> răsărire, iar s<br />
, - <strong>de</strong> asfinţire a soarelui. Este evi<strong>de</strong>nt, că într-o oră soarele<br />
traversează pe bolta cerească un unghi egal cu 15 0 , iar poziţia lui la orice oră T se <strong>de</strong>termina<br />
cu expresia:<br />
12 T<br />
15 <br />
(3.6)<br />
Fig. 3.9. Unghiul orar, , <strong>de</strong> răsărire, s, -s<br />
În figura 13 este prezentat colectorul solar C direcţionat spre sud (unghiul =0, figura<br />
8). Suprafaţa planului C este înclinată fata <strong>de</strong> orizont cu unghiul<br />
29
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig. 3.10. Radiaţia solară directă pe un plan înclinat în momentul amiezii: 0,<br />
0<br />
Radiaţia solară pe suprafaţa colectorului va fi maximală în momentul amiezii, când<br />
unghiul <strong>de</strong> înălţare al soarelui, s, (figura 9) va fi maxim, iar drumul parcurs <strong>de</strong> raza solară -<br />
minim şi unghiul orar = 0. Această situaţie va avea loc dacă radiaţia directă <strong>ca</strong><strong>de</strong><br />
perpendicular pe suprafaţa colectorului C. Din figura 10, rezultă că z = <br />
<br />
3.2. TEST DE EVALUARE<br />
1.Radiaţia solară pe suprafaţa colectorului va fi maximă când:<br />
a) unghiul <strong>de</strong> înălţare al soarelui este maxim;<br />
b) drumul parcurs <strong>de</strong> raza solară este minim;<br />
c) unghiul orar egal cu zero.<br />
2.Unghiul <strong>de</strong> înălţare al soarelui este:<br />
a) unghiul dintre verti<strong>ca</strong>lă şi linia ce leagă soarele <strong>de</strong> punctul <strong>de</strong> interes;<br />
b) unghiul dintre orizont şi linia ce leagă soarele <strong>de</strong> punctul <strong>de</strong> interes;<br />
c) unghiul <strong>ca</strong>re <strong>de</strong>termină poziţia soarelui pe bolta cerească într-un moment dat.<br />
3.Radiaţia solară este o funcţie variabilă <strong>ca</strong>re <strong>de</strong>pin<strong>de</strong> <strong>de</strong> următorii factori:<br />
a) latitudinea şi altitudinea locului;<br />
b) anotimp, zi şi oră;<br />
c) condiţiile atmosferice.<br />
4.Radiaţia solară totală inci<strong>de</strong>ntă reprezintă:<br />
a) suma radiaţiei directe, difuze şi reflectată;<br />
b) suma radiaţiei directe şi difuze;<br />
c) suma radiaţiei difuze şi reflectate.<br />
30
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
5.Formula lui Plank face legătura între:<br />
a) <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> putere şi temperatură;<br />
b) <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> putere şi lungimea <strong>de</strong> undă;<br />
c) <strong>de</strong>nsitatea <strong>de</strong> putere, temperatură şi lungimea <strong>de</strong> undă.<br />
3.3. LUCRARE DE VERIFICARE<br />
1. Expli<strong>ca</strong>ţi mo<strong>de</strong>lul “corp absolut negru”<br />
2. Care sunt componentele radiaţiei solare?<br />
3. Expli<strong>ca</strong>ţi efectul <strong>de</strong> seră.<br />
RĂSPUNSURI LA TESTELE DE AUTOEVALUARE<br />
1. A,B,C; 2. B; 3. A, B, C; 4. B; 5. C.<br />
31
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare 4<br />
ENERGIA SOLARĂ FOTOVOLTAICĂ. INTRODUCERE. CELULA<br />
FOTOVOLTAICĂ ŞI CARACTERISTICILE EI<br />
Unitatea <strong>de</strong> studiu 4.1<br />
Energia solară fotovoltaică. Introducere. Celula fotovoltaică şi <strong>ca</strong>racteristicile ei<br />
Cuprins<br />
4.1. Obiective<br />
4.2. Test <strong>de</strong> autoevaluare<br />
4.3. Lucrare <strong>de</strong> verifi<strong>ca</strong>re<br />
OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU 4.1<br />
- să explice factorii <strong>de</strong> <strong>ca</strong>re <strong>de</strong>pin<strong>de</strong> eficienţa celulei solare;<br />
-să clasifice celulele solare;<br />
-să enumere tipurile <strong>de</strong> siliciu din <strong>ca</strong>re se confecţionează celulele solare;<br />
-să explice principiul <strong>de</strong> funcţionare al celulei solare cu semiconductori;<br />
Energia solară fotovoltaică. Introducere. Celula fotovoltaică şi <strong>ca</strong>racteristicile ei<br />
Antoine Becquerel a <strong>de</strong>scoperit posibilitatea generării unui curent electric în circuit sub<br />
acţiunea luminii (în 1839).Frenkel (1935), Landau (1936) au dat expli<strong>ca</strong>ţii asupra<br />
fenomenului. Conversia radiaţiei solare în <strong>energie</strong> electrică prin efectul fotovoltaic se<br />
realizează în celule solare direct, fără etape intermediare <strong>de</strong> transformare în căldură.<br />
Celula solară: dispozitiv realizat cu materiale semiconductoare.<br />
Celulele solare pot fi cu:<br />
– semiconductoare monocristaline<br />
– straturi subţiri<br />
– policristaline sau amorfe<br />
– pe bază <strong>de</strong> Si cele cu GaAs: dau eficienţa <strong>de</strong> conversie ridi<strong>ca</strong>tă 18-25%<br />
– CdS policristalin, Si amorf hidrogenat: au randamente mai scăzute: 5-12%<br />
Apli<strong>ca</strong>ţii în <strong>ca</strong>re intervin celule solare <strong>ca</strong> generatoare electrice<br />
- generatoare izolate <strong>de</strong> mică putere (<strong>ca</strong>lculatoare <strong>de</strong> buzunar, radioreceptoare<br />
portabile)<br />
- generatoare lo<strong>ca</strong>le <strong>de</strong> putere medie ( aparate electro<strong>ca</strong>snice, vehicule electrice)<br />
- generatoare <strong>de</strong> mare putere (pentru alimentarea reţelei <strong>de</strong> curent alternativ).<br />
Factorii <strong>de</strong> <strong>ca</strong>re <strong>de</strong>pin<strong>de</strong> eficienţa celulei solare<br />
O celulă fotovoltaică transformă doar o parte din energia radiantă în <strong>energie</strong> electrică,<br />
restul se pier<strong>de</strong> <strong>ca</strong> urmare a unei serii <strong>de</strong> procese ce se petrec în timpul conversiei:<br />
- procese <strong>ca</strong>re intervin când energia este sub formă <strong>de</strong> radiaţie (pier<strong>de</strong>ri <strong>de</strong> radiaţie)<br />
- procese <strong>ca</strong>re intervin după ce energia radiantă a fost transferată semiconductorului<br />
- pentru fie<strong>ca</strong>re proces se poate <strong>de</strong>fini câte o “eficienţă parţială”:<br />
Eficienţa celulei rezultă <strong>ca</strong> un produs al tuturor “eficienţelor parţiale”:<br />
- pătrun<strong>de</strong>rea luminii prin suprafaţă<br />
- absorbţia incompletă<br />
- generarea purtătorilor<br />
- pier<strong>de</strong>ri <strong>de</strong> curent datorate recombinării<br />
- pier<strong>de</strong>ri <strong>de</strong> tensiune<br />
32
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Jumătate din energia absorbită <strong>de</strong> la soare se pier<strong>de</strong> sub formă <strong>de</strong> căldură. Această<br />
pier<strong>de</strong>re face <strong>ca</strong> maximul <strong>de</strong> eficienţă a celulelor fotovoltaice să fie în jur <strong>de</strong> 25%.O celulă<br />
solară constă din două sau mai multe straturi <strong>de</strong> material semiconductor, cel mai întâlnit fiind<br />
siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 şi 0,2 mm şi sunt dopate cu anumite<br />
elemente chimice pentru a forma joncţiuni „p” şi „n”. Această structură e similară cu a unei<br />
dio<strong>de</strong>. Când stratul <strong>de</strong> siliciu este expus la lumină se va produce o „agitaţie” a electronilor din<br />
material şi va fi generat un curent electric.<br />
Celulele, numite şi celule fotovoltaice, au <strong>de</strong> obicei o suprafaţă foarte mică şi curentul<br />
generat <strong>de</strong> o singură celulă este mic dar realizându-se combinaţii serie, paralel ale acestor<br />
celule se pot produce curenţi suficient <strong>de</strong> mari pentru a putea fi utilizaţi în practică. Pentru<br />
aceasta, celulele sunt în<strong>ca</strong>psulate în panouri <strong>ca</strong>re le oferă rezistenţă me<strong>ca</strong>nică şi la intemperii.<br />
Celulele solare pot fi clasifi<strong>ca</strong>te după mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este<br />
după grosimea stratului <strong>de</strong> material. Aici <strong>de</strong>osebim celule cu strat gros şi celule cu strat<br />
subţire.<br />
După structură <strong>de</strong> bază <strong>de</strong>osebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv<br />
amorfe.<br />
Strat gros<br />
-Celule monocristaline (c-Si)-randament mare - în producţia în serie se pot atinge până<br />
la peste 20 % randament energetic, tehnică <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>ţie pusă la punct; totuşi procesul <strong>de</strong><br />
fabri<strong>ca</strong>ţie este energofag, ceea ce are o influenţă negativă asupra perio<strong>de</strong>i <strong>de</strong> recuperare (timp<br />
în <strong>ca</strong>re echivalentul <strong>energie</strong>i consumate în procesul <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>re <strong>de</strong>vine egal <strong>ca</strong>ntitatea <strong>de</strong><br />
energia generată).<br />
- Celule policristaline (mc-Si)-la producţia în serie s-a atins <strong>de</strong>ja un randament<br />
energetic <strong>de</strong> peste la 16 %, cosum relativ mic <strong>de</strong> <strong>energie</strong> în procesul <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>ţie, şi până<br />
acum cu cel mai bun raport preţ – performanţă.<br />
Strat subţire<br />
-Celule cu siliciu amorf (a-Si)-cel mai mare segment <strong>de</strong> piaţă la celule cu strat subţire;<br />
randament energetic al modulelor <strong>de</strong> la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar<br />
şi la o producţie <strong>de</strong> ordinul TeraWatt<br />
-Celule pe bază <strong>de</strong> siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)-în combinaţie cu siliciul<br />
amorf randament mare; tehnologia aceeaşi <strong>ca</strong> la siliciul amorf.<br />
Celulele pe bază <strong>de</strong> siliciu se clasifică:<br />
1. Semiconductoare pe bază <strong>de</strong> elemente din grupa III-V Celule cu GaAs<br />
randament mare, foarte stabil la schimbările <strong>de</strong> temperatură, la încălzire o pier<strong>de</strong>re <strong>de</strong> putere<br />
mai mică <strong>de</strong>cât la celulele cristaline pe bază <strong>de</strong> siliciu, robust vizavi <strong>de</strong> radiaţia ultravioletă,<br />
tehnologie scumpă, se utilizează <strong>de</strong> obicei în industria spaţială (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)<br />
2. Semiconductoare pe bază <strong>de</strong> elemente din grupa II-VI Celule cu CdTe<br />
utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(<strong>de</strong>punere <strong>de</strong> staturi subţiri pe suprafeţe mari<br />
în mediu cu pH , temperatură şi concentraţie <strong>de</strong> reagent controlate) ; în laborator s-a atins un<br />
randament <strong>de</strong> 16 %, dar modulele fabri<strong>ca</strong>te până acum au atins un randament sub 10 %, nu se<br />
cunoaşte fiabilitatea. Din motive <strong>de</strong> protecţia mediului este improbabilă utilizarea pe s<strong>ca</strong>ră<br />
largă.<br />
3. Celule CIS, CIGS-CIS este prescurtarea <strong>de</strong> la Cupru-Indiu-Diselenid produs<br />
în staţie pilot la firma Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la<br />
firma Sulfurcell în Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în staţie pilot<br />
în Uppsala/Suedia. Producătorii <strong>de</strong> mai sus promit trecerea la producţia în masă în anul 2007.<br />
33
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
4. Celule solare pe bază <strong>de</strong> compuşi organici-Tehnologia bazată pe chimia<br />
organică furnizează compuşi <strong>ca</strong>re pot permite fabri<strong>ca</strong>rea <strong>de</strong> celule solare mai ieftine. Prezintă,<br />
totuşi, un impediment faptul că aceste celule au un randament redus şi o durată <strong>de</strong> viaţă<br />
redusă (max. 5000h). Încă (ianuarie 2007) nu există celule solare pe bază <strong>de</strong> compuşi organici<br />
pe piaţă.<br />
5. Celule pe bază <strong>de</strong> pigmenţi-Numite şi celule Grätzel utilizează pigmenţi<br />
naturali pentru transformarea luminii în <strong>energie</strong> electrică; o procedură ce se bazează pe<br />
efectul <strong>de</strong> fotosinteză. De obicei sunt <strong>de</strong> culoare mov.<br />
6. Celule cu electrolit semiconductor-De exemplu soluţia: oxid <strong>de</strong> cupru/NaCl.<br />
Sunt celule foarte uşor <strong>de</strong> fabrict dar puterea şi siguranţa în utilizare sunt limitate.<br />
7. Celule pe bază <strong>de</strong> polimeri-Deo<strong>ca</strong>mdată se află doar în fază <strong>de</strong> cercetare.<br />
Seleniul şi telurul se regăsesc în <strong>ca</strong>ntităţi mici în nămolul anodic rezultat în urma<br />
procesului <strong>de</strong> electroliză a cuprului iar producătorii <strong>de</strong> cupru utilizează doar o parte din<br />
nămolul rezultat pentru extragerea <strong>de</strong> telur şi seleniu. Actualmente celulele solare pe bază <strong>de</strong><br />
materiale semiconductoare sunt cele pe bază <strong>de</strong> siliciu.Celulele solare pe bază <strong>de</strong> materiale<br />
semiconductoare utilizate pentru producerea <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică sunt legate în module. Pe un<br />
modul se află mai multe rânduri <strong>de</strong> celule solare conectate în serie între ele pe faţa şi pe<br />
reversul modulului permiţând, datorită tensiunii însumate, utilizarea unor conductori cu<br />
secţiune mai mică <strong>de</strong>cât la legarea în paralel. Pentru protejarea unei celule solare împotriva<br />
efectului <strong>de</strong> avalanşă în joncţiune, datorată potenţialului mai mare (apărută <strong>de</strong> exemplu la<br />
umbrirea parţială a modulului), trebuie încorporate paralel cu celulele solare dio<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
protecţie(bypass)-fig.1,2.<br />
Fig.4.1. Principiul <strong>de</strong> funcţionare a celulei solare cu semiconductori: Fotonii inci<strong>de</strong>ntali eliberează<br />
electroni şi goluri, <strong>ca</strong>re se vor separa în câmpul electric al zonei <strong>de</strong> sarcină spaţială a joncţiunii p-n<br />
34
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig.4.2. Structura unei celule solare simple cu impurifi<strong>ca</strong>re pin - positive intrinsic negative.<br />
Celulele solare pe bază <strong>de</strong> materiale semiconductoare în principiu sunt construite <strong>ca</strong><br />
nişte fotodio<strong>de</strong> cu suprafaţă mare <strong>ca</strong>re însă nu se utilizează <strong>ca</strong> <strong>de</strong>tectoare <strong>de</strong> radiaţii ci<br />
<strong>ca</strong> surse <strong>de</strong> curent.Interesant la acest tip <strong>de</strong> semiconductoare este că prin absorbţie <strong>de</strong> <strong>energie</strong><br />
(căldură sau lumină) eliberează purtători <strong>de</strong> sarcină (electroni şi goluri). Este nevoie <strong>de</strong> un<br />
câmp electrostatic intern pentru <strong>ca</strong> din aceşti purtători să se creeze un curent electric<br />
dirijându-i în direcţii diferite. Acest câmp electric intern apare în dreptul unei joncţiuni p-n.<br />
Pentru că intensitatea fluxului luminos s<strong>ca</strong><strong>de</strong> exponenţial cu adâncimea, această joncţiune<br />
este necesar să fie cât mai aproape <strong>de</strong> suprafaţa materialului şi să se pătrundă cât mai adânc.<br />
Această joncţiune se creează prin impurifi<strong>ca</strong>rea controlată. Pentru a realiza profilul dorit, în<br />
mod normal se impurifică „n” un strat subţire <strong>de</strong> suprafaţă şi „p” stratul gros <strong>de</strong> <strong>de</strong><strong>de</strong>subt în<br />
urma căruia apare joncţiunea. Sub acţiunea fotonilor apar cupluri electron-gol în joncţiune,<br />
din <strong>ca</strong>re electronii vor fi acceleraţi spre interior, iar golurile spre suprafaţă. O parte din aceste<br />
cupluri electron-gol se vor recombina în joncţiune rezultând o disipare <strong>de</strong> căldură, restul<br />
curentului putând fi utilizat <strong>de</strong> un consumator, încăr<strong>ca</strong>t într-un acumulator sau prin<br />
intermediul unui invertor livrat în reţeaua publică. Tensiunea electromotare maximă la<br />
bornele unei celule solare (<strong>de</strong> exemplu la cele mai utilizate, celulele <strong>de</strong> siliciu cristaline) este<br />
<strong>de</strong> 0,5 V.<br />
Structura celulelor solare se realizează în aşa mod încât să absoarbă cât mai multă<br />
lumină şi să apară cât mai multe sarcini în joncţiune. Pentru aceasta electrodul <strong>de</strong> suprafaţă<br />
trebuie să fie transparent, contactele la acest strat să fie pe cât posibil <strong>de</strong> subţiri, pe suprafaţă<br />
se va apli<strong>ca</strong> un strat antireflectorizant pentru a micşora gradul <strong>de</strong> reflexie a luminii inci<strong>de</strong>nte.<br />
Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoarea negru-albăstruie a celulelor solare <strong>ca</strong>re<br />
fără aceasta ar avea o culoare gri-argintie. La celulele solare mo<strong>de</strong>rne se obţine din nitrat <strong>de</strong><br />
siliciu prin proce<strong>de</strong>ul PE-CVD(pe o suprafaţă încălzită se <strong>de</strong>pun în urma unei reacţii chimice<br />
componente extrase dintr-o fază gazoasă) un strat antireflectorizant <strong>de</strong> c<strong>ca</strong> 70 nm grosime<br />
(sfert <strong>de</strong> lungime <strong>de</strong> undă la un coeficient <strong>de</strong> refracţie <strong>de</strong> 2,0). Se mai utilizează straturi<br />
reflectorizante din SiO2 şi TiO2 ce se <strong>de</strong>pun prin proce<strong>de</strong>ul AP-CVD. Grosimea stratului<br />
influenţează culoarea celulei (culoarea <strong>de</strong> interferenţă). Grosimea stratului trebuie să fie cât<br />
se poate <strong>de</strong> uniformă, <strong>de</strong>oarece abateri <strong>de</strong> câţiva nanometri măresc gradul <strong>de</strong> reflexie.<br />
Celulele îşi datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce corespun<strong>de</strong> lungimii <strong>de</strong><br />
undă a culorii roşii, culoarea cea mai bine absorbită <strong>de</strong> siliciu. În principiu însă în acest mod<br />
se pot realiza celule roşii, galbene, sau verzi la cerinţe arhitectonice <strong>de</strong>osebite, dar vor avea<br />
un randament mai slab. În <strong>ca</strong>zul nitratului <strong>de</strong> siliciu şi a bioxidului <strong>de</strong> siliciu stratul<br />
antireflectorizant mai are şi un rol <strong>de</strong> a reduce viteza <strong>de</strong> recombinare superficială. Dacă la<br />
35
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
început pentru producerea celulelor solare se utilizau <strong>de</strong>şeuri rezultate din alte procese<br />
tehnologice pe bază <strong>de</strong> semiconductori, astăzi se apelează la materiale fabri<strong>ca</strong>te special în<br />
acest scop. Pentru industria semiconductorilor siliciul este materialul aproape i<strong>de</strong>al. Este<br />
ieftin, se poate produce întru-un singur cristal la un înalt grad <strong>de</strong> puritate şi se poate<br />
impurifi<strong>ca</strong>(dota) în semiconductor <strong>de</strong> tip “n” sau “p”. Prin simpla oxidare se pot crea straturi<br />
izolatoare subţiri. Totuşi lărgimea zonei interzise fac siliciul mai puţin potrivit pentru<br />
exploatarea directă a efectului fotoelectric. Celulele solare pe bază pe siliciu cristalin necesită<br />
o grosime <strong>de</strong> strat <strong>de</strong> cel puţin 100 µm sau mai mult pentru a putea absorbi eficient lumina<br />
solară. La celulele cu strat subţire <strong>de</strong> tip semiconductor direct <strong>ca</strong> <strong>de</strong> exemplu GaAs sau chiar<br />
siliciu cu structura cristalină puternic perturbată sunt suficiente 10 µm.<br />
În funcţie <strong>de</strong> starea cristalină se <strong>de</strong>osebesc următoarele tipuri <strong>de</strong> siliciu:<br />
Monocristaline- Celulele rezultă din aşa numitele Wafer (plăci <strong>de</strong> siliciu dintr-un<br />
cristal). Aceste cristale reprezintă materia <strong>de</strong> bază pentru industria <strong>de</strong> semiconductori<br />
şi sunt <strong>de</strong>stul <strong>de</strong> scumpe.<br />
Policristaline- Celulele sunt din plăci <strong>ca</strong>re conţin zone cu cristale cu orientări diferite.<br />
Acestea pot fi fabri<strong>ca</strong>te <strong>de</strong> exemplu prin proce<strong>de</strong>ul <strong>de</strong> turnare, sunt mai ieftine şi <strong>ca</strong><br />
atare cele mai răspândite în producţia <strong>de</strong> dispozitive fotovoltaice. Deseori ele se<br />
numesc şi celule solare policristaline.<br />
Amorfe -Celulele solare constau dintr-un strat subţire <strong>de</strong> siliciu amorf (fără<br />
cristalizare) şi din această <strong>ca</strong>uză se numesc celule cu strat subţire. Se pot produce <strong>de</strong><br />
exemplu prin proce<strong>de</strong>ul <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsare <strong>de</strong> vapori <strong>de</strong> siliciu şi sunt foarte ieftine, dar au<br />
un randament scăzut în spectru <strong>de</strong> lumină solară, totuşi au avantaje la lumină slabă.<br />
Microcristaline- Acestea sunt celule cu strat subţire cu structură microcristalină. Au<br />
un randament mai bun <strong>de</strong>cât celulele amorfe şi nu au un strat atât <strong>de</strong> gros <strong>ca</strong> cele<br />
policristaline.<br />
Celule solare tan<strong>de</strong>m- sunt straturi <strong>de</strong> celule solare suprapuse, <strong>de</strong> obicei o combinaţie<br />
<strong>de</strong> straturi policristaline şi amorfe. Straturile sunt din materiale diferite şi astfel<br />
acordate pe domenii diferite <strong>de</strong> lungimi <strong>de</strong> undă a luminii. Prin utilizarea unui spectru<br />
mai larg din lumina solară, aceste celule au un randament mai mare <strong>de</strong>cât celulele<br />
solare simple. Se utilizează parţial la fabri<strong>ca</strong>rea <strong>de</strong> panouri solare dar sunt relativ<br />
scumpe. O ieftinire apreciabilă se va obţine prin utilizarea în combinaţie cu sisteme <strong>de</strong><br />
lentile, aşa numitele sisteme <strong>de</strong> concentrare.<br />
Celulele solare obişnuite pot fi confecţionate după mai multe meto<strong>de</strong> <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>ţie. Din<br />
siliciul brut printr-un proces <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>ţie în trepte bazat pe triclorsilan se obţine siliciul<br />
policristalin <strong>de</strong> cea mai mare puritate. Pentru fabri<strong>ca</strong>rea <strong>de</strong> celule solare este foarte<br />
importantă puritatea plăcii <strong>de</strong> siliciu în toată masa ei pentru a asigura o cât mai mare durată<br />
<strong>de</strong> viaţă pentru purtătorii <strong>de</strong> sarcină, pe când în microelectronică cerinţa <strong>de</strong> foarte înaltă<br />
puritate se rezumă în principiu la stratul superior până la o adâncime <strong>de</strong> 20-30 µm. Deoarece<br />
între timp consumul <strong>de</strong> siliciu <strong>de</strong> înaltă puritate pentru fabri<strong>ca</strong>rea <strong>de</strong> celule fotovoltaice a<br />
întrecut pe cel pentru microelectronică, actualmente se fac cercetări intense pentru elaborarea<br />
<strong>de</strong> proce<strong>de</strong>e <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>re speciale mai ieftine optimizate pentru celule solare.<br />
Cu toate că procesul <strong>de</strong> producţie a siliciului pur este foarte energofag, energia<br />
consumată la fabri<strong>ca</strong>rea celulelor solare, în funcţie <strong>de</strong> tehnologia utilizată, se poate recupera<br />
în 1,5 până la 7 ani. Dacă se ia în consi<strong>de</strong>rare că durata <strong>de</strong> viaţă a panourilor solare este <strong>de</strong><br />
peste 20 ani bilanţul energetic rezultat este pozitiv.<br />
Celulele solare cu strat subţire se găsesc în diferite variante după substrat şi materialul<br />
con<strong>de</strong>nsat având o varietate a proprietăţilor fizice şi a randamentului pe măsură. Celulele<br />
36
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
solare cu strat subţire se <strong>de</strong>osebesc <strong>de</strong> celulele tradiţionale (celule solare cristaline bazate pe<br />
plăci <strong>de</strong> siliciu) înainte <strong>de</strong> toate în tehnologia <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>ţie şi grosimea stratului materialului<br />
întrebuinţat. Proprietăţile fizice ale siliciului amorf, <strong>ca</strong>re se <strong>de</strong>osebesc <strong>de</strong> cele ale siliciului<br />
cristalin <strong>de</strong>termină proprietăţile celulelor solare.<br />
La celulele solare cristaline lumina este absorbită <strong>de</strong>ja într-un strat superficial (<strong>de</strong> o<br />
adâncime <strong>de</strong> c<strong>ca</strong> 10 µm). În comparaţie cu celulele din plăci <strong>de</strong> siliciu cristalin, celulele cu<br />
strat subţire sunt <strong>de</strong> 100 <strong>de</strong> ori mai subţiri. Celulele cu strat subţire se obţin <strong>de</strong> cele mai multe<br />
ori prin con<strong>de</strong>nsarea din fază gazoasă direct pe un material purtător <strong>ca</strong>re poate fi sticlă, folie<br />
metalică, material sintetic sau alt material.<br />
Una din proprietăţile avantajoase a celulelor cu strat subţire constă în faptul că nu<br />
necesită un substrat rigid <strong>ca</strong> <strong>de</strong> exemplu sticlă sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce pot<br />
fi fixate pe rucsac sau cusute pe haină, se acceptă un randament mai scăzut <strong>de</strong>oarece factorul<br />
greutate este mai important <strong>de</strong>cât transformarea optimă a Celule cu concentrator -La acest<br />
tip <strong>de</strong> celulă se economiseşte suprafaţă <strong>de</strong> material semiconductor prin faptul că lumina este<br />
concentrată pe o suprafaţă mai mică prin utilizarea lentilelor, acestea fiind mult mai ieftine<br />
<strong>de</strong>cât materialul semiconductor. În mare parte la acest tip <strong>de</strong> celule se utilizează<br />
semiconductori pe bază <strong>de</strong> elemente din grupa III-V <strong>de</strong> multe ori apli<strong>ca</strong>te în tan<strong>de</strong>m sau pe<br />
trei straturi. Din <strong>ca</strong>uza utilizării lentilelor, panourile cu acest tip <strong>de</strong> celule trebuie orientate<br />
mereu perpendicular pe direcţia razelor solare.<br />
Celule solare electrochimice pe bază <strong>de</strong> pigmenţi-Acest tip ce celule se mai numesc şi<br />
celule Grätzel. Spre <strong>de</strong>osebire <strong>de</strong> celulele prezentate pînă acum la celule Grätzel curentul se<br />
obţine prin absorbţie <strong>de</strong> lumină cu ajutorul unui pigment, utilizându-se oxidul <strong>de</strong> titan <strong>ca</strong><br />
semiconductor. Ca pigmenţi se utilizează în principiu legături complexe al metalului rar<br />
ruthenium, dar în scop <strong>de</strong>monstrativ se pot utiliza şi pigmenţi organici, <strong>de</strong> exemplu clorofila,<br />
sau anthocian (din mure).<br />
Celulele solare din compuşi organici -utilizează legături <strong>ca</strong>rbon-hidrogen <strong>ca</strong>re au<br />
proprietăţi semiconductoare. În aceşti semiconductori lumina excită goluri/electroni din<br />
legăturile <strong>de</strong> valenţă, <strong>ca</strong>re însă au un spectru <strong>de</strong> lungime <strong>de</strong> undă <strong>de</strong>stul <strong>de</strong> restrâns. De aceea<br />
<strong>de</strong>seori se utilizează două materiale semiconductoare cu nivele <strong>de</strong> <strong>energie</strong> puţin diferite<br />
pentru a împiedi<strong>ca</strong> dispariţia acestor purtători. Randamentul pe o suprafaţă <strong>de</strong> 1cm² se<br />
cifrează la maximal 5 %.<br />
4.2.TEST DE AUTOEVALUARE<br />
1.Celulele solare se clasifică, după grosimea stratului <strong>de</strong> material, în:<br />
a) celule cu strat gros;<br />
b) celule amorfe;<br />
c) celule cu strat subţire.<br />
2.Structura celulelor solare se realizează astfel încât:<br />
a) să absoarbă cât mai multă lumină;<br />
b) să apară cât mai multe sarcini în joncţiune;<br />
c) să elibereze purtători <strong>de</strong> sarcină<br />
37
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
3.În timpul conversiei <strong>energie</strong>i radiante în <strong>energie</strong> electrică, o celulă fotovoltaică pier<strong>de</strong><br />
<strong>energie</strong>:<br />
a) datorită radiaţiei;<br />
b) datorită absorbţiei incomplete;<br />
c) la transferul în semiconductor<br />
4.3. LUCRARE DE VERIFICARE<br />
1. Enumeraţi şi <strong>de</strong>scrieţi tipurile <strong>de</strong> celule fotovoltaice cunoscute.<br />
2. Expli<strong>ca</strong>ţi construcţia şi funcţionarea celulelor pe bază <strong>de</strong> materiale semiconductoare.<br />
3. Care sunt tipurile <strong>de</strong> siliciu folosite în construcţia celulelor solare în funcţie <strong>de</strong> starea<br />
cristalină?<br />
RĂSPUNSURI LA TESTUL DE AUTOEVALUARE<br />
1. A, C ; 2. A, B, C ; 3. A, B, C .<br />
38
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare 5<br />
ENERGIA SOLARĂ FOTOVOLTAICĂ. PARAMETRII CELULELOR ŞI<br />
MODULELOR PV. INFLUENTA RADIATIEI SOLARE ŞI TEMPERATURII<br />
ASUPRA CARACTERISTICILOR CELULELOR ŞI MODULELOR PV. MODULE<br />
FOTOVOLTAICE<br />
Unitatea <strong>de</strong> studiu 5.1<br />
Energia solară fotovoltaică. Parametrii celulelor şi modulelor PV. Influenţa radiaţiei solare şi<br />
temperaturii asupra <strong>ca</strong>racteristicilor celulelor şi modulelor PV, module fotovoltaice<br />
Cuprins:<br />
5.1. Obiective<br />
5.2. Test <strong>de</strong> autoevaluare<br />
5.3. Lucrare <strong>de</strong> verifi<strong>ca</strong>re<br />
5.1. OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU<br />
-să indice <strong>ca</strong>racteristicile tehnice ale celulei solare<br />
-să explice schemele <strong>de</strong> conectare şi echivalente ale unei celule solare<br />
-să explice construcţia şi principiul <strong>de</strong> funcţionare al unei celule fotovoltaice<br />
-să <strong>de</strong>finească parametrii celulelor şi modulelor PV<br />
Energia solară fotovoltaică. Parametrii celulelor şi modulelor PV. Influenta radiatiei<br />
solare şi temperaturii asupra <strong>ca</strong>racteristicilor celulelor şi modulelor PV. Module<br />
fotovoltaice<br />
Caracteristici tehnice.<br />
Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt daţi pentru condiţii standard (STC, Standard<br />
Test Conditions.:<br />
Intensitate luminoasă <strong>de</strong> 1000 W/m 2 în zona panoului,<br />
Temperatura celulei solare constant 25 °C,<br />
Spectrul luminii AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904.<br />
AM 1,5 global indică slăbirea luminii solare la suprafaţa pământului în funcţie <strong>de</strong><br />
latitudine datorită parcurgerii unei mase mai mari <strong>de</strong> aer proporţional cu latitudinea (în acest<br />
<strong>ca</strong>z se consi<strong>de</strong>ră latitudinea <strong>de</strong> 50°). În iarnă condiţiile corespund unor valori <strong>de</strong> AM 4 până<br />
la AM 6. Prin absorbţie atmosferică şi spectrul luminii ce <strong>ca</strong><strong>de</strong> pe panou se <strong>de</strong>plasează.<br />
Global indică faptul că lumina este compusă atât din lumina difuză cât şi din cea directă. Este<br />
<strong>de</strong> remar<strong>ca</strong>t că în realitate în<strong>de</strong>osebi vara la prânz, temperatura celulelor solare (în funcţie <strong>de</strong><br />
poziţie, condiţii <strong>de</strong> vânt etc.) poate atinge 30 până la 60 °C ceea ce are <strong>ca</strong> urmare o scă<strong>de</strong>re<br />
a randamentului. Din acest motiv se ia în <strong>ca</strong>lcul un alt parametru, PNOCT <strong>ca</strong>re indică puterea la<br />
temperatura <strong>de</strong> funcţionare normală (normal operating cell temperature).<br />
Prescurtări utilizate:<br />
SC: Short Circuit - scurtcircuit<br />
OC: Open Circuit - mers în gol<br />
MPP: Maximum Power Point - punctul <strong>de</strong> putere maximă<br />
PR: Performance Ratio Qualitätsfaktor Factor <strong>de</strong> performanţă, indică porţiunea în <strong>ca</strong>re<br />
panoul furnizează curentul la valori nominale.<br />
Caracteristicile unei celule solare sunt:<br />
39
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Tensiunea <strong>de</strong> mers în gol UOC (auch VOC)<br />
Curentul <strong>de</strong> scurtcircuit ISC<br />
Tensiunea în punctul optim <strong>de</strong> funcţionare UMPP (auch VMPP)<br />
Curentul în punctual <strong>de</strong> putere mazimă IMPP<br />
Puterea maximă estimatăPMPP<br />
Factor <strong>de</strong> umplere<br />
Coeficient <strong>de</strong> modifi<strong>ca</strong>re a puterii cu temperatura celulei<br />
Randamentul celulei solare la o suprafaţă iluminată A şi intensitate luminoasă Popt<br />
40<br />
(5.1)<br />
(5.2)<br />
Celulele solare <strong>de</strong>ci pot ceda o putere <strong>de</strong> 160 W/ m². Incluse în module puterea pe<br />
suprafaţă va fi mai scăzută pentru că între celule şi marginea modulului este o distanţă.<br />
Randamentul este raportul dintre puterea <strong>de</strong>bitată <strong>de</strong> panou şi putere conţinută în<br />
lumina inci<strong>de</strong>ntă totală. Semiconductoarele cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a<br />
luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins în acest <strong>ca</strong>z este <strong>de</strong> 33 %, pe<br />
când randamentul teoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise <strong>ca</strong>re reacţionează<br />
la toate lungimile <strong>de</strong> undă a luminii solare este <strong>de</strong> 85 %.<br />
Tabelul 5.1<br />
Material Randament(AM1,5) Durată <strong>de</strong> viaţă Costuri<br />
Siliciu amorf 5-10 % < 20 J ani<br />
Siliciu policristalin 10-15 % 25-30 ani 5 EUR/W<br />
Siliciu monocristalin 15-20 % 25-30 ani 10 EUR/W<br />
Arseniura <strong>de</strong> galiu (monostrat) 15-20 %<br />
Arseniura <strong>de</strong> galiu (două straturi) 20 %<br />
Arseniura <strong>de</strong> galiu (trei straturi) 25 % (30% la AM0) >20 ani 20-100 EUR/W<br />
Randamentul celulelor solare comerciale este <strong>de</strong> c<strong>ca</strong> 20 %, iar modulele construite cu<br />
acestea ating un randament <strong>de</strong> c<strong>ca</strong> 17 %. Recordul pentru celulele fabri<strong>ca</strong>te în condiţii <strong>de</strong>
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
laborator este <strong>de</strong> 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din <strong>ca</strong>re s-au<br />
confecţionat panouri cu un randament <strong>de</strong> <strong>22</strong> %. Preţul acestor module fabri<strong>ca</strong>te prin<br />
proce<strong>de</strong>ul <strong>de</strong> topire zonală este <strong>de</strong> c<strong>ca</strong> 200 Euro pe celulă la o suprafaţă a celulei <strong>de</strong> 21,6 cm 2 ,<br />
corespunzând unui cost <strong>de</strong> 5-10 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri <strong>de</strong> 5 până la 10 ori mai<br />
mari-tabelul 1.<br />
Îmbătrânirea conduce la scă<strong>de</strong>rea randamentului cu c<strong>ca</strong> 10 % în 25 ani. Fabri<strong>ca</strong>nţii dau<br />
garanţii pe cel puţin 80 % din puterea maximă în 20 ani. În spaţiu constanta solară este mai<br />
mare <strong>de</strong>cât iluminarea globală pe pământ, totodată celulele solare îmbătrânesc mai repe<strong>de</strong>.<br />
Panourile pentru sateliţi ating un randament <strong>de</strong> 25 % la o durată <strong>de</strong> viaţă <strong>de</strong> 15 ani.<br />
Scheme <strong>de</strong> conectare<br />
Fig.5.1 Schemă <strong>de</strong> conectare şi schemă echivalentă a unei celule solare<br />
Semnul convenţional pentru o celulă solară se indică asemănător unei dio<strong>de</strong> sau<br />
fotodio<strong>de</strong> prin intermediul unei săgeţi în sensul curentului pentru conectare. Caracteristi<strong>ca</strong><br />
unei celule solare se <strong>de</strong>osebeşte totuşi <strong>de</strong> cea a unei fotodio<strong>de</strong> i<strong>de</strong>ale. Pentru a mo<strong>de</strong>la aceste<br />
diferenţe, există mai multe scheme echivalente-fib.1.<br />
Schema echivalentă simplifi<strong>ca</strong>tăeste compusă dintr-o <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> curent legată în paralel<br />
cu o diodă i<strong>de</strong>ală. Această <strong>sursă</strong> produce un curent <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>nt <strong>de</strong> intensitatea luminii şi este<br />
mo<strong>de</strong>lat <strong>de</strong> fotocurentul IPh. La valoare curentului total contribuie şi curentul prin diodă, ID.<br />
41<br />
(5.3)<br />
Schemă echivalentă extinsă (Mo<strong>de</strong>l cu una sau două dio<strong>de</strong>)-fig5.2<br />
Fig.5.2 Mo<strong>de</strong>l <strong>de</strong> celululă solară cu o diodă<br />
Schema extinsă ţine cont <strong>de</strong> parametrii reali ai elementelor componente <strong>ca</strong>re apar în<br />
procesul <strong>de</strong> fabri<strong>ca</strong>ţie. Prin aceasta se încearcă mo<strong>de</strong>larea cît mai exactă din punct <strong>de</strong> ve<strong>de</strong>re<br />
electric a celulei solare.<br />
Faţă <strong>de</strong> schema echivalentă simplifi<strong>ca</strong>tă la cea extinsă cu o diodă, schema se întregeşte<br />
cu o rezistenţă legată în paralel şi una legată în serie.<br />
Rezistenţa în paralel Rp ia în consi<strong>de</strong>rare <strong>de</strong>fectele <strong>de</strong> cristal, impurificări neomogene<br />
şi <strong>de</strong>fecte <strong>de</strong> material prin <strong>ca</strong>re apar curenţi <strong>de</strong> pier<strong>de</strong>re <strong>ca</strong>re traversează joncţiunea pn.<br />
La celule solare bine construite această rezistenţă este relativ mare.
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Cu rezistenţa în serie Rs se iau în consi<strong>de</strong>rare efectele în urma cărora creşte rezistenţa<br />
totală a elementelor componente. Acestea sunt în principal rezistenţa<br />
semiconductorului, rezistenţa contactelor şi a legăturilor. La celulele solare această<br />
rezistenţă trebuie să fie cât se poate <strong>de</strong> mică.<br />
Formula pentru curentul total în acest mo<strong>de</strong>l este o funcţie recursivă şi arată astfel:<br />
Fig.5.3 Mo<strong>de</strong>l cu două dio<strong>de</strong> cu <strong>sursă</strong> cu limitare <strong>de</strong> tensiune la efectul <strong>de</strong> avalanşă la tensiune inversă.<br />
42<br />
(5.4)<br />
Faţă <strong>de</strong> cea anterioară aceastei scheme i se mai adaugă o diodă cu alţi parametri pentru<br />
a evi<strong>de</strong>nţia funcţionarea în regim <strong>de</strong> tensiune inversă. Formulele pentru această schemă<br />
conţin referiri la conductivitatea gb, tensiunea <strong>de</strong> străpungere Ub şi coeficientul exponenţial<br />
<strong>de</strong> avalanşă nb şi arată astfel:<br />
(5.5)<br />
Amortizarea energetică este momentul în <strong>ca</strong>re energia consumată pentru fabri<strong>ca</strong>rea<br />
celulei fotovoltaice este egalată <strong>de</strong> cea produsă în timpul exploatării. Cel mai bine se prezintă<br />
din acest punct <strong>de</strong> ve<strong>de</strong>re celulele cu strat subţire. Un panou solar (fără <strong>ca</strong>dru) cu astfel <strong>de</strong><br />
celule se amortizează în 2-3 ani. Celulele policristaline necesită până la amortizare c<strong>ca</strong> 3-5<br />
ani, pe când cele monocristaline 4-6 ani. Deoarece un sistem cu panouri solare inclu<strong>de</strong> şi<br />
suporţii <strong>de</strong> montare, invertor etc. , durata <strong>de</strong> amortizare energetică se măreşte cu c<strong>ca</strong> 1 an.<br />
Construcţia şi principiul <strong>de</strong> funcţionare. Celula fotovoltaică este un dispozitiv<br />
optoelectronic, a cărui funcţionare se datorează efectului generării <strong>de</strong> către lumină a<br />
purtătorilor <strong>de</strong> sarcină liberi şi separarea lor <strong>de</strong> către câmpul electric intern al joncţiunilor pn,MOS<br />
sau Schottky. Ca material iniţial pentru fabri<strong>ca</strong>re se utilizează siliciu cristalin sau<br />
policristalin, în <strong>ca</strong>re prin diverse meto<strong>de</strong> tehnologice se formează straturi cu diverse<br />
conductibilităţi pentru a obţine joncţiunea p-n. Materialul semiconductor <strong>de</strong> bază ce se<br />
foloseşte pentru producerea celulelor PV este siliciul. În tabel se prezintă randamentul<br />
conversiei PV bazate pe 3 tipuri <strong>de</strong> materiale fotovoltaice: siliciu cristalin, siliciu<br />
policristalin şi siliciu amorf.<br />
Tehnologia siliciului policristalin şi cristalin este cea mai avansată, asigură producerea<br />
<strong>de</strong> module PV la s<strong>ca</strong>ră industrială cu un randament <strong>de</strong> 14-17% şi cu o durată <strong>de</strong> viaţă a
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
modulelor <strong>de</strong> 30 <strong>de</strong> ani. Această tehnologie are un <strong>de</strong>zavantaj: potenţial limitat <strong>de</strong> scă<strong>de</strong>re în<br />
viitor a costurilor <strong>de</strong> producere a celulelor PV. Tehnologia siliciului amorf şi a siliciului în<br />
straturi subţiri are perspectivă. Costurile unui watt produs cu aceste tehnologii va scă<strong>de</strong>a<br />
până la 1-€ - cost limită la <strong>ca</strong>re energia electrică PV <strong>de</strong>vine mai ieftină <strong>de</strong>cât energia electrică<br />
produsă din surse fosile.<br />
In fig. 4 este prezentată schema constructivă simplifi<strong>ca</strong>tă a celulei PV având la bază<br />
material semiconductor <strong>de</strong> tip p. Analizăm fenomenele <strong>ca</strong>re au loc în <strong>ca</strong>zul când celula PV<br />
este expusă unei radiaţii inci<strong>de</strong>nte . Această radiaţie poate fi echivalată cu un flux <strong>de</strong> fotoni,<br />
<strong>ca</strong>re au energia E=hv ,un<strong>de</strong> h este constanta lui Planck, iar v este frecvenţa fotonilor. Dacă<br />
energia fotonului este mai mare <strong>ca</strong> energia benzii energetice interzise a semiconductorului,<br />
atunci, în urma interacţiunii fotonului cu un atom, electronul din banda <strong>de</strong> valenţă va trece în<br />
banda <strong>de</strong> conducţie şi, <strong>de</strong>ci, o <strong>energie</strong> mai mică. iar fotonul B are o frecvenţă mai mare şi,<br />
corespunzător, o <strong>energie</strong> mai mare (unda electromagnetică cu frecvenţă mică pătrun<strong>de</strong> în<br />
material la adâncimi mai mari şi invers). Purtătorii <strong>de</strong> sarcină liberi sunt separaţi <strong>de</strong> câmpul<br />
electric al joncţiunii p-n, <strong>ca</strong>racterizat prin potenţialul <strong>de</strong> barieră U0 şi <strong>ca</strong>re, în funcţie <strong>de</strong> tipul<br />
semiconductorului folosit, este <strong>de</strong> cir<strong>ca</strong> 0,2 - 0,7 V.<br />
A. B.<br />
Fig.5.4. Schema constructivă a celulei fotovoltaice.<br />
Aici, câmpul electric va avea rolul <strong>de</strong> separator <strong>de</strong> sarcini libere - perechi electronigoluri.<br />
Electronii vor fi dirijaţi spre zona n. golurile - spre zona p a celulei. Acesta este<br />
motivul pentru <strong>ca</strong>re, sub influenţa luminii, zona p se în<strong>ca</strong>rcă pozitiv, iar zona n se în<strong>ca</strong>rcă<br />
negativ, ceea ce conduce la apariţia unui curent electric prin circuitul extern, <strong>de</strong>terminat <strong>de</strong><br />
conversia fotovoltaică a radiaţiei solare. Acest curent, (fig. 4-A ), duce la o că<strong>de</strong>re <strong>de</strong> tensiune<br />
U pe sarcina externă R. conectată la contactele din spate şi contactul-grilă frontal (fig. 4.B).<br />
Tensiunea U, în raport eu joncţiunea p-n acţionează în sens direct şi, la rândul său, va<br />
<strong>de</strong>termina prin joncţiune curentul dio<strong>de</strong>i Id <strong>de</strong> sens opus curentului fotovoltaic Is <strong>ca</strong>re se<br />
<strong>de</strong>termină din expresia cunoscută:<br />
43<br />
, (5.6)<br />
un<strong>de</strong>: I0- este intensitatea curentului <strong>de</strong> saturaţie; k - constanta lui Boltzmann; T- temperatura<br />
absolută; e - sarcina electronului.<br />
Caracteristicile celulei fotovoltaice. Caracteristicile principale ale celulei PV sunt:<br />
<strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> amper-volt I(U) sau volt-amper U(I) şi <strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> <strong>de</strong> putere P(U). Curentul<br />
în circuitul exterior I se <strong>de</strong>termină <strong>ca</strong> diferenţă dintre curentul fotovoltaic Is şi curentul dio<strong>de</strong>i<br />
Id :
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
44<br />
, (5.7)<br />
Ecuaţiei (5.7) îi corespun<strong>de</strong> schema echivalentă simplifi<strong>ca</strong>tă a celulei PV, prezentată în<br />
fig. (5, a). Dacă se ţine seama <strong>de</strong> rezistenţa Ri , <strong>de</strong> scurgeri prin joncţiunea p-n a celulei PV şi<br />
<strong>de</strong> rezistenţa serie a celulei Rs , se poate înlocmi o schemă echivalentă completă a celulei PV<br />
(fig. 5.b). Cu tehnologiile mo<strong>de</strong>rne se obţin celule cu Ri= şi Rs = 0 , astfel încât schema<br />
echivalentă simplifi<strong>ca</strong>tă este satisfăcătoare.<br />
a).<br />
c).<br />
d).<br />
b).
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig.5.5. Scheme echivalente ale celulei PV: a- simplifi<strong>ca</strong>ta; b- completa; c,d- <strong>ca</strong>racteristicile celulei.<br />
Puterea electrică cedată sarcinii R a unei celule PV este:<br />
45<br />
, (5.8)<br />
Valoarea maximă a acestei puteri se obţine într-un punct M al <strong>ca</strong>racteristicii curenttensiune,<br />
ale cărui coordonate sunt rezultate din condiţia dP/dU=0:<br />
,<br />
, (5.9)<br />
un<strong>de</strong>: UT=kT/e<br />
Pentru o sarcină pasivă, valoarea optimă a rezistenţei sarcinii va fi:<br />
. (5.10)<br />
Parametrii celulelor şi modulelor PV. În <strong>ca</strong>rtea tehnică a produsului, producătorii <strong>de</strong><br />
celule şi module PV indică parametrii ridi<strong>ca</strong>ţi în condiţii standard:<br />
■ radiaţia solară globală pe suprafaţa celulei, G=1000 W/m 2<br />
■ temperatura celulei, TC = 25 0 C<br />
■ masa convenţională <strong>de</strong> aer, AM =1,5.<br />
În mod obligatoriu, în <strong>ca</strong>rtea tehnică se prezintă: curentul <strong>de</strong> scurtcircuit, Isc ;tensiunea<br />
<strong>de</strong> mers în gol, U0 ; puterea maximă sau critică, Pc ; tensiunea şi curentul în punctul critic, UM<br />
şi IM. Pe lângă aceşti parametri, pot fi indi<strong>ca</strong>ţi suplimentar: factorul <strong>de</strong> umplere (Fill Factor),<br />
FF, randamentul celulei sau modulului PV, Temperatura Normală <strong>de</strong> Funcţionare a Celulei<br />
NOCT, coeficienţii <strong>de</strong> variaţie a tensiunii <strong>de</strong> mers în gol şi a curentului dc scurtcircuit cu<br />
temperatura.<br />
Curentul <strong>de</strong> scurtcircuit. Se obţine la scurcircuitarea bornelor sarcinii R din fig. 5. Pe<br />
<strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> I-U acesta este punctul cu coordonatele U = 0. I= Isc . Din expresia (5.7), pentru<br />
U = 0, obţinem Isc = 1. Puterea furnizată este egală cu zero.<br />
Tensiunea <strong>de</strong> mers în gol. Corespun<strong>de</strong> punctului <strong>de</strong> pe <strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> I-U cu<br />
coordonatele I = 0, U = U0 . Puterea <strong>de</strong>bitată în acest punct este egală cu zero .Tensiunea <strong>de</strong><br />
mers în gol poate fi <strong>de</strong>terminată din (5.7) pentru I= 0:
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
46<br />
(5.11)<br />
Pentru o celulă din siliciu raportul Is/I0, este <strong>de</strong> cir<strong>ca</strong> 10 10 , factorul k T/e, numit şi<br />
tensiune termică, este egal cu 26 mV. Astfel U0= 0,6 V.<br />
Puterea critică sau maximă. Este produsul dintre curent şi tensiunea<br />
în punctul M a <strong>ca</strong>racteristicii I-V. În engleză acest parametru se numeşte peak<br />
power şi se notează PC .<br />
(5.12)<br />
Din punct <strong>de</strong> ve<strong>de</strong>re geometric, puterea critică PC corespun<strong>de</strong> punctelor <strong>de</strong> tangenţă ale<br />
hiperbolelor P= UI =const. către <strong>ca</strong>racteristicile amper-volt I-U. (vezi fig.5,d).Factorul <strong>de</strong><br />
umplere se <strong>de</strong>termină cu raportul între suprafeţele dreptunghiurilor OUMMIM şi OU0KISC-(fig.<br />
2.75,c) sau:<br />
, (5.13)<br />
<strong>de</strong> un<strong>de</strong>:<br />
. (5.14)<br />
Factorul <strong>de</strong> umplere este măsura <strong>ca</strong>lităţii celulei PV. Cu cât este mai mică rezistenţa<br />
internă RS a celulei PV, cu atât FF este mai mare. De obicei FF > 0,7.<br />
Randamentul celulei sau al modulului PV. Se <strong>de</strong>termină <strong>ca</strong> raportul dintre puterea<br />
generată <strong>de</strong> celula sau modulul PV în punctul optim <strong>de</strong> funcţionare M la o temperatură<br />
specifi<strong>ca</strong>tă şi puterea radiaţiei solare.<br />
, (5.15)<br />
un<strong>de</strong> PC este puterea livrată în W; A este suprafaţa celulei sau modulului în m; G - radiaţia<br />
globală inci<strong>de</strong>ntă pe suprafaţa celulei sau modulului în W/m 2 .<br />
Un modul PV cu randamentul <strong>de</strong> 12% şi aria suprafeţei <strong>de</strong> 1 m 2 , expus la radiaţie solară<br />
egală cu 1000 W/m 2 va produce aproximativ 120 W.<br />
În condiţii <strong>de</strong> laborator au fost obţinute celule din siliciu cristalin cu un randament <strong>de</strong><br />
13-25% în funcţie <strong>de</strong> suprafaţa celulei, iar în condiţii <strong>de</strong> fabrică - 12-14%. Randamentul<br />
celulei din siliciu policristalin este <strong>de</strong> până la 20% în condiţii <strong>de</strong> laborator. Limita teoretică a<br />
randamentului celulei din siliciu cristalin este <strong>de</strong> 37%, iar a celei din siliciu amorf - 28% .<br />
Temperatura normală <strong>de</strong> funcţionare a celulei. Corespun<strong>de</strong> temperaturii celulei PV<br />
la funcţionare in gol la temperatura mediului <strong>de</strong> 20 C, radiaţia globală <strong>de</strong> 800 W/m 2 şi viteza<br />
vântului mai mică <strong>de</strong> 1 m/s. Pentru celule uzuale, parametrul NOCT se situează între 42 şi<br />
46 C. Dacă este cunoscut parametrul NOCT, se poate <strong>de</strong>termina temperatura celulei TC in<br />
alte condiţii <strong>de</strong> funcţionare <strong>ca</strong>racterizate <strong>de</strong> temperatura mediului TA şi radiaţia globală G;<br />
, (5.16)<br />
Influenţa radiaţiei solare şi a temperaturii asupra <strong>ca</strong>racteristicilor celulelor şi<br />
modulelor PV. Caracteristicile celulei PV pentru diferite valori ale radiaţiei solare sunt<br />
prezentate în fig. 6,a. Se observă că, curentul <strong>de</strong> scurtcircuit este direct proporţional cu<br />
radiaţia solară, iar tensiunea <strong>de</strong> mers în gol variază puţin, <strong>de</strong>oarece conform (5.11) tensiunea<br />
U0 <strong>de</strong>pin<strong>de</strong> logaritmic <strong>de</strong> radiaţia solară (IS este proporţional cu radiaţia) şi a<strong>de</strong>sea în <strong>ca</strong>lcule<br />
practice această variaţie se neglijază .
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Curentul <strong>de</strong> scurtcircuit pentru diferite valori ale radiaţiei solare G poate fi <strong>de</strong>terminată cu<br />
formula:<br />
47<br />
, (5.17)<br />
un<strong>de</strong> Iscst este curentul <strong>de</strong> scurtcircuit al celulei corespunzător radiaţiei standard Gst=<br />
1000 W/m 2 .<br />
Fig. 5.6. Caracteristicile celulei PV la variatia radiatiei solare (a) şi a temperaturii (b).<br />
Temperatura celulei PV influenţează semnifi<strong>ca</strong>tiv asupra tensiunii <strong>de</strong> mers in gol şi cu<br />
mult mai puţin asupra curentului <strong>de</strong> scurtcircuit ( fig. 6.b). O dată cu creşterea temperaturii,<br />
tensiunea <strong>de</strong> mers în gol s<strong>ca</strong><strong>de</strong><br />
Pentru celule din siliciu, coeficientul <strong>de</strong> variaţie a tensiunii cu temperatura Aceste egal<br />
cu 2,3 mV/ C. . Astfel, parametrul U0 pentru temperaturi diferite <strong>de</strong> cea standard se va<br />
<strong>ca</strong>lcula cu relaţia:<br />
U0 = U025 –0,0023(t – 25) (5.18)<br />
un<strong>de</strong> U025 este tensiunea <strong>de</strong> mers în gol a celulei PV la temperatura standard; ttemperatura<br />
curentă a celulei, C. În <strong>ca</strong>lculele <strong>de</strong> proiectare, variaţia curentului <strong>de</strong> scurtcircuit<br />
şi a factorului <strong>de</strong> umplere FF in funcţie <strong>de</strong> temperatură sunt neglijate.<br />
Module fotovoltaice .Celulele folovoltaice produc <strong>energie</strong> electrică <strong>de</strong> putere <strong>ca</strong>re nu<br />
<strong>de</strong>păşeşte 1.5-2 W la tensiuni <strong>de</strong> 0,5-0,6 V. Pentru a obţine tensiuni şi puteri necesare<br />
consumatorului, celulele PV se conectează în serie şi sau în paralel. Cea mai mică instalaţie<br />
fotoelectrică formată din celule PV interconectate în serie şi/sau în paralel, în<strong>ca</strong>psulate pentru<br />
a obţine o rezistenţă me<strong>ca</strong>nică mai mare şi a proteja celulele <strong>de</strong> acţiunea mediului se numeşte<br />
modul fotovoltaic. Un număr <strong>de</strong> module PV asamblate me<strong>ca</strong>nic <strong>ca</strong> o unitate mai mare şi<br />
conectate electric poartă <strong>de</strong>numirea <strong>de</strong> panou sau câmp <strong>de</strong> module.<br />
La proiectarea modulelor PV se ia in consi<strong>de</strong>raţie folosirea frecventă a modulelor PV<br />
pentru încăr<strong>ca</strong>rea acumulatoarelor electrice, a căror tensiune este <strong>de</strong> 12 - 12.5 V. Astfel, în<br />
condiţii <strong>de</strong> radiaţie standard, tensiunea UM trebuie să fie 16-18 V, iar tensiunea <strong>de</strong> mers in gol<br />
20 - <strong>22</strong>,5 V. O singură celulă generează în gol cir<strong>ca</strong> 0,6 V şi trebuie sa conectăm în serie 33-<br />
36 <strong>de</strong> celule pentru a obţine tensiunea necesară.<br />
Puterea modulului va oscila între 50 şi 100 W. Construcţia modulului PV este <strong>de</strong> obicei<br />
dreptunghiulară. Suportul se confecţionează din aluminiu anodizat şi separat <strong>de</strong> structura<br />
laminată a celulelor cu căptuşeală, <strong>ca</strong>re nu permite pătrun<strong>de</strong>rea umezelii.
a).<br />
c)<br />
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig.5.7. Interconexiunea modulelor PV: a –serie; b – paralel; c - serie-paralel<br />
b)<br />
Celulele PV sunt protejate <strong>de</strong> acţiunea condiţiilor nefavorabile, <strong>ca</strong>re pot interveni pe<br />
parcursul exploatării <strong>de</strong> către un sistem <strong>ca</strong>re constă dintr-un strat <strong>de</strong> sticlă şi cel puţin două<br />
straturi (din faţă şi din spate) din etilen vinil acetat EVA sau polivinil butirol PVB. Pentru a<br />
obţine tensiunea şi puterea necesare consumatorului <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică, modulele PV pot fi<br />
conectate în serie, paralel sau în serie-paralel (v. fig.7, a,b,c). La conectarea în serie a două<br />
module PV i<strong>de</strong>ntice curentul <strong>de</strong>bitat consumatorului rămâne acelaşi, iar tensiunea creşte <strong>de</strong><br />
două ori. În fig. 7,a modulele PV1 şi PV2 conectate in serie în<strong>ca</strong>rcă bateria <strong>de</strong> acumulatoare<br />
GB. Punctul <strong>de</strong> funcţionare a sistemului module PV-GB este punctul <strong>de</strong> intersecţie M al<br />
<strong>ca</strong>racteristicilor respective a două module conectate în serie şi a bateriei <strong>de</strong> acumulatoare.<br />
Dio<strong>de</strong>le VD1 şi VD2, numite dio<strong>de</strong> <strong>de</strong> ocolire sau by-pass se conectează în paralel cu fie<strong>ca</strong>re<br />
modul sau cu un grup <strong>de</strong> module conectate în paralel (fig. 7,b). Dioda by-pass limitează<br />
tensiunea inversă, dacă un modul din circuitul consecutiv este mai puţin performant sau este<br />
umbrit şi se evită suprasolicitarea termică. În regim <strong>de</strong> funcţionare normală, dio<strong>de</strong>le VDl şi<br />
VD2 nu consumă <strong>energie</strong>. Dioda VD numită antiretur, se conectează în serie cu sarcina.<br />
Această diodă evită situaţia când modulul PV poate <strong>de</strong>veni consumator <strong>de</strong> <strong>energie</strong>. Punctul <strong>de</strong><br />
funcţionare al sistemului module PV - rezistenţa R este punctul <strong>de</strong> intersecţie M al<br />
<strong>ca</strong>racteristicilor amper-volt ale modulelor şi consumatorului –I=(I/R) U. Dio<strong>de</strong>le antiretur<br />
VD11 şi VD12 nu permit <strong>ca</strong> un modul sau un grup <strong>de</strong> module unite în paralel să treacă în<br />
48
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
regim <strong>de</strong> consumator atunci când nu sunt i<strong>de</strong>ntice sau când sunt umbrite. În schema din fig.<br />
7-c , modulele PVI-PV2 ,PV3-PV4 şi PV5 –PV6 sunt unite în serie, dar între ele - în paralel.<br />
Astfel. se obţine majorarea <strong>de</strong> două ori a tensiunii şi <strong>de</strong> trei ori a curentului. Evi<strong>de</strong>nt, puterea<br />
instalaţiei creşte <strong>de</strong> şase ori.<br />
Dio<strong>de</strong>le VD1-VD6 sunt dio<strong>de</strong> <strong>de</strong> ocolire, iar VD12, VD34,VD56- antiretur. Parametrii<br />
unui modul PV sunt <strong>de</strong>terminaţi <strong>de</strong> parametrii celulelor din <strong>ca</strong>re este confecţionat. În<br />
continuare se va analiza un exemplu numeric pentru <strong>de</strong>terminarea parametrilor modulului<br />
PV, <strong>ca</strong>re funcţionează în condiţii meteorologice specifi<strong>ca</strong>te.<br />
Tabelul 2. Date ale modulelor PV<br />
Date tehnice Tip modul<br />
KC KC KC KC KC KC KC KC<br />
35 40 45 50 60 70 80 120<br />
Puterea maximă,WC 35 40 45 50 60 70 80 120<br />
Tensiunea în<br />
pct.maxim,V<br />
15 16,9 15 16,7 16,9 16,9 16,9 16,9<br />
Curentul în pct.<br />
Maxim,A<br />
Tensiunea la mers în<br />
gol,V<br />
Curentul <strong>de</strong><br />
scurtcircuit,A<br />
2,33 2,34 3 3 3.55 4,14 4,73 7,10<br />
18,8 21,5 19,2 21,5 21,5 21,5 21,5 21,5<br />
2,50 2,48 3,10 3,10 3,73 4,35 4,97 7,45<br />
Lungimea ,mm 471 526 573 639 751 865 976 1425<br />
Lăţimea,mm 652 652 652 652 652 652 652 652<br />
Grosimea,mm 52 52 54 54 52 56 52 52<br />
Masa,kg 4 4,5 4,5 5 6 7 8 11,9<br />
Date tehnice Tip modul<br />
KC KC KC KC KC KC KC KC<br />
35 40 45 50 60 70 80 120<br />
Puterea maximă,WC 35 40 45 50 60 70 80 120<br />
Tensiunea în<br />
pct.maxim,V<br />
15 16,9 15 16,7 16,9 16,9 16,9 16,9<br />
Curentul în pct.<br />
Maxim,A<br />
2,33 2,34 3 3 3.55 4,14 4,73 7,10<br />
Tensiunea la mers în<br />
gol,V<br />
18,8 21,5 19,2 21,5 21,5 21,5 21,5 21,5<br />
Curentul <strong>de</strong><br />
scurtcircuit,A<br />
2,50 2,48 3,10 3,10 3,73 4,35 4,97 7,45<br />
Lungimea ,mm 471 526 573 639 751 865 976 1425<br />
Lăţimea,mm 652 652 652 652 652 652 652 652<br />
Grosimea,mm 52 52 54 54 52 56 52 52<br />
Masa,kg 4 4,5 4,5 5 6 7 8 11,9<br />
49
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
5.2.TEST DE AUTOEVALUARE<br />
1. Semnul convenţional pentru o celulă solară se indică:<br />
a) asemănător unei dio<strong>de</strong> sau fotodio<strong>de</strong> prin intermediul unei săgeţi în sensul curentului<br />
pentru conectare;<br />
b) asemănător unui triac prin intermediul unei săgeţi în sensul curentului pentru conectare;<br />
c) asemănător unui tranzistor prin intermediul unei săgeţi în sensul curentului pentru<br />
conectare;<br />
2.Curentul <strong>de</strong> scurt circuit al celulei solare este:<br />
a) curentul <strong>de</strong> scurt circuit cu tensiunea <strong>de</strong> mers în gol<br />
b) direct proporţional cu radiaţia solară<br />
c) invers proporţional cu tensiunea <strong>de</strong> mers în gol<br />
3.Randamentul celulei solare este:<br />
a) raportul dintre puterea generată <strong>de</strong> celulă în punctul optim <strong>de</strong> funcţionare la o<br />
temperatură specifi<strong>ca</strong>tă şi puterea radiaţiei solare<br />
b) direct proporţional cu puterea livrată şi invers proporţional cu produsul dintre suprafaţa<br />
celulei şi radiaţia globală inci<strong>de</strong>ntă<br />
c) direct proporţională cu produsul dintre puterea generată <strong>de</strong> celulă, aria acesteia şi radiaţia<br />
global inci<strong>de</strong>ntă<br />
5.3.LUCRARE DE VERIFICARE<br />
1. Care sunt <strong>ca</strong>racteristicile unei celule solare?<br />
2. Expli<strong>ca</strong>ţi construcţia şi principiul <strong>de</strong> funcţionare al unei celule fotovoltaice.<br />
3. Care este influenţa radiaţiei solare şi a temperaturii asupra <strong>ca</strong>racteristicilor celulelor şi<br />
modulelor PV?<br />
RĂSPUNSURI LA TESTUL DE AUTOEVALUARE<br />
1. A; 2. B; 3. A,B.<br />
50
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Unitatea <strong>de</strong> învăţare 6<br />
SISTEME FOTOVOLTAICE. DIMENSIONAREA UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC.<br />
DOMENIILE DE UTILIZARE A ENERGIEI ELECTRICE FOTOVOLTAICE.<br />
Unitatea <strong>de</strong> studiu 6.1<br />
Sisteme fotovoltaice. Dimensionarea unui sistem fotovoltaic. Domeniile <strong>de</strong> utilizare a<br />
<strong>energie</strong>i electrice fotovoltaice.<br />
Cuprins<br />
6.1. Obiective<br />
6.2. Test <strong>de</strong> autoevaluare<br />
6.3. Lucrare <strong>de</strong> verifi<strong>ca</strong>re<br />
6.1. OBIECTIVELE UNITĂŢII DE STUDIU<br />
-să explice structura unui sistem fotovoltaic<br />
-să enumere şi să explice <strong>ca</strong>racteristicile modulului PV<br />
-să <strong>de</strong>finească rolul invertorului în subsistemul <strong>de</strong> condiţionare a <strong>energie</strong>i electrice al<br />
sistemului PV<br />
-să realizeze dimensionarea unui sistem fotovoltaic<br />
Sisteme fotovoltaice. Dimensionarea unui sistem fotovoltaic. Domeniile <strong>de</strong> utilizare a<br />
<strong>energie</strong>i electrice fotovoltaice.<br />
Structura unui sistem fotovoltaic. Celulele sau modulele PV nu sunt unicele<br />
componente ale unui sistem. Pentru asigurarea continuă a consumatorului cu <strong>energie</strong><br />
electrică, multe sisteme PV conţin acumulatoare <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică. <strong>Modulul</strong> PV prezintă<br />
un generator <strong>de</strong> curent continuu (c.c.), dar a<strong>de</strong>sea consumatorul <strong>de</strong> <strong>energie</strong> este <strong>de</strong> curent<br />
alternativ. Energia electrică a unui panou voltaic-PV- are un <strong>ca</strong>racter variabil, alternanţa<br />
zi/noapte, cer senin/cer acoperit provoacă variaţia într-o gamă largă a fluxului <strong>de</strong> <strong>energie</strong> şi a<br />
tensiunii generate <strong>de</strong> modulul PV.<br />
Fig.6.1. Structura unui sistem fotovoltaic.<br />
51
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
În fig.1 este prezentată structura unui sistem PV .Componentele principale sunt:<br />
• modulul, panoul, câmpul <strong>de</strong> module sau, altfel spus, generatorul fotovoltaic;<br />
• bateria <strong>de</strong> acumulatoare;<br />
• subsistemul pentru condiţionarea <strong>energie</strong>i electrice <strong>ca</strong>re includ şi elementele <strong>de</strong><br />
măsurare,monitorizare şi proiectare.<br />
• sursa auxiliară <strong>de</strong> <strong>energie</strong>, <strong>de</strong> exemplu, un grup electrogen <strong>ca</strong>re funcţionează cu<br />
benzină sau motorină. În acest <strong>ca</strong>z, sistemul PV se mai numeşte sistem PV hibrid.<br />
Sistemele PV se divizează în două <strong>ca</strong>tegorii principale: conectate la reţea sau <strong>ca</strong>re<br />
funcţionează în paralel cu reţeaua electrică publică şi sisteme PV autonome.<br />
Apare necesitatea condiţionării fluxului <strong>de</strong> <strong>energie</strong>, folosind convertoare electronice:<br />
c.c./c.a., <strong>ca</strong>rt în<strong>de</strong>plinesc şi funcţia <strong>de</strong> monitorizare a procesului încăr<strong>ca</strong>re <strong>de</strong>scăr<strong>ca</strong>re a<br />
acuniti latorului. c.c./c.a- pentru transformarea curentului continuu în curent alternativ .<br />
Pentru a evita supradimensionarea sistemului fotovoltaic a<strong>de</strong>sea se foloseşte o <strong>sursă</strong><br />
auxiliară <strong>de</strong> <strong>energie</strong>, fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiar reţeaua<br />
electrică publică.<br />
Toate aceste componente trebuie să fie interconectate, dimensionale şi specifi<strong>ca</strong>te<br />
pentru a funcţiona într-un sistem unic, numit sistem fotovoltaic.<br />
Funcţionarea în sarcină a modulului PV. Celula PV, respectiv modulul PV, are cele<br />
mai bune performanţe în punctul un<strong>de</strong> puterea <strong>de</strong>bitată pe sarcină este maximă.<br />
Totodată,variaţia radiaţiei globale şi a temperaturii provoacă modifi<strong>ca</strong>rea <strong>ca</strong>racteristicii I-V<br />
a modulului PV.<br />
În cosecinţă punctul <strong>de</strong> funcţionare a subsistemului modul PV - sarcină (punctul <strong>de</strong><br />
intersecţie al <strong>ca</strong>racteristicilor I-V ale modulului şi sarcinii) nu va coinci<strong>de</strong> cu punctul un<strong>de</strong><br />
puterea <strong>de</strong>bitată pe sarcină este maximă . În fig. 2 sunt prezentate <strong>ca</strong>racteristicile I-V a trei<br />
dintre cei mai răspândiţi consumatori: rezistor, motor <strong>de</strong> c.c. cu magneţi permanenţi şi un<br />
acumulator. Se prezintă şi <strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> unui consumator i<strong>de</strong>al, pentru <strong>ca</strong>re punctul <strong>de</strong><br />
funcţionare coinci<strong>de</strong> întot<strong>de</strong>auna cu punctul optim M Caracteristicile I-V se <strong>de</strong>scriu cu<br />
următoarele expresii analitice:<br />
Fig. 6.2. Caracteristicile I-V ale modulului PV si ale diferitilor consumatori.<br />
Rezistor<br />
52<br />
, (6.1)
Motor <strong>de</strong> c.c.<br />
Acumulator<br />
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
53<br />
, (6.2)<br />
(6.3)<br />
un<strong>de</strong> U este tensiunea modulului PV ; k- constanta motorului; -fluxul <strong>de</strong> excitaţie; -<br />
vitaza <strong>de</strong> rotaţie; -rezistenţa indusului; -tensiunea <strong>de</strong> mers ăn gol a acumulatorului; -<br />
rezistenţa interioară a acumulatorului.<br />
La pornirea motorului <strong>de</strong> c.c., curentul absorbit <strong>de</strong> la modul esle maxim şi este aproape<br />
<strong>de</strong> cel <strong>de</strong> scurtcircuit. Deşi tensiunea pe indus este minimă, pornirea are loc datorită<br />
momentului creat <strong>de</strong> produsul . Dacă U=E0 , acumulatorul este încăr<strong>ca</strong>t şi va consuma<br />
curent, în <strong>ca</strong>z contrar curentul <strong>de</strong> încăr<strong>ca</strong>re va creşte o dată cu creşterea radiaţiei globale,<br />
respectiv cu tensiunea. O dată cu creşterea curentului <strong>de</strong> încăr<strong>ca</strong>re creşte că<strong>de</strong>rea <strong>de</strong> tensiune<br />
IRint.<br />
Din figura 2, se observă că sarcina <strong>de</strong> tip rezistor sau motor <strong>de</strong> c.c. nu va funcţiona în<br />
punctul optim la variaţia radiaţiei. Va trebui să se modifice <strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> I-V a modulului PV<br />
sau a sarcinii pentru a urmări punctul <strong>de</strong> funcţionare optimă. In acest scop se folosesc<br />
convertoare electronice c.c./c.c. numite MPPT ( Maximum Power Point Tracker).<br />
a)<br />
b)<br />
Fig.6. 3. Expli<strong>ca</strong>tia privind urmarirea punctului <strong>de</strong> putere maxima:<br />
a). folosind tehnologia MPPT; b). Prin modifi<strong>ca</strong>rea <strong>ca</strong>racteristicii sarcinii.<br />
MPPT se conectează între modulul PV şi sarcină, pentru a modifi<strong>ca</strong> tensiunea la<br />
ieşire, astfel încât să se asigure urmărirea punctului optim <strong>de</strong> funcţionare. În fig. 2.82 sunt<br />
puse în evi<strong>de</strong>nţă două <strong>ca</strong>zuri <strong>de</strong> urmărire a punctului maxim folosind tehnologia MPPT<br />
(fig.3.a) şi prin modifi<strong>ca</strong>rea sarcinii (fig.3.b). În primul <strong>ca</strong>z avem două sarcini cu
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
<strong>ca</strong>racteristici I-V diferite <strong>ca</strong>re, pentru simplitate, se admit <strong>ca</strong> fiind liniare. Pentru ambele<br />
sarcini constatăm o <strong>de</strong>viere esenţială a punctelor <strong>de</strong> funcţion are A,B şi D, C <strong>de</strong> la punctele<br />
optime M1 şi M2. În aceleaşi coordonate sunt trasate hiperbolele I=Pmax.1/U şi I=Pmax.2/U . În<br />
orice punct al hiperbolelor menţionate, puterea Pmax.1 şi Pmax.2, sunt mărimi constante şi,<br />
respectiv, egale cu puterea maximă <strong>de</strong>bitată în punctul M1sau M2.<br />
Se consi<strong>de</strong>ră că subsistemul modul PV -Sarcina 1 funcţionează în punctul B in<br />
condiţii <strong>de</strong> radiaţie globală egală cu G1. Pentru a obţine <strong>de</strong> la modul o putere maximă, ar<br />
trebui să se modifice <strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> I-V a sarcinii, astfel încât să se intersecteze în punctul<br />
M1. Acelaşi rezultat poale fi obţinut dacă se micşorează tensiunea şi se măreşte curentul în<br />
comparaţie cu punctul M1,<strong>de</strong>plasându-se pe hiperbolă în punctul Bmax.. În mod analog se<br />
proce<strong>de</strong>ază dacă se micşorează radiaţia <strong>de</strong> la G1 la G2. În <strong>ca</strong>zul sarcinii 2, pentru a urmări<br />
punctul maxim va trebui să se proce<strong>de</strong>ze invers: să se majoreze tensiunea şi să se micşoreze<br />
curentul (se va compara punctul Cmax cu C sau Dmax cu D). Convertorul electronic MPPT<br />
trebuie să modifice tensiunea şi curentul, astfel încât la ieşire produsul acestora să fie<br />
constant şi egal cu puterea maximă generată <strong>de</strong> modulul PV expus radiaţiei globale G. În<br />
unele <strong>ca</strong>zuri specifice, urmărirea punctului <strong>de</strong> putere maximă poate fi realizat prin<br />
modifi<strong>ca</strong>rea <strong>ca</strong>racteristicii I-V a sarcinii, aşa cum este prezentat în fig.3,b. Pentru radiaţia<br />
solară maximă şi egala cu G1, subsistemul modul PV- sarcina R1 va funcţiona în punctul<br />
M1; în acest <strong>ca</strong>z, contactele Kl şi K2 sunt închise. La o valoare medie a radiaţiei solare egală<br />
cu G2, contactul K2 se <strong>de</strong>schi<strong>de</strong>, <strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> sarcinii I-V se modifică şi subsistemul va<br />
funcţiona în punctul M2. Dacă radiaţia solară continuă să se micşoreze, se <strong>de</strong>schi<strong>de</strong> contactul<br />
K1 şi subsistemul va funcţiona în punctul M3. Subsistemul "modul PV - acumulator" nu<br />
necesită utilizarea tehnologici MPPT <strong>de</strong>oarece, dacă se <strong>de</strong>plasează <strong>ca</strong>racteristi<strong>ca</strong> I-V spre<br />
dreapta (fig.2) ea va fi aproape <strong>de</strong> cea i<strong>de</strong>ală. În schimb, acumulatorul necesită o<br />
supraveghere automată a gradului <strong>de</strong> încăr<strong>ca</strong>re şi <strong>de</strong>scăr<strong>ca</strong>re pentru a evita <strong>de</strong>teriorarea<br />
acestuia.<br />
Invertorul. Invertorul face parte din subsistemul <strong>de</strong> condiţionare a <strong>energie</strong>i electrice al<br />
sistemului PV ( fig.1) şi este componenta principală a convertorului c.c./c.a. Invertorul<br />
transformă energia <strong>de</strong> c.c., genertă <strong>de</strong> modulele PV sau sto<strong>ca</strong>tă în acumulatoare, în <strong>energie</strong> <strong>de</strong><br />
c.a. <strong>de</strong> o frecvenţă prestabilită. Deja există convertoare <strong>ca</strong>re asigură parametrii <strong>de</strong> <strong>ca</strong>litate ai<br />
<strong>energie</strong>i electrice la acelaşi nivel <strong>ca</strong> şi reţelele publice: frecvenţă şi tensiune stabilă, forma<br />
sinusoidală a un<strong>de</strong>i <strong>de</strong> tensiune şi curent. În funcţie <strong>de</strong> cerinţele impuse <strong>de</strong> sarcină privind<br />
forma un<strong>de</strong>i <strong>de</strong> tensiune factorul <strong>de</strong> suprasarcină, randamentul sunt disponibile diferite tipuri<br />
<strong>de</strong> invertoare, ai căror parametri sunt prezentaţi în tabelul l.<br />
Tabelul 1. Parametrii <strong>de</strong> performanţă ai principalelor tipuri <strong>de</strong> invertoare.<br />
Parametrii Tensiune<br />
Cvasi-sinuoidală sau Modularea impulsurilor în<br />
dreptunghiulară în trepte<br />
durată<br />
Puterea<br />
nominală,kW<br />
Până la 1000 Până la 2,5 Până la 20<br />
Factorul <strong>de</strong><br />
sarcină<br />
Până la 20 Până la 4 Până la 2,5<br />
Randamentul,% 70-98 >90 >90<br />
Distorsionarea<br />
armonică,%<br />
Până la 40 >5
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Invertorul cu undă dreptunghiulară are cea mai simplă schemă, o eficienţă relativ bună,<br />
este cel mai ieftin, dar provoacă cea mai mare distorsiune armonică, ceea ce <strong>ca</strong>uzează<br />
supraîncălzirea motoarelor. Acest tip <strong>de</strong> invertor se recomandă spre utilizare în sisteme PV <strong>de</strong><br />
putere mică pentru iluminare, încălzire la tensiuni diferite <strong>de</strong> cea <strong>de</strong> c.c., <strong>de</strong> asemenea, în<br />
componenţa convertoarelor c.c./c.c., acţionărilor electromagnetice. Invertorul cu undă cvasi<br />
- sinusoidală este mai compli<strong>ca</strong>t, dar mai eficient. Modularea impulsurilor în durată<br />
reprezintă o tehnologie nouă. Schema <strong>de</strong> comandă a invertorului este cu mult mai compli<strong>ca</strong>tă,<br />
costul invertorului este mai mare, dar asigură eficienţă înaltă şi distorsiuni armonice minime.<br />
Dimensionarea unui sistem fotovoltaic<br />
Principiul general <strong>ca</strong>re stă la baza dimensionarii instalaţiei PV este următorul: trebuie<br />
respectat permanent echilibrul dintre energia produsă <strong>de</strong> genertorul PV şi energia consumată<br />
<strong>de</strong> utilizator. Acest echilibru se realizează pentru o perioadă <strong>de</strong>finită, <strong>de</strong> obicei o zi sau o<br />
lună. Prezenţa bateriei <strong>de</strong> acumulaloare permite compensarea <strong>de</strong>ficitului dintre energia<br />
produsă şi cea consumată, <strong>de</strong>ficit <strong>ca</strong>re poate fi <strong>ca</strong>uzat <strong>de</strong> timpul noros sau <strong>de</strong> o anumită<br />
suprasolicitare din partea consumatorului.<br />
Dimensionarea unui sistem PV presupune parcurgerea următoarelor etape principale:<br />
1. Calcului radiaţiei solare disponibile pe suprafaţa modulului PV.<br />
2. Calculul consumului diurn <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică – EC<br />
3.Calculul <strong>ca</strong>ntităţii <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică <strong>ca</strong>re trebuie produsă <strong>de</strong> către modulul PV<br />
– Ep.<br />
4. Calculul puterii critice a modulului PV-P şi alegerea acestuia.<br />
5. Calculul <strong>ca</strong>pacităţii acumulatoarelor C şi alegerea acestora.<br />
6. Verifi<strong>ca</strong>rea echilibrului consumului şi producerii <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică.<br />
În fig.4, este prezentată procedura <strong>de</strong> dimensionare a unui sistem PV cu baterii <strong>de</strong><br />
acumulare.<br />
Calculul radiaţiei solare disponibile pe suprafaţa modulului PV. Unghiul <strong>de</strong><br />
înclinaţie a modulului PV faţă <strong>de</strong> orizont β se <strong>de</strong>termină din condiţia asigurării echilibrului<br />
“ consum- producere <strong>energie</strong> electrică" în lunile cu cea mai mică radiaţie solară.<br />
55
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Fig.6.4. Procedura <strong>de</strong> dimensionare a unui sistem PV.<br />
Calculul consumului diurn <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică. Pentru fie<strong>ca</strong>re consumator <strong>de</strong> curent<br />
continuu şi alternativ se <strong>de</strong>termină puterea nominală şi orele <strong>de</strong> utilizare zilnică. Consumul <strong>de</strong><br />
<strong>energie</strong> electrică FC, se <strong>de</strong>termină <strong>ca</strong> produsul puterii nominale la numărul <strong>de</strong> ore:<br />
56<br />
, (6.4)<br />
un<strong>de</strong> k este numărul <strong>de</strong> consumatori <strong>de</strong> c.c.; m - numărul <strong>de</strong> consumatori <strong>de</strong> c.a.;<br />
Pni, Pnj - puterea nominală a consumatorilor <strong>de</strong> c.c. şi c.a.; ti,tj- durata <strong>de</strong> funcţionare a<br />
consumatorilor respectivi; -respectiv randamentul regulatorului <strong>de</strong> încăr<strong>ca</strong>re<br />
<strong>de</strong>scăr<strong>ca</strong>re al acumulatorului şi al convertorului <strong>de</strong> frecvenţă. Pentru <strong>ca</strong>lcule prealabile =<br />
0,95-0,98, = 0,85-0,90, = 0.85 - 0.95. Puterile nominale ale utilajului electrotehnic<br />
sunt specifi<strong>ca</strong>te in <strong>ca</strong>rtea tehnică.<br />
Calculul <strong>ca</strong>ntităţii <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică necesară <strong>de</strong> a fi produsă <strong>de</strong> modulul PV.<br />
Energia <strong>ca</strong>re trebuie să fie produsă <strong>de</strong> modulul PV:<br />
, (6.5)
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
un<strong>de</strong> factorul K ia în consi<strong>de</strong>raţie incertitudinea datelor meteorologice, pier<strong>de</strong>rile în <strong>ca</strong>bluri,<br />
abaterea punctului <strong>de</strong> funcţionare a subsistemului „modul PV – sarcină” <strong>de</strong> la cel optim etc.<br />
Conform , valoarea factorului K pentru sistemele PV cu baterii <strong>de</strong> acumulatoare este cuprinsă<br />
între 0,75 şi 0,85.<br />
Tabelul 2. Valori estimative ale duratei <strong>de</strong> funcţionare a consumatorilor <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică.<br />
Consumator Puterea<br />
nominală,W<br />
h/zi<br />
Lunile anului<br />
XII,I,II III,IV,V,IX,X,XI VI,VII,VIII<br />
Iluminare bucătarie 2x13 LFC 4 3,5 2<br />
Iluminare dormitor 3x9 LFC 1 1 1<br />
Iluminare living 2x20 LFC 1 1 1<br />
Iluminare baie 1x18 LFC 1 1 1<br />
Aspirator 1200 0,5 0,5 0,5<br />
Frigi<strong>de</strong>r 100 7 7 7<br />
TV color,54 cm 60 4 4 4<br />
Stereo 60 2 2 2<br />
Cuptor cu microun<strong>de</strong> 600 0,5 0,5 0,5<br />
Pompă pentru apă 200 1 1 1<br />
Calculul puterii critice a modulului PV. Se <strong>de</strong>termină cu relaţia :<br />
, (6.6)<br />
un<strong>de</strong> Gβ reprezintă valoarea medie a radiaţiei solare globale pe perioada <strong>de</strong> interes .<br />
În funcţie <strong>de</strong> puterea PC se alege puterea unui modul PV şi numărul <strong>de</strong> module<br />
conectate in serie:<br />
, (6.7)<br />
un<strong>de</strong> Ucc este tensiunea nominală a consumatoarelor <strong>de</strong> c.c.; Um -tensiunea nominală a<br />
unui modul PV <strong>ca</strong>re, <strong>de</strong> obicei, se consi<strong>de</strong>ră egală cu 12 V.<br />
Numărul <strong>de</strong> module PV conectate în paralel se <strong>de</strong>termină astfel: Se <strong>ca</strong>lculează curentul<br />
mediu al sarcinii pe parcursul unei zile:<br />
, (6.8)<br />
Totodată, din condiţia respectării balanţei <strong>de</strong> <strong>energie</strong> într-o zi, se poate scrie:<br />
57<br />
sau , (6.9)<br />
un<strong>de</strong> IPV este curentul panoului PV.<br />
Numărul <strong>de</strong> module PV conectate în paralel va fi:<br />
, (6.10)<br />
un<strong>de</strong> Isc este curentul <strong>de</strong> scurtcircuit al unui modul PV.
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
Calculul <strong>ca</strong>pacităţii acumulatoarelor. Se <strong>de</strong>termină cu relaţia:<br />
58<br />
, (6.11)<br />
un<strong>de</strong> n este numărul <strong>de</strong> zile fară soare; KD - coeficientul <strong>de</strong> <strong>de</strong>scăr<strong>ca</strong>re a acumulatorului<br />
(0,5 - 0.6 pentru Pb -acid şi 1,0 pentru Ni- Cd).<br />
Numărul <strong>de</strong> acumulatoare conectate in serie:<br />
, (6.12)<br />
un<strong>de</strong> UA este tensiunea nominală a acumulatorului, <strong>de</strong> obicei egală cu 12 V.<br />
Verifi<strong>ca</strong>rea echilibrului consumului si producerii <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică. Verifi<strong>ca</strong>rea<br />
se face prin compararea <strong>ca</strong>ntităţii <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică, Ei, <strong>ca</strong>re va fi produsă <strong>de</strong> panou şi cea<br />
consumată.<br />
6.2. TEST DE AUTOEVALUARE<br />
1. Pentru a evita supradimensionarea sistemului fotovoltaic se foloseşte:<br />
a) <strong>sursă</strong> auxiliară <strong>de</strong> <strong>energie</strong><br />
b) rezistenţă <strong>de</strong> <strong>de</strong>scăr<strong>ca</strong>re<br />
c) un con<strong>de</strong>nsator<br />
2.Invertorul:<br />
a) este o componentă principală a convertorului c.c./c.a.<br />
b) transformă energia <strong>de</strong> c.c. generată <strong>de</strong> module PV sau sto<strong>ca</strong>tă în acumulatoare în <strong>energie</strong><br />
<strong>de</strong> c.a.<br />
c) transformă energia me<strong>ca</strong>nică în <strong>energie</strong> electrică<br />
3.Puterea critică a modulului PV este egală cu:<br />
a) raportul dintre valoarea medie a radiaţiei solare globale pe o perioadă şi energia produsă<br />
<strong>de</strong> modulul PV<br />
b) numărul <strong>de</strong> module conectate în serie<br />
c) raportul dintre radiaţia solară şi consumul diurn <strong>de</strong> <strong>energie</strong> electrică<br />
6.3.LUCRARE DE VERIFICARE
1. Care este structura unui sistem fotovoltaic?<br />
<strong>Modulul</strong> 2: <strong>Soarele</strong> <strong>ca</strong> <strong>sursă</strong> <strong>de</strong> <strong>energie</strong> <strong>primară</strong><br />
2. Cum se realizează funcţionarea în sarcină a modulului PV?<br />
3. Care este procedura <strong>de</strong> dimensionare a unui sistem PV cu baterii <strong>de</strong> acumulare?<br />
RĂSPUNSURI LA TESTUL DE AUTOEVALUARE<br />
1. A; 2. A, B; 3. A.<br />
59