Conversia energiei solare în energie electrică Referat EIP REZUMAT Lucrarea prezintă principalele configuraţii ale sistemelor fotovoltaice cu panouri solare, alături de cele mai utilizate topologii de invertoare fotovoltaice. Sunt descrise elementele componente ale acestora, avantajele, dezavantajele şi domeniile de putere şi aplicabilitate. ABSTRACT The paper deals with the main power configurations for PV systems with solar cells and the most used topologies of PV inverters with and without DC-DC boost converters and LF/HF transformers. The main components, configurations, advantages, drawbacks and a range of applications are also described Page 1 of 65
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
REZUMAT
Lucrarea prezintă principalele configuraţii ale sistemelor fotovoltaice
cu panouri solare, alături de cele mai utilizate topologii de invertoare
fotovoltaice. Sunt descrise elementele componente ale acestora,
avantajele, dezavantajele şi domeniile de putere şi aplicabilitate.
ABSTRACT
The paper deals with the main power configurations for PV systems
with solar cells and the most used topologies of PV inverters with and
without DC-DC boost converters and LF/HF transformers. The main
components, configurations, advantages, drawbacks and a range of
applications are also described
Page 1 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Definirea conceptului de energie
Energia este capacitatea materiei de a efectua lucru mecanic ca
rezultat al mişcării sau al poziţiei în relaţie cu forţele care acţionează
asupra sa.
Energia asociată mişcării se numeşte energie cinetică, iar cea
asociată poziţiei se numeşte energie potenţială.
Energia există în diferite forme: mecanică, termică, chimică,
electrică, radiantă şi nucleară. Toate formele de energie se pot transforma
unele în altele, prin procese adecvate. În procesul transformării, energia
cinetică sau potenţială poate creşte sau să se micşoreze, dar suma celor
două energii rămâne constantă.
Toate formele de energie tind să se transforme în căldură, care este
cea mai perisabilă dintre forme. În mecanisme, energia care nu este
transformată în lucru mecanic util este disipată sub formă de căldură de
frecare, iar pierderile din circuitele electrice sunt în principal sub formă de
căldură (efectul caloric).
Observaţiile empirice din secolul al 19-lea au condus la concluzia că
deşi energia se poate transforma dîntr-o formă în alta, ea nu poate fi
creată sau distrusă. Acest concept, cunoscut sub numele de principiul
conservării energiei, constituie unul din principiile de bază ale mecanicii
clasice. Acest principiu, împreună cu cel al conservării materiei, este
valabil doar pentru viteze mici în comparaţie cu viteza luminii. La viteze
mari, comparabile cu viteza luminii, cum ar fi cele din reacţiile nucleare,
Page 2 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
energia şi materia se pot converti una în cealaltă. Astfel, în fizica modernă,
cele două concepte materie şi energie sunt unificate. Relaţia a fost
exprimată de Einstein : E=mc2.
Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin
transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale
regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vânturilor, a apelor
curgătoare, a proceselor biologice şi a căldurii geotermale pot fi captate
de către oameni utilizând diferite procedee. Sursele de energie ne-
reînnoibile includ energia nucleară precum şi energia generată prin
arderea combustibililor fosili, aşa cum ar fi ţiţeiul, cărbunele şi gazele
naturale. Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la
generarea curentului electric, apei calde, etc.
Energia eoliană este generată prin transferul energiei vântului unei
turbine eoliene. Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a
suprafeţei Pământului de către energia radiată de Soare care ajunge la
suprafaţa planetei noastre. Această încălzire variabilă a straturilor de aer
produce zone de aer de densităţi diferite, fapt care creează diferite mişcări
ale aerului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită la antrenarea
elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate.
Energia eoliană este o sursă inepuizabilă. Producerea energiei
folosind ca sursă vântul nu duce la poluarea mediului şi este disponibilă în
proporţii practic nelimitate. Costurile de producere sunt în momentul de
faţă comparabile cu cele ale energiei produse din combustibili tradiţionali.
Aplicaţiile posibile pentru folosirea energiei :
Turbinele de vânt - energia este generată într-un alternator de
turaţie joasă, rezultatul fiind o tensiune de 240-400v de putere variabilă,
atât timp cât bate vântul.
Page 3 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Turbogeneratoarele eoliene sunt o altă aplicaţie a energiei vântului.
Energia geotermală
Sub denumirea de energie geotermală sunt exploatabile două surse
de energie:
- energia miezului fierbinte al Pământului transmisă prin conducţie,
straturilor superioare ale acestuia.
- energia solara transmisă prin radiaţie pământului şi înmagazinată
în paturile sale de suprafaţă.
Aplicaţiile moderne ale energiei geotermale includ pompe
geotermale pentru încălzirea şi răcirea locuinţelor.
Energia solară este energia radiantă produsă în Soare ca rezultat
al reacţiilor de fuziune nucleară. Ea este transmisă pe Pământ prin spaţiu
în cuante de energie numite fotoni, care interacţionează cu atmosfera şi
suprafaţa Pământului. Intensitatea radiaţiei solare la marginea exterioară
a atmosferei, când Pământul se află la distanţa medie de Soare, este
numită constantă solară, a cărei valoare este de 1,37*106 ergs/sec/cm2
sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea, intensitatea nu este
constantă; ea variază cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani.
Intensitatea energiei solare la suprafaţa Pământului este mai mică decât
constanta solară, datorită absorbţiei şi difracţiei energiei solare, când
fotonii interacţionează cu atmosfera.
Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electrică sau să
încălzească aerul din interiorul unor clădiri. Deşi energia solară este
reînnoibilă şi uşor de produs, problema principală este că soarele nu oferă
energie constantă în nici un loc de pe Pământ. În plus, datorită rotaţiei
Pământului în jurul axei sale, şi deci a alternanţei zi-noapte, lumina solară
Page 4 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
nu poate fi folosită la generarea electricităţii decât pentru un timp limitat
în fiecare zi. O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă
existenţa zilelor noroase, când potenţialul de captare al energiei solare
scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicaţiile acestei forme
de energie reînnoibilă.
Nu există nici un dezavantaj deoarece instalaţiile solare aduc
beneficii din toate punctele de vedere.
Practic, energia solara poate fi folosita să:
- genereze electricitate prin celule solare (fotovoltaice)
- genereze electricitate prin centrale electrice termale
- genereze electricitate prin turnuri solare
- încalzeasca blocuri, direct
- încalzeasca blocuri, prin pompe de caldură
- încalzeasca blocuri, prin cuptoare solare
1. Utilizari directe în industrie şi agricultură
- cuptoare solare
- uscatorii solare
- încalzitoare solare
- distilerii solare
- desalinizarea apei de mare
2. Utilizari indirecte în industrie şi agricultură
Page 5 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
- transformarea în energie mecanică
- transformarea în energie electrică
3. Utilizari casnice
- climatizare de iarna şi vară
- apa calda menajeră
- frigidere solare
- sobe de gătit solare
4. Utilizari cosmice
Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde
într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea
punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solară care poate fi
absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.
Absorbţia naturală a energiei solare are loc în atmosferă, în oceane
şi în plante. Interacţiunea dintre energia solară, oceane şi atmosferă, de
exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt.
Utilizările moderne ale energiei eoliene presupun maşini puternice, uşoare,
cu design aerodinamic, rezistenţe la orice condiţii meteo, care ataşate la
generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a
unei reţele de distribuţie locală sau regională.
Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea
atmosferei este consumată în circuitul hidrologic, care produce ploi şi
energia potenţială a apei din izvoarele de munte şi râuri. Puterea produsă
de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită
energie hidroelectrică. Prin procesul de fotosinteză, energia solară
Page 6 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
contribuie la creşterea biomasei, care poate fi folosită drept combustibil
incluzând lemnul şi combustibilele fosile ce s-au format din plantele de
mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea,
extrase din biomasă.
De asemenea, oceanele reprezintă o formă naturală de absorbţie a
energiei. Ca rezultat al absorbţiei energiei solare în oceane şi curenţi
oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În anumite locuri, aceste
variaţii verticale se apropie de 20°C pe o distanţă de câteva sute de metri.
Când mase mari de apă au temperaturi diferite, principiile termodinamice
prevăd că un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de
energie de la masa cu temperatură mai mare şi transferând o cantitate
mai mică de energie celei cu temperatură mai mică. Diferenţa între aceste
două energii calorice se manifestă ca energie mecanică, putând fi legată
la un generator pentru a produce electricitate.
Captarea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale,
numite colectori solari, care sunt proiectate să capteze energia, uneori
prin focalizarea directă a razelor solare. Energia, odată captată, este
folosită în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele
termice, energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid,
care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice,
energia solară este transformată direct în energie electrică, fără a folosi
dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite
oglinzile sau lentilele care captează razele solare într-un receptor, unde
căldura solară este transferată într-un fluid care pune în funcţiune un
sistem de conversie a energiei electrice convenţionale.
Câteva dintre aceste dispozitive de captare a energiei solare:
Panourile solare
Page 7 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Panourile solare termice (cunoscute şi sub denumirile de captatoare
solare şi colectoare solare) sunt instalaţii ce colectează energia continută
în razele solare şi o transformă în energie termică. Deoarece aproape
întreg spectrul radiaţiei solare este utilizat pentru producerea de energie
termică, randamentul acestor panouri este mult mai ridicat. Din punct de
vedere funcţional, componenta principală a panoului solar este elementul
absorbant (absorber) care transformă energia razelor solare în energie
termică şi o cedează unui agent termic (apă, antigel).
Fluidul colector care trece prin canalele panoului solar are
temperatura crescută datorită transferului de căldură. Energia transferată
fluidului purtător este numită eficienţă colectoare instantanee. Panourile
solare au în general una sau mai multe straturi transparente pentru a
minimaliza pierderile de căldură şi pentru a putea obţine o eficienţă cât
mai mare. În general, sunt capabile să încălzească lichidul colector până la
82°C cu un randament cuprins între 40 şi 80%.
Aceste panouri solare au fost folosite eficient pentru încălzirea apei
şi a locuinţelor. Acestea înlocuiesc acoperişurile locuinţelor. În emisfera
nordică, ele sunt orientate spre sud, în timp ce în emisfera sudică sunt
orientate spre nord. Unghiul optim la care sunt montate panourile depinde
de latitudinea la care se găseşte instalaţia respectivă. În general, pentru
dispozitivele folosite tot anul, panourile sunt înclinate la un unghi egal cu
latitudinea la care se adună sau se scad 15° şi sunt orientate spre sud
respectiv nord.
Captatoare de energie
Pentru aplicaţii cum sunt aerul condiţionat, centrale de energie şi
numeroase cereri de căldură, panourile solare nu pot furniza fluide
colectoare la temperaturi suficient de mari pentru a fi eficiente. Ele pot fi
folosite ca dispozitive de încălzire în prima fază, după care temperatura
Page 8 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
fluidului este apoi crescută prin mijloace convenţionale de încălzire.
Alternativ, pot fi folosite colectoare mai complexe şi mai scumpe. Acestea
sunt dispozitivele care reflectă şi focalizează razele solare incidente într-o
zonă mică de captare. Ca rezultat al acestei concentrări, intensitatea
energiei solare este mărită şi temperatura care poate fi atinsă poate
ajunge la câteva sute sau chiar câteva mi de grade Celsius. Această
captatoare trebuie să se mişte după cum se mişcă soarele, pentru a
funcţiona eficient şi dispozitivele utilizate se numesc heliostate.
Tehnologia de captare a energiei solare prin tuburi
vidate
Ansamblul de tuburi solare vidate sunt elementul absorbant al
încalzitoarelor de apă din instalaţiile cu panouri solare. Aceste tuburi
solare vidate sunt alcătuite, la rândul lor, din două tuburi de diametre
diferite fabricate din sticlă brosilicată extrem de rezistentă, cu o înaltă
stabilitate chimica şi rezistentă la şocuri termice. Tubul exterior este
transparent şi lasă razele solare să treaca cu o reflexie minimă. Tubul
interior are însă suprafaţa exterioară acoperită cu un strat selectiv
(Al-N/Al) cu calităţi deosebite de absorţie şi reflexie minimă. Capetele celor
două tuburi sunt lipite prin topire iar aerul dintre ele este evacuat atunci
când aceste tuburi sunt expuse la temperaturi înalte. Depresiunea dintre
cele două tuburi atinge valori mai mici de 5x10-3 pa, cu scopul eliminarii
aproape total a pierderilor prin convecţie şi conductibilitate. Acest lucru
poate fi asigurat şi conservat pe o perioadă de timp cât mai lungă numai
dacă procesul de fabricaţie este foarte bine pus la punct. Această
operaţiune de vidare este pentru tuburile colectoare factor important prin
care se asigură performanţe funcţionale ridicate.Pentru creşterea
performantelor tehnice s-au dezvoltat variante noi îmbunătăţite de
colectoare cu tuburi vidate. Astfel varianta de tuburi solare vidate clasice
a fost imbunatatită cu varianta de tuburi vidate cu heat pipe şi varianta de
tuburi vidate de tip " U ".
Page 9 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Page 10 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Principalul lor avantaj constă în faptul că pot funcţiona în sisteme
solare de încalzire sub presiune şi pe toată durata anului calanderistic cu
cheltuieli minime de expolatare şi întreţinere.
Celule fotovoltaice
Sistemele fotovoltaice realizează conversia directă a energiei
radiaţiei solare în energie electrică, fără o poluare sonoră şi făra emisia
unor gaze poluante în mediul ambiant. Sistemele fotovoltaice au fost
folosite la început pentru a echipa sateliţii, după aceea pe scară mai largă
la echiparea ceasurilor electronice precum şi a unor calculatoare. În ultimii
20 de ani sute de mii de sisteme fotovoltaice au fost instalate în toată
lumea. Ele sunt folosite în orase mici, precum şi în sate în care
implementarea unui astfel de sistem este mai rentabilă decât conectarea
la reţeaua electrică sau folosirea de baterii / minigeneratoare de curent.
Astfel de sisteme au functionat perioade lungi de timp în domenii ca
pomparea apei, electrificarea unor localitaţi sau case izolate, gestionarea
unor rezerve de apă, aparate de taxat pentru parcări, telecomunicaţii sau
Page 11 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
protecţie catodica. Totuşi, în ciuda succesului acestor sisteme în toată
lumea piaţa lor reprezintă numai un procent mic din ceea ce ar putea
reprezenta piaţa de sisteme independente. Existenţa sistemelor
fotovoltaice şi rentabilitatea implementarii lor, atât la nivel urban cât şi
rural nu este cunoscută de potenţialii utilizatori. Deasemenea, există
concepţii gresite privind tehnologia fotovoltaică, ca de exemplu ideea că
sistemele fotovoltaice functionează numai în lumina solara intensă,
tehnologia este prea sofisticată sau ideea că ar fi prea scumpă comparativ
cu extinderea reţelei electrice.
Un panou solar fotovoltaic spre deosebire de un panou solar
termic transformă energia luminoasă din razele solare direct în energie
electrică. Componentele principale ale panoului solar reprezintă celulele
solare.
Panourile solare se utilizează separat sau legate în baterii pentru
alimentarea consumatorilor independenţi sau pentru generarea de curent
electric ce se livrează în reţeaua publică.
Un panou solar este caracterizat prin parametrii săi electrici cum ar
fi tensiunea de mers în gol sau curentul de scurtcircuit.
Pentru a îndeplini condiţiile impuse de producerea de energie
electrică, celulele solare se vor asambla în panouri solare utilizând diverse
materiale, ceea ce va asigura:
protecţie transparentă împotriva radiaţiilor şi intemperiilor
legături electrice robuste
protecţia celulelor solare rigide de acţiuni mecanice
protecţia celulelor solare şi a legăturilor electrice de umiditate
asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare
Page 12 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
proteţia împotriva atingerii a elementelor componente
conducătoare de electricitate
posibilitatea manipulării şi montării uşoare
Fenomenul generarii unui curent electric într-un
circuit sub acţiunea luminii prin efect fotovoltaic a
fost descoperit de fizicianul francez Becquerel în anul
1839. Acesta a observat că, unul dintre electrozii
circuitului electric cufundat într-o soluţie de electrolit
iluminat în circuit apare un curent electric. Ulterior
Frenkel (1935), Landau(1936) şi alţi fizicieni au
descoperit că, prin iluminarea unei secţiuni din suprafaţa unui
semiconductor, iar cealaltă secţiune din suprafaţa semiconductorului
ramâne neluminată, între capetele semiconductorului apare o diferenţă de
potenţial. Acest fenomen a fost pus în evidenţă cu ajutorul unui
semiconductor prevazut cu doi electrozi metalici, conectaţi la un
galvanometru.
Dacă iluminăm o regiune din suprafaţa semiconductorului, iar
cealaltă regiune ramâne neluminată, acul indicator al galvanometrului va
indica prezenţa unui curent electric în semiconductor. Se cunoaşte că,
lumina este alcatuită din particule, fotoni. Fiecare foton are o anumită
energie caracteristică nivelului energetic al învelişului electronic al
atomului de unde provin sau sunt emişi.
Aceşti fotonii sunt fotoni electronici termici:
- infraroşii
- vizibili
- ultravioleti
Page 13 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
La interacţiunea fotonilor electronici cu substanţa-materia se produc
urmatoarele procese:
- un foton electronic poate fi absorbit de un electron situat pe o orbită
energetică fundamentală inferioară din învelişul electronic al atomului,
electronul va trece pe o orbită superioară, aici electronul nu are o situaţie
stabilă datorită fotonului şi energiei absorbite, va reveni pe orbita
fundamentală inferioară de unde a plecat iniţial, emitând fotonul şi energia
absorbită
- un foton electronic smulge un electron din învelişul electronic al
atomului consumându-şi complet energia, electronul eliberat se numeşte
fotoelectron
- un foton electronic se ciocneşte cu un electron din învelişul electronic al
atomului pe care îl smulge din atom, căruia îi transmite numai o parte din
energia sa, fotonul este deviat de la direcţia sa iniţială şi are o frecvenţă
mai mică (Eí = hní) decât cea pe care a avut-o înaintea ciocnirii cu
electronul, iar electronul smuls din învelişul electronic al atomului se
numeşte electron Compton.
Dacă un astfel de foton intră în secţiunea p a semiconductorului, el
poate fi absorbit aici. Într-un corp solid atomii au o configuraţie
caracteristică fiecarui material. O configuraţie care se repetă periodic în
volumul materialului formează o reţea cristalină. În nodurile reţelei
cristaline se află atomii, iar legăturile dintre aceştia sunt realizate cu
ajutorul electronilor care au sarcină electrică negativă şi gravitează în jurul
nucleelor incarcate pozitiv. Dacă electronii se deplasează liberi în reţeaua
cristalină, corpurile sunt bune conductoare de electricitate, iar dacă
electronii nu se pot deplasa liberi în reţeaua cristalină corpurile nu sunt
bune conductoare de electricitate.
Page 14 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Metalele sunt bune conductoare de electricitate, iar izolatorii nu sunt
buni conductori de electricitate. Semiconductorii se situează din punct de
vedere al conductanţei electrice între metale şi izolatori. Semiconductorii
sunt buni conductori de electricitate în momentul în care materialul
comunică energie din exterior, iluminare sau încălzire.
Sub interacţiunea energiei primite din exterior, electronii ies din
starea în care se află iniţial în reţeaua cristalină şi se deplasează liberi în
reţea. Energia de activare a electronilor este produsă prin iluminare sau
încălzire.
În semiconductori există două tipuri de purtători de sarcini, electronii
purtători de sarcini negative şi ioni pozitivi sau goluri purtători de sarcini
pozitive. Un gol sau o sarcină pozitivă ia naştere în momentul în care unui
electron ii s-a comunicat energia de activare şi părăseşte atomul care
devine, ion pozitiv. Dacă un câmp electric exterior obligă electronii să se
deplaseze ordonat, locurile rămase goale se deplasează în sens contrar
mişcarii electronilor.
Semiconductorul în care numărul sarcinilor negative, electronii este
egal cu numărul sarcinilor pozitive, goluri se numeşte semiconductor
intrinsec.
O dată cu comunicarea energie de activare, în material va creşte
numărul purtătorilor de sarcini negative şi pozitive în mod egal, deoarece
la smulgerea unui electron din legătura sa atomică apare simultan şi un
gol, se generează o pereche electron-gol.În felul acesta creşte
conductibilitatea electrică a semiconductorilor.Conductibilitatea
semiconductorilor creşte foarte mult când aceştia conţin impurităţi.
Dacă în reţeaua cristalină a siliciului care are patru electroni de
valenţă, introducem un atom de arsen care are cinci electroni de valenţă.
Unul din electronii de valenţă ai arsenului este în plus faţă de numărul de
Page 15 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
electroni de valenţă ai siliciului,
iar în raport de satisfacerea a
legaturilor de valenţă siliciu-arsen,
electronul în plus este slab legat
de atomul de arsen şi devine
liber.În acest caz atomul de arsen
devine ion pozitiv.
Siliciul impurificat cu arsen (electroni) este un semiconductor de tip
n, iar arsenul este o impuritate care donează electroni. Dacă în reţeaua
cristalină a siliciului care are patru electroni de valenţă, introducem un
atom de galiu care are trei electroni de valenţă, electronii de valenţă ai
galiului au în minus un electron faţă de numărul de electroni de valenţă ai
siliciului, iar în raport de satisfacerea a legaturilor de valenţă siliciu-galiu,
apare un gol legat de atomul de galiu. Dacă iluminăm semiconductorul
siliciu-galiu, un electron de valenţă din reţea va completa electronul lipă,
iar atomul de galiu devine ion negativ. Siliciul impurificat cu galiu (goluri)
este un semiconductor de tip p, iar galiu este o impuritate acceptoare de
electroni.
Semiconductoare impurificate controlat sunt semiconductoare
extrinseci. Semiconductoarele de tip n care au un exces de sarcini
negative, electronii se numesc purtători de sarcini majoritare. În aceste
semiconductoare de tip n există şi purtători de sarcini pozitive (goluri), dar
în număr foarte mic se numesc purtători de sarcini minoritare. Prin
iluminarea semicondutoarelor de tip n le comunicăm energia de activare
care duce la apariţia de perechi electron-gol, dar fiindcă în semicondutorul
de tip n există deja foarte mulţi electroni liberi, numărul electronilor nou
creaţi va fi foarte mic faţă de numărul iniţial de electroni.
Semiconductoarele de tip p care au un exces de sarcini pozitive
(goluri) se numesc purtători de sarcini majoritare. În aceste
Page 16 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
semiconductoare de tip p există şi purtători de sarcini negative (electroni),
dar în număr foarte mic ce se numesc purtători de sarcini minoritare. Prin
iluminarea semicondutoarelor de tip p le comunicam energia de activare
care duce la apariţia de perechi electron-gol, dar fiincă în semicondutorul
de tip p există deja foarte multe goluri libere, numărul electronilor nou
creaţi va fi foarte mic faţă de numărul iniţial de goluri.
De aici, putem trage concluzia ca, prin iluminarea
semiconductoarelor extrinseci se afecteaza doar numărul purtătorilor de
sarcini minoritare, iar numărul purtătorilor de sarcini majoritare rămâne
aproape neschimbat.
În prezent, se utilizează semiconductori în care fenomenul conversiei
fotovoltaice are loc la contactul dintre doi semiconductori, unul de tip n şi
altul de tip p, adică o joncţiune p-n. Semiconductori de acest tip se pot
realiza din doi semiconductori realizaţi din bucăţi de materiale diferite sau
din acelaşi material. În ambele cazuri contactul lor se realizează mecanic.
În cazul utilizarii unor bucăţi diferite de material pentru realizarea
semiconductoarelor, de exemplu semiconductor din siliciu de tip n şi
semiconductor din germaniu de tip p, sau invers, joncţiunea dintre cei doi
semiconductori se numeşte heterojoncţiune. În cadrul aceluiaşi
semiconductor putem realiza două secţiuni, una de tip n şi cealaltă de tip
p. Astfel, în semiconductoarele de siliciu în care avem două secţiuni
interiore adiacente, una de tip n şi alta de tip p, joncţiunea obţinută se
numeşte homojoncţiune. În cazul secţiunii n a semiconductorului se află
mai mulţi electroni (majoritari) şi foarte putine goluri (minoritari), iar în
secţiunea p se află mai multe goluri (majoritari) şi foarte putini electroni
(minoritari).
Electronii majoritari din secţiunea n sunt foarte inghesuiţi şi tind să
părăseascăa secţiunea n şi să treacă în secţiunea p. Electronii liberi în
Page 17 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
stare de inghesuială din secţiunea n constranţi să stea într-un domeniu
finit, trec în secţiunea p în mod liber, poartă denumirea de difuzie.
Dacă nu intervine nici o altă cauză din exterior asupra acestei difuzii,
ea continuă până ce numărul de particule se egalează între cele două
secţiuni care reflectă principiul de energie minimă şi sileste atomii din
material să ocupe poziţii bine determinate în reţeaua cristalină.
La deplasarea electronilor din secţiunea n în p, în zona I rămân ionii
pozitivi, golurile, iar la deplasarea golurilor din secţiunea p în regiunea n,
în zona II rămân ionii negativi, electronii.
O trecere ulterioară a electronilor din zona I în zona II va fi franată de
prezenţa sarcinilor negative, electroni
care au aceeaşi sarcină electrică, se
resping reciproc. O trecere ulterioară a
golurilor din zona I în zona II va fi franata
de prezenţa sarcinilor pozitive, goluri care
au aceeaşi sarcină electrică, se resping
reciproc.
Concentratiile de electroni şi goluri nu vor putea să se uniformizeze
în cele două secţiuni n şi p, ci se va stabili o situaţie de echilibru pentru
deplasarea electronilor şi separat o situaţie de echilibru pentru deplasarea
golurilor din aceaşi zonă. În cazul acesta rezultă, sarcini pozitive +,
necompensate în zona I şi sarcini negative -, necompensate în zona II.
În prezenţa jonctiunii n-p şi a fenomenului de difuzie s-au separat
sarcinile pozitive de cele negative din secţiunile cu care ele se compensau
iniţial. Ca atare, va aparea un câmp electric E intern şi corespunzător o
tensiune U internă în zonele I şi II.
Page 18 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Pe ansamblul celor două secţiuni n şi p, sarcina negativă se va
echilibra sarcina pozitivă, pe ansamblu semiconductorul îşi pastrează
neutralitatea electrică. Aceasta a fost comportarea unei joncţiuni p-n în
echilibru termic fără acţiuni perturbatoare exterioare.
Dacă supunem această structură echilibrată intern acţiunii luminii va
avea loc o perturbaţie externă. Dacă lumina(fotonii) va cadea pe secţiunea
p a semiconductorului, este absorbită aici. Dacă energia fotonilor este mai
mare decât energia de activare, va genera perechi electroni-goluri, iar
dacă energia fotonului este mică, el va trece prin semiconductor cedându-
şi energia parţial sau total reţelei cristaline care se va încălzi fără a putea
însă produce perechi de purtători.
Electronii şi golurile nou create se mişca liber în interiorul secţiunii p
prin fenomenul de difuzie. Electronii ajung la joncţiune unde vor fi atraşi
de sarcină pozitivă a zonei I şi vor trece joncţiunea. Golurile vor fi respinse
de zona I şi sunt nevoite să ramana în secţiunea p. Astfel apare o separare
a purtătorilor de sarcină nou creaţi şi prezenţa campului electric E intern la
joncţiune, ca urmare în secţiunea p apare o sarcină necompensabilă
pozitivă.
Dacă fotonii vor cadea pe secţiunea n a semiconductorului, ei sunt
absorbiţi aici. Dacă energia fotonilor este mai mare decât energia de
activare, va genera perechi electroni-goluri. Electronii şi golurile nou
create se mişca liber în interiorul secţiunii p prin fenomenul de difuzie.
Golurile fiind în exces ajung la joncţiune unde vor fi atraşi de sarcină
negativă a zonei II şi vor trece joncţiunea. Electronii vor fi respinsi de zona
I şi sunt nevoiţi să rămână în secţiunea n, ca atare în această secţiune n
apare o sarcină necompensata negativă.
Deci, în urma interacţiunii fotonilor cu semiconductorul, în interiorul
acestuia apar sarcini electrice pozitive în secţiunea p şi sarcini electrice
Page 19 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
negative în secţiunea n şi a unui câmp electric E cu sensul opus câmpului
E intern.
Dacă numărul de fotoni este suficient cele două câmpuri se anulează
reciproc şi nu mai poate exista câmpul intern care să separe purtătorii de
sarcină. Aceasta este condiţia ce determină tensiunea în gol a
homojoncţiunii U interne. Dacă inchidem circuitul pe o rezistenţă de
sarcină E prin acesta va trece un curent, deci se consumă o energie
electrică ce reprezintă o fracţiune din energia fotonilor incidenţi.
Fracţiunea de energie a fotonilor incidenţi se numeşte randament n
şi caracterizează un anumit tip de fotoconvertor.
Până în prezent s-au realizat celule
fotovoltaice cu un randament de aproximativ
11%.
O celula fotovoltaică din siliciu se
compune dintr-o plăcuţă de siliciu de tip n,
pe care se obţine o secţiune de tip p prin
difuzia unei impurităţi acceptoare,
realizandu-se o joncţiune p-n, electrodul superior care în unele cazuri este
acoperit cu un strat de protecţie transparent şi un electrod inferior.
În prezent se utilizează baterii fotovoltaice confectionate din astfel
de celule fotovoltaice pentru conversia energiei solare în energie electrică.
Satelitii şi navele cosmice sunt echipate şi functioneaza cu ajutorul
unor baterii fotovoltaice.
Funcţionare
Page 20 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Sistemul fotovoltaic mai dispune şi de alte componete iar cele mai
importante sunt acumulatorii şi invertoarele. Sistemele fotovoltaice pot fi
descrise de două categorii principale.
Sisteme independente (Stand-alone systems)
Aceste sisteme sunt utilizate în zone fără energie electrică. În
principiu energia produsă de panourile solare este stocată în baterii, iar de
acolo este furnizată cu ajutorul unui invertor (convertor curent
continuu – curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220V.
Aceste sisteme sunt în general grupate pe aplicaţii profesionale de
telecomunicaţii , sisteme de pompare, iluminat, etc sau pe aplicaţii în
mediul rural fără energie electrică.
Sisteme conectate la reţea (Grid-connected systems)
Page 21 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
Aceste sisteme sunt utilizate în zone cu energie electrică. În
principiu energia produsă de panourile solare este livrată în reţeaua
natională şi în acelasi timp folosită pentru aplicaţiile casnice.
Aceste sisteme permit reducerea semnificativă a costurilor cu
energia electrică consumată dar presupun o investiţie iniţială care se va
amortiza în timp.
Modulule fotovoltaice sunt concepute special pentru consumuri mari
de energie. Panourile fotovoltaice au o durată mare de viată, de
aproximativ 25 ani şi pot fi folosite atât pentru sisteme conectate la
sistemul naţional energetic cât şi pentru sisteme independente.
Componente sistem:
Panouri fotovoltaice: Un număr de panouri fotovoltaice
conectate în serie sau în paralel furnizând curent continuu prin
transformarea radiaţiei solare. Orientarea şi unghiul de
Page 22 of 49
Conversia energiei solare în energie electrică
Referat EIP
înclinare al acestor panouri reprezintă parametri importanţi ai
sistemului, precum şi aşezarea panourilor în zone fără umbră.
Controller fotovoltaic: controlează acumulatorii, îi încarcă şi
descarcă în siguranţă
Invertor: un invertor de putere pentru a transforma curentul
continuu de la panouri în curent alternativ. Caracteristicile
semnalului de ieşire trebuie să fie în conformitate cu
tensiunea, frecvenţa şi limitele reţelei
Acumulatori: poate fi o singură baterie sau mai multe
conectate împreună. Alegerea capacităţii acumulatorii este o
decizie foarte importantă deoarece aceştia trebuie să asigure
furnizarea constantă de electricitate
Consumatori: aparatele electrice din clădire alimentate la
invertor sau la reţea
Aplicaţii ale celulelor fotovoltaice
Ceas de mână
Ceasurile produse de firma japoneză
Citizen sunt dotate cu o celulă solară
inclusă în cadran care încarcă un
acumulator cu litiu având o
independenţă de 150-240 zile şi care
după o funcţionare de 20 ani prezintă o scădere de
capacitate de maximum 20%.
C alculator de buzunar
Calculatoarele de buzunar pot dispune de alimentare
dublă de la baterie şi celulă solară sau alimentare