MOTTO: “Soarele trimite pe Pămînt într-un minut mai multă energie decît consumă toată populaţia globului într-un an. Alegeţi Soarele ca sursă de energie si ve-ţi trăi într-o lume mai curată!” 4
MOTTO:
“Soarele trimite pe Pămînt într-un minut mai multă
energie decît consumă toată populaţia globului într-un
an. Alegeţi Soarele ca sursă de energie si ve-ţi trăi
într-o lume mai curată!”
4
INTRODUCERESCURT ISTORIC AL UTILIZARII ENERGIEI SOLARE
Energia solara a fost folosita de Pamant inca de la inceputul existentei acestei planete.
Energia solara a cauzat rectii chimice si transformari fizice. Tot ea a fost, impreuna cu apa,
factorul cheie al aparitiei vietii pe Pamant; marea majoritate a vietii terestre este dependenta la
ora actuala de Energia Solara, adica de lumina si caldura. Putinele organisme ce nu depind
acum direct de energia solara reprezinta un procent nesemnificativ al Vietii pe Terra, si putem
in consecinta sa afirmam ca fara Soare, viata nu ar fi posibila in sensul cunoscut de noi pana
acum.
Umanitatea, din ce in ce mai civilizata, si mai inteligenta a inteles ca energia solara este
ceva util si de-a lungul istoriei sale sunt numeroase exemplele in care a folosit-o in folosul sau
direct. Iata cateva dintre ele:
- in Grecia Antica , Arhimede a distrus flota invadatoare romana (corabii din lemn)
folosind un sistem de oglinzi (se pare parabolice) cu care a concentrat energia solara pe
corabii, iar acestea au luat foc si invazia s-a terminat cu un dezastru pentru romani.
- celebrul far din Alexandria folosea oglinzi uriaşe ca să indice drumul spre port. Se
spunea că lumina acestuia se vedea şi de la 50 de km depărtare
- grecii au fost şi cei care au utilizat energia luminoasă în scop paşnic aprinzând cu ea
flacăra olimpică.
În 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit că o baterie expusă la soare produce
mai mult curent electric decât una neexpusă. Pentru acest experiment a măsurat diferenţa de
potenţial dintre doi electrozi de platină situaţi unul pe faţa luminată şi celălalt pe faţa umbrită
a recipientului şi scufundaţi într-o baie de soluţie chimică acidă . Când a expus această
construcţie la soare a observat trecerea unui curent printre electrozi. Aşa a descoperit efectul
fotoelectric pe care însă nu îl putea explica încă.
Mărirea conductivităţii seleniului a fost demonstrată în 1873. Zece ani mai târziu a fost
confecţionat prima celulă fotoelectrică “clasică”. După încă zece ani în 1893 a fost
confecţionat prima celulă solară care producea electricitate.
În 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit că lumina incidentă pe anumite
suprafeţe metalice eliberează electroni din suprafaţa acestuia şi astfel a oferit prima explicaţie
referitoare la efectul fotoelectric. Totuşi el nu ştia încă de ce şi la care metale se produce acest
efect. Cu toate acesta pentru această descoperire el a obţinut premiul Nobel pentru fizică în
5
anul 1905. Rezolvarea problemei a venit de la Albert Einstein în 1905 când cu ajutorul teoriei
cuantice a explicat dualitatea luminii ea fiind prezentă în acelaşi timp şi ca particulă şi ca
undă. Până atunci se credea că lumina este doar energie cu diferite lungimi de undă. Einstein
în experimentele sale a constatat că lumina în unele situaţii se comportă ca o particulă, şi că
energia fiecărei particule sau foton depinde doar de lungimea de undă. El a descris lumina ca
o serie de gloanţe ce ating suprafaţa materialului. Dacă aceste gloanţe au suficientă energie,
un electron liber din metalul atins de foton se va elibera din structura acestuia. Totodată a
constatat că energia cinetică maximă a electronului este independentă de intensitatea luminii
şi depinde doar de energia fotonului care l-a eliberat. Această energie depinde totodată numai
de lungimea de undă respectiv frecvenţa luminii. Pentru lucrările sale privind fenomenul
fotovoltaic, a obţinut premiul Nobel pentru fizică în anul 1921. Descoperirea în anul 1949 a
joncţiunii p-n de către William B. Shockley, Walther H. Brattain şi John Bardeen a fost încă
un pas mare în direcţia celulelor. După această descoperire fabricării celulei solare în forma
cunoscută astăzi nu îi mai sta nimic în cale.
Fabricarea primei celule solare în 1954 în laboratoarele firmei americane Bell se datorează
totuşi unei întâmplări fericite. Angajaţii firmei sub conducerea lui Morton Price au observat
cînd cercetau un redresor cu siliciu, că acesta producea mai mult curent cînd era expus la
soare. Ca urmare firma Bell prin contribuţia domnilor Chapin, Fuller şi Pearson a dezvoltat
în 1953 primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen dar care aveau un randament de
doar 4 % care a fost mărit la 6 % prin schimbarea impurificării. În 1958 au fost testate celule
solare pentru prima dată pe sateliul Vanguard I dotat cu un panou solar având 108 celule
solare pe bază de siliciu. Rezultetele obţinute au fost peste aşteptări – până în ziua de azi
sondele spaţiale până dincolo de marte sunt alimentate cu curent produs de celulele solare, iar
în anul 2011 se va lansa sonda spaţială Juno care va fi prima sondă spaţială spre Jupiter
alimentată cu curent produs de celule solare. S-au atins în spaţiu randamente de până la 10,5
% Aceste rezultate nu se puteau realiza pe pămînt şi datorită condiţiilor diferite din spaţiu
unde nu se regăseşte ritmul zi-noapte şi lumina naturală nu este absorbită parţial de atmosferă
şi nori, totodată radiaţiile cosmice conduc la o îmbătrânire mai rapidă a celulelor solare decât
pe pământ. De aceea industria şi cercetarea încearcă obţinerea unor randamente tot mai mari
în paralel cu prelungirea duratei de viaţă.
Randamentul teoretic pentru celule solare pe bază de siliciu se consideră a fi de 29 %
pentru condiţiile de iradiaţie pe spectrul din zona de mijloc. Mandelkorn şi Lamneck au mărit
durata de viaţă a celulelor solare în 1972 printr-o reflectare a purtătorilor de sarcină minoritari
după ce au introdus un strat numit black surfaces field (BSF) în stratul impurificat “p”.6
În 1973 Lindmayer şi Ellison au confecţionat aşa numita celulă mov ce avea un randament
de 14 %. Prin reducerea reflexiei în 1975 s-a mărit randamentul la 16 %. Aceste celule s-au
numit celule CNR (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatelit ) şi au fost concepute
pentru sateliţi
Criza de la începutul anilor 70 a condus la creşterea preţurilor produselor petroliere având
ca rezultat creştere preţului energiei. Acest lucru a impulsionat cercetările în domeniul
celulelor solare. În 1980 s-a început organizarea de concursuri de automobile acţionate cu
energie electrică obţinută de la module solare.
În 1981 un avion acţionat de energie solară a traversat Canalul Mânecii. Între timp Green
precum şi specialiştii de la Universitatea Stanford şi cei de la Telefunken au dezvoltat cellule
solare cu un randament în jur de 20 % .
Helio electricitatea a apărut în 1930, odată cu dezvoltarea celulei cu oxid de cupru şi apoi
a celei cu seleniu. Abia în 1954 însă, odată cu realizarea în laboratoarele companiei Bell
Telephone a primelor celule fotoelectrice cu siliciu, se întrevede posibilitatea obţinerii de
energie electrică. Foarte rapid utilizate pentru alimentarea vehiculelor spaţiale, dezvoltarea şi
progresele rapide au fost determinate de programele spaţiale. Pe parcursul anilor 1980,
tehnologia fotoelectrică terestră a progresat cu regularitate, prin punerea în funcţiune a mai
multor centrale de câţiva megawaţi şi prin foarte familiarele produse cu consum redus, cum ar
fi ceasuri, calculatoare de buzunar, balize radio şi meteo, pompe şi frigidere solare. Au
contribuit şi evenimente cum ar fi cursele de vehicule solare, care oferă imaginea înaltei
tehnologii ecologice a viitorului. m aratat ant
Evoluţia tehnologiei şi a pieţei de produse fotoelectrice este în general pozitivă.
Ameliorarea metodelor de fabricaţie, ca şi creşterea volumului de producţie, au condus la
reducerea costurilor. Producţia mondială de module fotoelectrice a crescut de la 5 MW-vârf
(MWv) în 1982 la 60 MWv în 1992.
În prezent, 90% din producţia mondială de module se realizează în Japonia, Statele Unite şi
Europa, în special de mari companii ca Siemens, Sanyo, Kyocera, Solarex şi BP Solar, care
deţin 50% din piaţa mondială. Restul de 10% al producţiei mondiale este realizat în Brazilia,
India şi China, care sunt principalii producători de module fotoelectrice din ţările în curs de
dezvoltare.
7
CAPITOLUL IGENERALITAŢI
Datorita arderii combustibililor conventionali, in scopul producerii formelor de energie
necesare confortului lumii moderne, poluarea atmosferica a luat proportii foarte mari, unul
dintre efecte fiind cel cunoscut sub denumirea de efectul de seră.
Captarea energiei solare, una dintre formele de energie regenerabila, si transformarea ei in
energie electrica sau termica, este tot mai incurajata la nivel mondial, intrucat reduce
semnificativ poluarea mediului. Se cunoaste ca utilizarea de panouri solare termice reduce, in
medie, cu 1-1,5 tone emisia de CO2/an/familie.In momentul de fata, la nivel mondial,
principala resursa energetica (aproximativ 70 %) o constituie combustibilii: carbune, petrol,
gaz, lemn, reziduuri combustibile. O alta parte este reprezentata de energia produsa in
hidrocentrale si in centralele nucleare. Din total energie consumata, aproximativ o treime este
utilizata sub diverse forme pentru incalzirea locuintelor si pentru producerea de apa calda
menajera.
La ritmul actual de crestere a populatiei si al dezvoltarii tehnologice, este vizibil ca nevoia
de resurse energetice ieftine si utilizabile pe scara larga creste foarte mult. Incepe totodata sa
se vada foarte clar faptul ca utilizarea resurselor clasice prezinta anumite efecte negative
(emisiile de noxe, riscuri de accidente, efectul de sera, dependenta de resurse si retele
comune) si, cel mai important, resursele clasice devin tot mai costisitoare, atingand in fiecare
an noi recorduri de pret. Este, prin urmare, nu numai interesant ci chiar obligatoriu sa gasim si
sa promovam noi tehnologii privind utilizarea resurselor energetice neconventionale (solara,
eoliana, geotermala etc).
Avantaje:
Energia astfel obtinuta prezinta o intreaga serie de avantaje in raport cu cea obtinuta din
surse traditionale:
- este gratuita
- este in totalitate ecologica, nu emite noxe, nu produce reziduri;
- este practic inepuizabila;
- nu implica instalatii de prelucrare sau transport a resurselor, inainte de utilizare.
Principiul de functionare se bazeaza pe conversia radiatiei solare in caldura si utilizarea
acesteia pentru incalzirea apei. Apa calda obtinuta poate fi utilizata ca atare, sub forma de apa
8
calda menajera sau ca agent termic primar pentru prepararea apei calde menajere intr-un
acumulator. In unele cazuri se poate utiliza si ca agent termic pentru incalzire.
MENTE
9
CAPITOLUL IIREALIZARI IN DOMENIUL PRODUCERII ENERGIEI TERMICE SI
ELECTRICE DIN ENERGIA SOLARA
Una din utilizările radiaţei solare o constituie transformarea acesteia în electricitate prin
intermediul procesului fotoelectric. Termenul de "foto-pilă" (în sensul pilă electrică) este
foarte frecvent utilizat pentru a desemna celula fotovoltică (FV). Trebuie totuşi menţionat că,
în ciuda termenului folosit, într-o celulă nu se înmagazinează deloc energie, sub nici o formă,
nici chimică. Nu este deci o pilă electrică, ci un convertor instantaneu, ce nu poate furniza
energie electrică în absenţa radiaţiei solare. O celulă în întuneric total se comportă ca un
element pasiv.
În plus, celula solară nu poate fi asimilată cu nici un alt tip de generator clasic de energie
electrică de curent continuu. Aceasta deoarece, celula fotoelectrică nu este nici sursă de
tensiune constantă, nici sursă de curent constant. , Celulele fotovoltatice sunt interconectate
pentru a forma module si sunt asezate intre doua straturi ( unul transparent si altul protector)
pentru a forma un panou solar. Puterea electrica acestor module variaza intre 5W si 200W si
uneori si pana la 300W. Modulul solar fiind „caramida” de constructie a unui sistem
fotovoltaic pentru a obtine puterea dorita.
În prezent, randamentul conversiei energiei solare în energie electrică este slab (cel mai
adesea, sub 12 %). Aceasta înseamnă că, într-o zonă cu expunere nominală de 1000 W/m2,
sunt necesari 12 m2 de panouri FV pentru a furniza 1 kWv, ceea ce determină un cost ridicat
al wattului-vârf. Acest randament scăzut, ca şi costurile destul de mari ale sursei
fotoelectrice, au determinat ca utilizatorii să îşi pună problema exploatării la maximum a
puterii electrice disponibile la nivelul generatorului FV. Acest maxim se obţine în general,
prin asigurarea unei bune adaptări între generatorul FV şi consumatorul asociat. Adaptarea se
realizează prin utilizarea convertoarelor statice, care funcţionează în regimuri variate.
Din punct de vedere al energiei captate si a celei rezultate, panourile solare se pot clasifica
in:
- panouri termosolare, care capteaza energia termica solara
- panouri fotovoltaice
- panouri mixte fotovoltaice si termice
Din punctul de vedere al modului de captare avem :
- panouri solare cu conversie directa
10
- panouri solare cu conversie catalitica sau indirecta
Din punctul de vedere al energiei rezultate avem:
- panouri generatoare de energie termica
- panouri generatoare de energie electrica
- panouri generatoare de lumina
- panouri (componente din sisteme) de captare si conversie ale fluxurilor
electromagnetice, ale particulelor usoare sau grele de inalta si joasa energie , altele decat
lumina si caldura (aplicatii stiintifice si militare)
Sistemele fotovoltaice se impart in :
sisteme autonome ,
hibride
conectate la reţea .
Componentele unui sistem fotoelectric depind de aplicaţie: locuinţă izolată sau în
apropierea reţelei, utilizarea unei baterii sau doar a enrgiei solare, existenţa convertoarelor
statice de putere.
Un sistem fotoelectric poate cuprinde:
Celulele solare
Baterii de acumulatoare
Regulatoare de sarcină
Convertoare statice
Alte componente
Sistemele fotovoltaice pot fi descrise de doua categorii principale.
Sisteme independente (Stand-alone systems)
Sisteme conectate la retea (Grid-connected systems)
Sisteme independente (Stand-alone systems)
Aceste sisteme sunt utilizate in zone fara energie electrica. In principiu energia produsa
de panourile solare este stocata in baterii, iar de acolo este furnizata cu ajutorul unui invertor
(convertor curent continuu – curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220V.
11
Aceste sisteme sunt in general grupate pe aplicatii profesionale de telecomunicatii , sisteme
de pompare, iluminat, etc sau pe aplicatii in mediul rural fara energie electrica.
Sisteme conectate la retea (Grid-connected systems)
Aceste sisteme sunt utilizate in zone cu energie electrica. In principiu energia produsa de
panourile solare este livrata in reteaua nationala si in acelasi timp folosita pentru aplicatile
casnice.
Panourile solare mai sunt denumite: captatori, colectoare sau incalzitoare solare si sunt
utilizate pentru producerea de agent termic, sau incalzirea directa a apei, prin captarea unei
anumite parti din spectrul radiatiei solare. Pentru prepararea apei calde menajere si aport la
incalzirea locuintelor se comercializeaza mai multe tipuri de panouri solare. Intalnim frecvent
trei tipuri principale de panouri solare (in ordinea aparitiei pe piata): panouri solare plane,
panouri solare cu tuburi vidate si panouri solare cu tuburi vidate termice, in diverse variante 12
tehnologice. Comportarea fiecarui tip de panouri este diferita, in functie de intensitatea
radiatiei solare si diferenta de temperatura dintre mediul ambiant si agentul termic din
elementul activ al panoului. Acest fapt este determinat de materialele utilizate si in special de
forma geometrica a suprafetei de captare, in conditii similare de pozitionare. . Panourile solare
au aparut din nevoia de a avea alternative la metodele limitate de producere a energiei
electrice si probleme odata aparute cu folosirea acelor metode. Cand vine vorba de probleme,
ne referim in principal la poluarea rezultata in urma arderii de orice tip. Rezumand, panourile
solare nu au facut decat sa ne ajute sa depasim aceste probleme. Pentru tara noastra, solutiile
sunt mai limitate, dar nu foarte mult. Din cauza perioadei tot mai mici in care efectiv nu se pot
folosi panourile solare, tot mai multi se gandesc sa faca o astfel de investitie, ce se poate
rambursa in cativa ani.
Exemplu de cladire care foloseste apa calda obtinuta cu ajutorul panourilor solare termice
România se află în zona europeană B de însorire, ceea ce oferă locuitorilor avantaje reale
pentru a economisi energie termică, respectiv bani, dacă utilizează energia solară. Nivelul de
insolaţie este foarte bun, comparativ cu a altor ţări cu climat temperat,iar diferenţele, funcţie
de zona geografică, sunt foarte mici. România este împărţită în trei zone principale de
însorire:
13
o zona roşie (>1450 kWh/m2/an), coincide cu zona de sud: Oltenia, Muntenia,
Dobrogea şi sudul Moldovei;
o zona galbenă (1300 – 1450 kWh/m2/an), include regiunile carpatice şi subcarpatice
ale Munteniei, toată Transilvania, partea de mijloc şi nord a Moldovei şi tot Banatul;
o zona albastră (1150 – 1300 kWh/m2/an), include, în principal, regiunile de munte
Potentialul de utilizare a energiei solare in Romania este relativ important, existand zone in
care fluxul energetic solar anual, ajunge pană la 1600 kWh/m²/an. In majoritatea regiunilor
tarii, fluxul energetic solar anual, se situeaza intre 1250÷1350 kWh/m²/an.
O alternativa la scara industriala la panourile solare fotovoltaice (cu un cost de productie
ridicat) sunt turnurile solare: cercuri concentrice de oglinzi care reflecta lumina soarelui
catre varful unui turn amplasat in centru. Caldura este folosita pentru incalzirea apei pana la
starea de abur, de aici energia fiind convertita prin lucru mecanic in electricitate.
Turnurile solare incep sa fie folosite din ce in ce mai des in tarile cu soare constant. Recent
Sener din Spania si Masdar din Abu Dhabi si-au unit fortele pentru a produce mai multe 14
turnuri solare intr-o perioada de 5 ani, cu o putere totala insumata de 320 megawati. Tinta
peste 10 ani este de 1000 megawati. Pentru comparatie, o termocentrala pe baza de carbune
produce de obicei pana la cateva sute de megawati.
Turn solar
.
15
CAPITOLUL IIIPRINCIPIILE REALIZARII CELULELOR FOTOVOLTAICE
. Celulă solară O celula solara consta din doua sau mai multe straturi de material
semiconductor cel mai intalnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa intre 0,001
pana la 0,2 mm si sunt dopate cu electron pentru a forma jonctiuni „p” si „n”. Aceasta
structura e similara cu a unei diode. Cand acest strat de siliciu este expus la lumina se va
produce o „agitatie” a electronilor din material si va fi generat un curent electric. Curentul
generat de o singura celula este mic dar combinatii serie, paralel al acestor celule pot produce
curenti suficienti de mari pentru a putea fi utilizati. Aceste celule de obicei sunt incapsulate in
panouri care le ofera rezistenta mecanica si la intemperii. Celulele, au de obicei o suprafaţă
foarte mică şi curentul generat de o singură celulă este mic, dar combinaţii serie, paralel ale
acestor celule pot produce curenţi suficient de mari pentru a putea fi utilizaţi în practică.
Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistenţă mecanică şi la
intemperii.
Celulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii.
după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros şi celule cu
strat subţire.
dupa felul materialului: se întrebuinţează, de exemplu, ca materiale semiconductoare
combinaţiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.
după structură de bază deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv
amorfe.
În fabricarea celulelor fotovaltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, există
posibiltatea utilizării şi a materialelor organice sau a pigmenţilor organici.
3.1 Tipuri de celule solare
1. Celule pe bază de siliciu
o Strat gros
Celule monocristaline (c-Si)
randament mare - în producţia în serie se pot atinge până la peste 20 % randament energetic,
tehnică de fabricaţie pusă la punct; totuşi procesul de fabricaţie este energofag, ceea ce are o
influenţă negativă asupra periodei de recuperare (timp în care echivalentul energiei consumate
în procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generată).
16
Celule policristaline (mc-Si)
la producţia în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic
de energie în procesul de fabricaţie, şi până acum cu cel mai bun raport preţ – performanţă.
o Strat subţire
Celule cu siliciu amorf (a-Si)
cel mai mare segment de piaţă la celule cu strat subţire; randament energetic al modulelor de
la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar şi la o producţie de ordinul TeraWatt
Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si) în
combinaţie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeaşi ca la siliciul amorf
2. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V
o Celule cu GaAs randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură,
la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu, robust
vizavi de radiaţia ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spaţială
(GaInP/GaAs, GaAs/Ge)
3. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI
o Celule cu CdTe utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(depunere de
staturi subţiri pe suprafeţe mari în mediu cu pH , temperatură şi concentraţie de reagent
controlate) ; în laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate până acum au
atins un randament sub 10 %, nu se cunoaşte fiabilitatea. Din motive de protecţia mediului
este improbabilă utilizarea pe scară largă.
o Celule CIS, CIGS
o CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în staţie pilot la
firma Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell
în Berlin,
CIGS este prescurtarea pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în staţie pilot în
Uppsala/Suedia. Producătorii de mai sus promit trecerea la producţia în masă în anul 2007.
4. Celule solare pe bază de compuşi organici
5. Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuşi care pot permite fabricarea
de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuşi, un impediment faptul că aceste celule au un
randament redus şi o durată de viaţă redusă (max. 5000h). Încă (ianuarie 2007) nu există
celule solare pe bază de compuşi organici pe piaţă.
6. Celule pe bază de pigmenţi
17
7. Numite şi celule Grätzel utilizează pigmenţi naturali pentru transformarea luminii în
energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt de
culoare mov.
8. Celule cu electrolit semiconductor
De exemplu soluţia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uşor de fabrict dar puterea şi
siguranţa în utilizare sunt limitate.
9. Celule pe bază de polimeri Deocamdată se află doar în fază de cercetare.
Celulele cristaline sunt „felii taiate” din lingouri sau „piesa turnata” de cristale din siliciu,
iar celulele thin-film contin straturi foarte subtiri din material ieftin ( sticla, inox sau plastic).
Eficienta acestor panouri in functie de tehnologie
18
Randamentul acestor celule solare si module este dependenta de tehnologia (material)
folosita. Materiale diferite si combinatii produc o rata a randamentului diferita. Randamentul
teoretic maxim care poate fi atins este de aproximativ 42 % pentru materialele cunoscute in
prezent. Sunt unele materiale de top care nu sunt prezentate in figura de mai sus si care
sunt utilizate in industria spatiala
.
Tip celula solara
utilizat
Siliciu EFG (Edge-defined
Film-fed Growth)
Randament 10 – 13 %
Descriere Siliciu cristalin – crescut in
blocuri dar in straturi subtiri
Avantaje Fabricare rapidasi economica
Experienta buna
Dezavantaje
Suprafata celulei neregulata si
poate cauza probleme in
procesul de fabricare
Parte din piata
mondiala 3%
Tip celula solara
utilizat Siliciu Amorf
Randament 4 – 6 %
Descriere
Siliciu amorf
Avantaje Fabricare in tehnologie
dezvoltata pentru consumatori
Dezavantaje Randament foarte scazut
Parte din piata 12% 19
Tip celula
solara utilizat
Siliciu
Multicristalin
Randament 9– 13 %
Descriere
Siliciu multicristalin
– granule multiple de
cristal monocristalin
turnat in lingou
Avantaje Fabricare rapida
Experienta buna
Dezavantaje
Proces lung si
complicat de
productie
Parte din piata
mondiala 42%
Tip celula solara
utilizat Siliciu Monocristalin
Randament 10 – 15 %
Descriere
Siliciu monocristalin –
cristal unic si continu
fara aproape nici un
defect
Avantaje Foarte stabil
Experienta indelungata
Dezavantaje Proces lung si
complicat de productie
Parte din piata
mondiala 42%
mondiala
Tip celula solara
utilizat CIS, CdTe
Randament 7 – 10 %
Descriere
Cupru Iridium Deselenit
(CIS) sau Cadmiu telurit
(CdTe)
Avantaje Fabricare rapida
Dezavantaje Tehnoligie relativ noua si
inca neperformanta
Parte din piata
mondiala 1%
3.2 Moduri de construcţie a celulelor solare
Pe lângă materia primă o importanţă mare prezintă tehnologia utilizată. Se deosebesc
diferite structuri şi aranjamente în care se depun electrozii de acoperire transparenţi a căror
rezistenţă nu este deloc neglijabilă. Alte tehnici vizează mărirea eficienţei asigurând absorbţia
unui spectru de frecvenţă cât mai larg prin suprapunerea mai multor materiale cu diferite
caracteristici de absorbţie. Se încearcă selectarea materialelor în aşa fel încât spectrul luminii
naturale să fie absorbit la maximum.Actualmente celulele solare pe bază de materiale
semiconductoare cele mai des comercializate sunt cel pe bază de siliciu.
Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de
energie electrică sunt legate în module. Pe un modul se află mai multe rânduri de celule solare
conectate în serie între ele pe faţa şi pe reversul modulului permiţând, datorită tensiunii
însumate, utilizarea unor conductori cu secţiune mai mică decât la legarea în paralel. Pentru
protejarea unei celule solare împotriva efectului de avalanşă în joncţiune, datorată
potenţialului mai mare (apărută de exemplu la umbrirea parţială a modulului), trebuie
incorporate paralel cu celulele solare diode de protecţie(bypass). Sistemele de panouri solare
sunt înzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind în permanenţă direcţionat
pentru a exploata la maximum energia solară incidentă.
Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina
solară este de 85 %. Acesta se calculează din temperatura suprafeţei soarelui(5800 °K),
temperatura maximă de absorbţie(<2500 °K, tempertura de topire a materialelor greu fuzibile)
şi temperatura mediului înconjurător(300 °K).
20
Absorbţia radiaţiei solare de către Siliciu (mono si policristalin)
Absorbţia radiaţiei solare de către Antimonatul de Galiu
Dacă se utilizează doar o porţiune din spectrul luminii solare, valoarea teoretică se reduce
în funcţie de lungimea de undă, până la 5-35 %. Neutilizarea spectrului complet este una din
de zavantajele celulelor solare faţă de centralele solare termice.
3.3 Principiu de funcţionare
21
Efectul fotoelectric, respectiv transformarea energiei solare ("foton") în energie electrică
("volt") a fost descoperit în 1839 de fizicianul A. Becquerel. Acest efect se bazează pe trei
fenomene fizice simultane, strâns legate între ele:
• Absorbţia luminii de către material
• Transferul energie de la fotoni la sarcinile electrice
• Colectarea sarcinilor
1. Absorbţia luminii
Fotonii compun lumina. Aceştia pot penetra anumite materiale, sau chiar să le traverseze.
În general, o rază de lumină care atinge suprafaţa unui mediu, poate suporta trei fenomene
optice:
Reflexia: lumina este "întoarsă" de către suprafaţă;
Transmisia: lumina traversează obiectul;
Absorbţia: lumina penetrează obiectul şi nu îl mai părăseşte, energia fiind restituită
într-o altă formă.
Energia unui foton este dată de:
în care:
h - constanta lui Planck (6,62.10-34 J.s);
ν - frecvenţa [Hz];
c - viteza luminii (3.108 m/s);
λ - lungimea de undă [m].
22
Într-un material fotoelectric, o parte a energiei fluxului luminos va fi restituită sub formă
de energie electrică. Trebuie deci ca materialul să aibă capacitatea de a absorbi lumina
vizibilă, aceasta fiind ceea ce se doreşte a se converti: lumina solară sau a altor surse
artificiale.
2. Transferul energie de la fotoni la sarcinile electrice (Efectul fotovoltaic )
Constă in apariţia unei tensiuni electromotoare într-un semiconductor luminat.Interacţiunea
dintre un solid şi undele electromagnetice determină, printre alte fenomene, absorbţia radiaţiei
incidente. în cazul semiconductorilor. unui din mecanismele absorbţiei constă în tranziţia unui
electron din banda de valenţă în banda de conducţie (în urma absorbţiei unui foton). în
consecinţă numărul purtătorilor de sarcină liberi creşte, ceea ce determină creşterea
conductivităţii electrice, fenomen numit fotoconductibilitate (sau efect fotoelectric intern).
Generarea perechilor electron-gol sub secţiunea luminii este o condiţie necesară pentru
producerea efectului fotovoltaic dar nu şi suficientă. Noii purtători de sarcină trebuie să se
redistribuie, determinând apariţia unei diferenţe de potenţial între suprafaţa iluminată şi cea
neiluminată.
Redistribuirea poate fi determinată de:
1. generarea neuniformă a purtătorilor de sarcină într-un semiconductor omogen (efecte!
Dember);
2. un câmp intern local din semiconductor care poate fi realizat prin doparea diferită a
semiconductorului (joncţiune p-n);
3. un gradient al timpului de viaţă al purtătorilor de sarcină;
4. prezenţa unui câmp magnetic (efectul fotoelectromagnetic), etc.
Intr-un semiconductor intrinsec, banda de conducţie este nepopulată la OK şi este separată
printr-o bandă interzisă Eg de banda de valenţă ocupată. Diferenţa dintre valoarea maximă a
energiei în banda de valenţă şi valoarea minimă în banda de conducţie determină valoarea
minimă a intervalului de energie interzis.
Intr-un semiconductor extrinsec, nivelele energetice ale impurităţilor se găsesc în zona
interzisă, mai aproape de marginea inferioară a zonei de conducţie pentru atomii donori şi în
vecinătatea marginii superioare a zonei de valenţă pentru atomii acceptori. Deoarece diferenţa
de energie dintre nivelele impurităţilor şi marginea zonei de valenţă sau de conducţie este
mică (cca. 0,01 eV) chiar la temperatura camerei, energia termică este suficientă pentru
ionizarea acestor atomi. Acest lucru explică creşterea conductibilităţii electrice
determinate de impurităţi. Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzis 23
Eg are valori între 0,2 şi 2,3 eV. Deci vor produce tranziţia electronului din B.V. în B.C.
fotonii cu frecvenţe de
cel puţin:
Intervalului energetic 0,2 - 2,3 eVîi corespunde intervalul de lungimi de undă 6,2 - 0,5 µm,
deci fotonii din domeniul vizibil şi infraroşu sunt cei ce determină tranziţia.
Dacă notăm cu n0 şi po concentraţiile electronilor şi golurilor în lipsa iluminării şi la
echilibru termic, sub acţiunea unui câmp electric E apare un curent de drift cu densitatea:
Ţinând cont de legătura dintre vitezele vn şi vp şi mobilităţile µn si µp (vn = µnE
, vp = µpE), se obţine:
deci:
Dacă în urma iluminării concentraţiile electronilor şi golurilor se modifică cu Δn şi Δp, Δn
= Δp, schimbarea conductivităţii va fi:
24
în relaţie ,s-a notat b = µn /µp
Notăm cu α coeficientul de absorbţie definit ca raportul dintre cantitatea de energie absorbită
de unitatea de volum în unitatea de timp şi energia incidenţă pe unitatea de suprafaţă în unitatea
de timp. Se poate arăta că atunci când ad « l (unde d - grosimea stratului semiconductor)
intensitatea radiaţiei este uniformă în probă şi deci Δn şi Δp nu variază în probă. Dacă însă ad
» l intensitatea radiaţiei la distanţa z în probă este;
unde β este coeficientul de reflexie Ia suprafaţa iluminată. In consecinţa va apare un gradient
de concentraţie care va determina apariţia unor curenţi de difuzie pentru goluri şi electroni.
Considerând o variaţie liniară a concentraţiei, densităţile curenţilor de difuzie sunt:
unde Dn şi Dp sunt coeficienţi de difuzie. Curentul total va fi suma dintre curentul de
drift în prezenţa iluminării şi cel de difuzie:
Aşadar, în circuit deschis (jz=0)între faţa iluminată şi cea neiluminată apare un câmp
electric:
şi deci o diferenţă de poteiţial V. Dacă Dn=Dp (atunci când µn = µp) atunci Ez=0 şi
25
Ţinând cont că: n= n0+ Δn , p = p0 + Δ şi Δn = Δp , rezultă:
Intr-o joncţiune p-n, ca urmare a difuziei electronilor din domeniul n în domeniul p şi
difuziei golurilor în sens invers, apare un câmp electric în stratul de baraj şi corespunzător o
diferenţă de potenţial (fig.1). Acest câmp electric împiedică continuarea difuziei şi în acelaşi
timp duce la apariţia unor curenţi de drift care se opun celor de difuzie. în stare de echilibru,
curenţii de difuzie vor fi egali cu cei de drift, astfel încât curentul rezultant va fi nul.
Dacă joncţiunea p-n este iluminată, se vor crea perechi eleetron-gol în exces. Dacă ad » k
fluxul de fotoni va varia exponenţial cu adâncimea, conform relaţiei. Electronii în exces creaţi
în regiunea p pot difuza prin joncţiune şi coboară bariera de potenţial spre zona n. Golurile în
exces create în zona n pot difuza şi ele prin joncţiune. Apare astfel o sarcină pozitivă pe faţap
şi una negativă pe faţa n. Aceste densităţi de sarcină micşorează diferenţa de potenţial de la j0
la j0 - V
Ecuaţia de curent -tensiune este:
unde: jo - densitatea curentului invers la saturaţie în absenţa iluminării,
V - tensiunea aplicată joncţiunii,
k - constanta lui Boltzmann,
jl - curentul de generare independent de V şi direct proporţional cu intensitatea
iluminării (determinat de perechile electron-gol generată de lumina incidenţă).
Relaţia este ilustrată în fig. 2, pentru iluminări diferite ale joncţiunii. Pentru j = 0 se obţine
din relaţia de mai sus, tensiunea în circuit deschis Voc.
26
Figura.2
Curentul de scurt circuit se obţine punând condiţia V=0 în relaţia (13). Rezultă:
3. Colectarea sarcinilor
Pentru ca sarcinile eliberate prin iluminare să genereze energie, trebuie ca acestea să
circule. Trebuie deci extrase din materialul semiconductor şi creat un circuit electric. Această
extracţie a sarcinilor se realizează prin intermediul unei joncţiuni create special în
semiconductor. Scopul este de a crea un câmp electric în interiorul materialului, care va
antrena sarcinile negative într-un sens, iar pe cele pozitive în celălalt sens. Aceasta se
realizează prin doparea semiconductorului.
Doparea cu fosfor induce în siliciu sarcini negative suplimentare. Siliciu dopat cu fosfor
se numeşte dopat n sau N-Si Siliciu dopat n este un conductor electric mai bun decât siliciu
monocristalin pur. (Fosforul are valenţa 5, iar siliciu valenţa 4, prin urmare orice impuritate cu
valenţa mai mare decât a siliciului este capabil să doneze electroni suplimentari).
Doparea cu bor produce semiconductor de tip p (exces de sarcini pozitive). O lipsă de
electroni generează locuri cu ioni pozitivi în siliciul dopat p Aceste locuri încărcate pozitiv se
numesc "goluri".
27
Pentru a înţelege cum funcţionează orice dispozitiv electronic, inclusiv celulele fotovoltaice
este necesar în primul rând să vedem structura semiconductorilor care stau la baza întregii
electronici de astăzi. Germaniu şi siliciu sunt reprezentativi, însă siliciul este cel mai intens
utilizat în aplicaţiile moderne.
3.4 Structură şi dopare
Structura siliciului pur este reprezentată printr-un cristal tridimensional în care atomii ocupă
vârfurile unui cub după cum sunt dirijaţi şi electronii săi de valenţă.
Siliciu este element din grupa a IV-a în Tabelul Periodic din care face parte şi carbonul,
germaniul. Caracteristica esenţială a acestor elemente este ca fiecare atom are patru electroni de
valenţă pe care îi poate pune în comun cu cei ai atomilor vecini formând legături. Dacă există un
factor extern, de exemplu, temperatura, atunci cu creşterea ei, datorită agitaţiei termice o parte din
legături eliberează electroni în reţeaua cristalină. în consecinţă creşte conductivitatea electrică a
siliciului.
Locurile rămase neocupate de electroni (valenţele libere) se numesc goluri. Concentraţiile de
goluri (np) şi electroni (ne) sunt egale, iar semiconductorul se numeşte intrinsec.
Transportul sarcinilor în semiconductorul intrinsec sub acţiunea unui potenţial este prezentă
sugestiv în figura alăturată.Curentul care"curge" prin semiconductorul intrinsec este format din
două componente: electroni şi goluri.
28
Electronii au avut nevoie pentru a "rupe" legătura covalentă de o anumită cantitate de
energie mininu necesara pentru a putea trece liber în spaţiile interstiţiale ale reţelei de siliciu.
Această energie minimă de a trece din stare legată (valenţă) în stare liberă (de conducţie) se
numeşte energic benzii interzise. Golurile rămân localizate pe stările energetice libere din
zona de valenţe (bandă de valenţă) care are o structură de nivele de energie provenită din
nivelele atomice de valenţă ale siliciului. Domeniul de energii pe care le iau electronii liberi
formează banda de conducţie.
In concluzie electronii "sar" între poziţiile reţelei pentru a umple vacanţele lăsate de
electronii eliberaţi. Ei se mişcă liber în zona de energii ce formează banda de conducţie,
Golurile se mişcă în banda de valenţă în sens opus. în exterior întotdeauna măsurăm un curent
de electroni şi nu de goluri.
Cum se formează structura de benzi?!
Atomii individuali au electronii dispuşi pe nivele de energie. Electronii de pe ultimul nivel
energetic sau electronii de valenţă sunt determinanţi în inducerea caracteristicilor de conducţie a
materialelor. Atunci când atomii sunt în stare liberă (vapori sau gaz) ei au configuraţia
electronică conform descrierii din Tabelul Periodic
29
Prin condensare şi solidifieare distanţa dintre atomi se reduce până la atingerea unor valori de
echilibru care sunt dependente de natura atomului şi structura nivelelor energetice a electronilor de
valenţă.
Deşi au aceeaşi configuraţie electronică ns2p2 funcţie de natura interacţiilor reciproce şi a miezului
ionic nivelele energetice ale atomilor se separă în subbenzi de valenţă pe care o ocupă electronii de
valenţă şi în benzi cu nivele energetice libere (banda de conductie) (b5c,d,e)
Lărgimea benzii interzise şi natura conducţiei electrice este puternic determinată de distanţa
interatomică, diametrul atomilor, natura configuraţiilor interne a restului de electroni (miezul ionic).
3.5 Doparea n şi p
Doparea n
Introducerea de impurităţi cum ar fi arsen sau fosfor prin substituirea atomilor de siliciu
induce o creştere a numărului de electroni, iar semiconductorul devine dopat n. Arsenicul sau
fosforul sunt elemente din grupa a V-a din tabelul periodic, având 5 electroni de valenţă. Patru din
ei formează legături chimice cu atomii de siliciu adiacenţi. Al cincilea electron rămâne
neimperecneat şi în consecinţă poate fi deplasat sub acţiunea unui câmp electric.
Semiconduclorii cu exces de electroni se numesc de tip n.
30
Doparea p
Dacă se introduc substituţional atomi cu trei electroni de valenţă ( de exemplu Al din grupa
a-III-a sau Ga) atunci se pot forma numai trei legături x atomii adiacenţi de siliciu. Cea de a
patra legătură nu poate fi formată şi în consecinţă avem un "gol" în cristal sau o lipsă de
electroni. Experimentele arată că acolo unde există un loc iiber atunci electronii se vor deplasa
spre acel spaţiu pentru, a-1 completa. Electronii ce se deplasează să umple un gol va lăsa în
urmă legătura covalentă "goală'" pe care aiţi electroni vor încerca să o completeze. în acest
sens golurile apar a se deplasa ca sarcini pozitive prin cristal Acesta este un semiconductor de
tip p.
Echilibrul termodinamic al purtătorilor de sarcini, potenţialul chimic sau nivelul
Fermi
Pentru a înţelege cum funcţionează joncţiunile din celulele solare este necesar să introducem
o noţiune ce descrie echilibrul sarcinilor electrice din semiconductorii intrinseci sau extrinseci
(dopaţi).
într-un semiconductor intrinsec concentraţiile purtătorilor de sarcini sunt egale. Se pune
întrebarea: care este nivelul maxim de energii pe care ii pot ocupa electronii?. Identic pentru
goluri. La OK unde agitaţia termică este nulă atunci electronii vor ocupa un nivel maxim al
energiei, iar golurile unul minim, iar concentraţiile lor sunt egale. Pentru aceasta,
termodinamica ne spune că potenţialele chimice ale celor două componente trebuie să fie
egale. Enrico Fermi dezvoltă aceasta teorie şi deduce că la OK energia maximă pe care o ocupă
electronii se află la mijlocul benzii interzise pentru semiconductorii intrinseci (A, B).
31
Banda de conducţie (BC): zona de energii unde conducţia electrică ( mişcarea liberă a
electronilor) este posibilă. Electronii cu aceste energii se "eliberează" de atomii originali şi se
mişcă liber prin cristal.
Banda de valenţă (BV): - zona de energii unde conducţia electrică nu este posibilă.
Electronii sunt legaţi de atomi.
Banda interzisă:- intervalul energetic dintre banda de valenţă şi cea de conducţie unde
electronii nu pot rămâne. Ei trebuie fie să câştige energie pentru a trece în banda de conducţie
fie să piardă energie şi să revină în banda de valenţă.
Nivel Fermi : - acesta este cel mai înalt nivel de energie din cristal ce poate fi populat cu
electroni la temperatura de OK. Electronii cu energie mai mare decât valoarea fij sunt
disponibili pentru conducţie, invers ei sunt legaţi în structura cristalului. Nivelul Fermi este
identic ca semnificaţie cu potenţialul chimic definit în termodinamică.
Diagrama A- reprezintă un conductor electric cum ar fi Cu sau Ag. BC şi BV se suprapun,
iar electronii trec liber fără a fi necesar un supliment de energie.
Diagrama B prezintă un izolator tipic (sticle, ceramici). Toţi electronii sunt localizaţi pe
structura atomică şi necesită energii mari pentru a fi extraşi în BC.
Diagrama C reprezintă un cristal dopat N de tipul Si sau Ge. Lărgimea benzii interzise este
prezentă ( 0.5-3 eV), dar mult mai mică faţă de un izolator (> 5eV). Dacă el este dopat N, atunci
electronii au suficientă energie termică pentru a sări în BC. Nivelul Fermi este deplasat înspre
banda de conducţie.
Diagrama D- reprezintă un semiconductor de tip P. Impurităţile de tip P tind să atragă şi să
reţină electronii liberi. Aceasta "trage" nivelul Fermi în jos spre banda de valenţă.
Când punem în contact un semiconductor n cu unul p are loc un transfer reciproc de sarcini
până când nivelele Fermi ale celor două se "echilibrează" (egalitatea potenţialelor chimice). în 32
consecinţă benzile de conducţie şi de valenţă se deplasează spre atingerea unei noi stări de
echilibra (diagrama E). La interfaţa de contact dintre cei doi semiconductori se va forma un
strat de sarcini electrice (strat de baraj) caracteristic joncţiunii p-n ce va crea un câmp electric
a cărui valoare maximă depinde de concentraţiile dopanţilor.
Acum este simplu de înţeles de ce semiconductorul n este expus la lumină într-o celulă solară.
Sub acţiunea radiaţiei incidente se generează perechi electron-gol care vor reduce bariera de
potenţial şi va permite "curgerea" unui curent electric.
în concluzie, conversia cuantei luminoase în energie electrică poate fi făcută cu ajutorul
semiconduetorilor, pentru care excitarea electronului şi generarea de perechi electron-gol indusă de
cuanta luminoasă are un puternic efect asupra conductivităţii.
Nu este suficient ca electronii să fie excitaţi şi să se mişte liber, dacă nu este nici o forţă care sa îi
facă să se mişte. O astfel de forţă poate fi provocată de prezenţa unui gradient al potenţialului electric,
cum ar fi cea găsita injoncţiunea p-n a semiconductorilor dopaţi.
Joncţiunea p-n
O componentă esenţială a unei celule fotovoltaice este joncţiunea p-n. Joncţiunea p-n se
formează atunci când un semiconductor de tip p şi un semiconductor de tip n sunt în contact, deci
au o suprafaţă comună. Iniţial injoncţiunea p-n electronii vor merge în direcţia n-p datorită densităţii de
electroni mai mare în materialul de tip n decât în cel de tip p şi datorită densităţii de goluri mai mare în
banda de valenţă pentru materialul de tip p decât cel de tip n. Putem determina condiţia de echilibru în
funcţie de energia Fermi. Iniţial,energiile Fermi (potenţialele chimice) pentru materialul de tip p şi cel
de tip n , µn şi µp sunt diferite dar la echilibru µp = µn (Fig. 1).
33
unde Ec şi E'c sunt limitele de energie din banda de conducţie, n'(E) este numărul de stări per unitatea
de energie în interval şi f(E) este distribuţia Fermi-Dirac. Dacă electronii sunt liberi rezultă că:
,unde: h este constanta lui Planck şi
m este masa electronului.
Celule Solare (versiunea expunerea la radiaţie semiconductorul p)
Sistemele fotovoltaice sunt sisteme ce produc energie electrică direct din radiaţia solara.
Sistemele fotovoltaice sunt sisteme ce produc energie electrică fără a consuma combustibili
fosil.
Joncţiunea p-n poate fi folosită pentru a converti radiaţia solară în energie electrică. Celula
solară este formată în aşa fel încât materialul de tip p să poată fi expus la radiaţia solară
incidenţă, de exemplu prin depunerea unui strat subţire de material de tip p pe un
semiconductor de tip n. în întuneric, curentul total dat de joncţiune este zero.
Numărul de electroni în banda de conducţie poate fi determinat astfel;
34
Structura celulelor solare se realizează în aşa mod încât să absoarbă cât mai multă lumină
şi să apară cât mai multe sarcini in joncţiune. Pentru aceasta electrodul de suprafaţă trebuie să
fie transparent,contactele la acest strat să fie pe cât posibil de subţiri, pe suprafaţă se va aplica
un strat antireflectorizant pentru a micşora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat
antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albăstruie a celulelor solare care fără aceasta ar
avea o culoare gri-argintie.
Grosimea stratului influenţează culoarea celulei (culoarea de interferenţă). Grosimea
stratului trebuie să fie cât se pote de uniformă, deoarece abateri de câţiva nanometri măresc
gradul de reflexie. Celulele îşi datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce
corespunde lungimii de undă a culorii roşii, culorea cea mai bine absorbită de siliciu. În
principiu însă în acest mod se pot realiza celule roşii, galbene, sau verzi la cerinţe
arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu şi a
bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are şi un rol de a reduce viteza de
recombinare superficială. Atomii de siliciu au 4 legaturi. In conditii stabile devin perfect
izolatoare. Prin impurificarea unui numar mic de atomi de bor cu 5 legaturi (surplus de
electroni), aceasta va avea o sarcina negativa. Razele solare, fotonii, misca surplusul de
electroni, care sunt captate si conduse catre circuitul exterior., ea fiind numit semiconductor
de tip negativ, avand aplicata pe suprafata un strat subtire din bor. Asemanator, prin
impurificarea siliciului cu un numar mic de 3 atomi de fosfor, rezulta lipsa de 1 electron (gol,
gaura) care va avea sarcina pozitiva, ea fiind numita semiconductor de tip pozitiv.
La fabricarea celulelor solare se folosesc cristale de siliciu de inalta puritate, care se obtine
prin aplicarea tehnologiei “topirii zonale”, dupa care se “toarna” in forma de “cuburi”, apoi
taiate in blocuri, care sunt foliate in straturi subtiri numite
“wafers”
35
.
Etapele de realizare a celulelor solare
Fabricarea celulelor solare
Celulele solare obisnuite pot fi confecţionate după mai multe metode de fabricaţie. Materia
primă siliciu este al doilea element chimic din compoziţia scoarţei terestre în privinţa
cantitatăţii. Se regăseşte în compuşi chimici cu alte elemente formând silicate sau cuarţ.
Siliciul brut numit şi siliciu metalurgic se obţine din quarţ prin topire în furnal.Reducera
siliciului se petrece cu ajutorul carbonului la o temperatura de cca 1700 °C, rezultând la
fiecare tonă de siliciu metalurgic de puritate de cca 98-99 % în jur de 1,5 T de CO2. Prin acest
procedeu în 2002 s-au produs 4,1 T siliciu. Mare parte din acesta este utilizat de industrie la
fabricare a oţelului şi în industria chimică şi numai o mică parte în microelectronică şi la
fabricarea de celule fotovoltaice.
Din siliciul brut printr-un proces de fabricaţie în trepte bazat pe triclorsilan se obţine
siliciul policristalin de cea mai mare puritate.
În microelectronică cerinţele de calitate sunt total diferite de cele din fabricarea de celule
fotovoltaice. Pentru fabricarea de celule solare este foarte importantă puritatea plăcii de siliciu
în toată masa ei pentru a asigura o cât mai mare durată de viaţă pentru purtătorii de sarcină, pe
când în microelectronică cerinţa de foarte înaltă puritate se rezumă în principiu la stratul
superior până la o adâncime de 20-30 µm. Deoarece între timp consumul de siliciu de înaltă
puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a întrecut pe cel pentru microelectronică,
actualmente se fac cercetări intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai 36
ieftine optimizate pentru celule solare. Cu toate că procesul de producţie a siliciului pur este
foarte energofag, energia consumată la fabricareaa celulelor solare, în funcţie de tehnologia
utilizată, se poate recupera în 1,5 până la 7 ani. Dacă se ia în considerare că durata de viaţă a
panourilor solare este de peste 20 ani bilanţul energetic rezultat este pozitiv. Siliciul pur în
continuare poate fi prelucrat în mai multe feluri. Pentru celule policristaline amintim
procedeele de turnare Bridgman şi EVG, pe când pentru cele monocristaline procedeul
Czochralski. În fiecare din acestea în procesul fabricare a blocurilor sau barelor se face
simultan şi impurificare cu Bor .
Procedee de fabricatie
1. Procedeul de turnare
Acesta se utilizează la fabricarea siliciului policristalin. Siliciul pur se topeşte într-un
cuptor cu inducţie după care se toarnă într-un recipient de formă pătrată în care se supune la
un proces de răcire cât mai lent posibil în cursul căruia vor apare cristale cât mai mari posibil.
Recipientul are dimensiunile 50×50 cm, masa solidificată având înălţimea de 30 cm. Blocul
astfel solidificat se taie în mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. Un alt mod
reprezintă turnare continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la
dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere. Un alt mod
reprezintă turnarea continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la
dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere.
2. Procedeul Bridgman
Procedeul numit după Percy Williams Bridgman este aplicat tot în procesul de fabricare a
siliciului policristalin. Siliciul pur se topeşte tot într-un cuptor cu inducţie dar procesul de
răcire în urma căruia în masa topită se formează mari zone ocupate de câte un cristal are loc
chiar în cuptor. Materialul se supune unei încălziri progresive pornind de la bază astfel încât
în momentul topirii stratului superior, la bază deja se produce întărirea materialului.
Dimensiunile blocurilor obţinute sunt mai mari (60×60 cm ÷70×70 cm) cu înălţimea de 20-25
cm, şi se procedează la tăierea lor în blocuri mai mici având lungimea de 20-25 cm.
3. Procedeul Czochralski
Este utilizat la fabricarea de bare lungi monocristaline. Înainte de tăierea plăcilor necesare
celulelor, barele cilindrice rezultate se ajustaează astfel încât să prezinte o secţiune pătrată.
37
4. Procedeul de topire zonală
Se mai numeşte şi procedeu Float-Zone şi se aplică tot la producerea monocristalelor de
siliciu sub formă de bară. Puritatea materialului obţinut fiind superioară celei necesitate în
confecţionarea celulelor solare, şi costurile fiind mari, prodedeul este rar utilizat. Singura
firmă ce utilizează acest procedeul este SunPower din Statele Unite.
5. Fabricare de waferi (discuri/plăci subţiri de siliciu)
Din barele de cristal vor fi secţionate plăcuţe(wafer) cu un fierăstrău special constând
dintr-o sârmă lungă pe care s-au aplicat particule de diamant şi care este înfăşurată pe cilindri
ce se rotesc. Un bloc este complet secţionat în plăcuţe de cca 0,18…0,28 mm la o singură
trecere. Praful rezultat în urma debitării este inutilizabil şi reprezintă până la 50 % din
material. Pentru obţinerea de plăcuţe de siliciu la început se utiliza materia primă excedentară
rezultată din fabricarea de circuite integrate, care nu corespundea calitativ dar era potrivită
pentru fabricarea celulelor solare. Datorită cererii mult crescute a producţiei de panouri solare,
această sursă are o importanţă nesemnificativă. Celulele monocristaline prezintă o suprafaţă
omogenă, pe când la celulele policristaline se pot deosebi zone distincte cu cristale având
orientări diferite, ceea ce creează o imagine asemănătoare florilor de gheaţă. În stadiul de
plăcuţă(wafer) faţa şi reversul plăcuţei nu se deosebesc.
6. Procedeul EFG
EFG este prescurtarea de la Edge-defined Film-fed Growth. Prin acest procedeu dintr-o
cadă de grafit încălzită electric se trag în sus tuburi octogonale de cca 6 până la 7 m cu o
viteză de cca 1 mm/s. Lăţimea unei feţe este de 10-12.5 cm, iar grosimea peretelui atinge cca
280 µm. Apoi tuburile vor fi tăiate de-a lungul canturilor cu un laser NdYAG, după care
fiecare faţetă pe baza unei grile de-a latul. Astfel se pot realiza celule cu diferite dimensiuni
(de exemplu 12.5×15 cm sau 12.5×12.5 cm). În acest fel se obţine o întrebuinţare de 80 % a
materialului disponibil. Celulele astfel realizate sunt deobicei policristaline, care la vedere se
deosebesc clar de cele debitate, printre altele suprafaţa lor este mai ondulată. Acest procedeu
se mai numeşte şi procedeu octagonal sau de extrudare.
7. Procedeul String-Ribbon
Mai există un procedeu dezvoltat de firma Evergreen Solar din Statele Unite care constă în
tragerea cu ajutorul a două fire a unei pelicule din siliciul topit. În cursul acestui proces
rezultă mai puţine deşeuri (şpan ce trebuie înlăturat) ca la procedeele uzuale.38
8. Procedeul cu transfer de strat
La acest procedeu direct pe un substrat (corp subţire solid, deobicei cu o orientare
cristalină predefinită) se creşte un monocristal de siliciu sub forma unui strat de cca 20 µm
grosime. Ca material purtător se pot utiliza substraturi ceramice, sau siliciu supus unui
tratatament superficial. Placa(wafer) formată ca fi deprinsă de stratul purtător care în
continuare va putea fi reutilizată. Avantajele procedeului constau în consumul de siliciu
semnificativ redus datorită grosimii mici, şi lipsa deşeurilor din debitare (pas ce nu mai mai
apre în acest procedeu). Randamentul atins este mare şi se situează în domeniul celulelor
monocristaline.
9. Fabricarea de celule din siliciu „murdar“
Procesul de topire şi impurificare zonală se poate aplica şi în cazul suprafeţelor
plate/straturi. Principiul constă în faptul că impurificarea, prin tratamentul termic (multiplă
retopire prin deplasare laterală de exemplu cu ajutorul unui fascicol laser) al siliciului, poate fi
concentrată în câteve locuri.
Prelucrarea plăcilor de siliciu
Plăcile debitate vor fi trecute prim mai multe băi de spălare chimică pentru a înlătura
defectele de debitare şi a pregăti o suprafaţă potrivită captării luminii. Pentru aceasta s-au
elaborat diferite procedee utilizate de fabricanţi.
În mod normal în această fază plăcile sunt deja impurificate cu bor. Aceasta înseamnă că se
găseşte deja un surplus de goluri care pot capta electroni deci avem o impurificare tip “p”. Pe
parcursul procesului de fabricare a celulei solare pentru crearea unei joncţiuni “p-n” este
necesar să impurificăm suprafaţa ei cu impurităţi de tip “n” ceea ce se poate realiza într-un
cuptor într-o atmosferă de fosfor. Atomii de fosfor pătrund în suprafaţă şi vor crea o zonă de
cca 1 µm cu un surplus de electroni.Pasul următor va consta în adăugarea unui electrod
transparent din SiNx sau TiO2 .Urmează imprimarea zonelor de conact şi a structurii necesare
pentru colectarea curentului generat. Faţa celulei este prevăzută de cele mai multe ori cu două
benzi pe care ulterior se vor fixa legăturile dintre mai multe celule. În afară de aceasta se va
aplica o grilă conductoare foarte subţire , care pe de o parte deranjează foarte puţin intrarea
luminii, pe de altă parte micşorează rezistenţa electrică a electrodei. Reversul plăcii de regulă 39
este complet acoperit cu un material bun conductor de electricitate.După procesare, celulele
vor fi clasificate după proprietăţile lor optice şi electrice, mai apoi sortate şi asamblate în
panouri solare.
Celule solare cu strat subţire
Celule solare cu strat subţire din siliciu amorf pe sticlă, 4 celule pe rând
Vedere din spate (din partea stratului, lăcuit maro)
Celulele solare cu strat subţire se găsesc în diferite variante după substrat şi materialul
condensat având o varietate a proprietăţilor fizice şi a randamentului pe măsură. Celulele
solare cu strat subţire se deosebesc de celulele tradiţionale (celule solare cristaline bazate pe
plăci de siliciu) înainte de toate în tehnologia de fabricaţie şi grosimea stratului materialului
întrebuinţat. Proprietăţile fizice ale siliciului amorf, care se deosebesc de cele ale siliciului
cristalin determină proprietăţile celulelor solare. Anumite proprietăţi nu sunt încă pe deplin
clarificate din punct de vedere teoretic.
Chiar şi la celulele solare cristaline lumina este absorbită deja într-un strat superficial (de o
adâncime de cca 10 µm). Ar fi deci de preferat să se fabrice celulele solare cu un strat foarte
subţire. În comparaţie cu celulele din plăci de siliciu cristalin celule cu strat subţire sunt de
100 de ori mai subţiri. Celulele cu strat subţire se obţin de cele mai multe ori prin condensarea
din fază gazoasă direct pe un material purtător care poate fi sticlă, folie metalică, material
sintetic, sau alt material. Procesul costisitor de debitare a blocurilor de siliciu descris în
capitolul anterior poate fi deci eliminat.
40
Cel mai întrebuinţat material pentru celulele cu strat foarte subţire este siliciul amorf (a-
Si:H). Modulele cu celule de acest tip au o durată de viaţă lungă. Testele confirmă un
randament stabil pe o perioadă de mai mult de 10 ani.
Alte materiale ce se mai pot întrebuinţa sunt siliciul microcristalin (µc-Si:H), arseniura de
galiu (GaAs), teluriura de cadmiu (CdTe) sau legături cupru-indiu-(galiu)-sulf-seleniu, aşa
numitele celule CIS, respective celule CIGS unde în funcţie de tip S poate însemna sulf sau
seleniu. Modulele pe bază de celule cu strat subţire CIS au atins deja un randament de 11-12
% vezi egal cu cel al modulelor multicristaline cu siliciu. Pentru producerea de curent electric
este de dorit un randament mai mare, pe care parţial îl pot oferi şi celulele cu strat subţire. Se
pot atinge randamente în jur de 20 % (de exemplu 19,2 % cu cellule CIS). Totuşi
randamentul nu este singurul criteriu în alegere, de multe ori mai importante sunt costurile la
care se poate produce curent cu ajutorul panourilor solare, iar acestea sunt determinate de
procedeul de fabricaţie utilizat şi de preţul materiei prime. Una din proprietăţile avantajoase a
celulelor cu strat subţire constă în fapul că nu necesită un substrat rigid ca de exemplu sticlă
sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce pot fi fixate pe rucsac sau cusute pe haină, se
acceptă un randament mai scăzut deoarece factorul greutate este mai important decât
transformarea optimă a luminii în energie electrică. O altă proprietate avantajoasă a celulelor
cu strat subţire, mai ales al celor din siliciu amorf este că ele au un mod de fabricaţie mai
simplu şi pot avea o suprafaţă efectivă mai mare. Din acest motiv ele au un segment de piaţă
semnificativ. Utilajele de fabricaţie parţial sunt identice cu cele utilizate în fabricarea de
ecrane plate, şi se pot obţine straturi cu o suprafaţă de peste 5 m². Cu procedeul de fabricaţie
bazat pe siliciu amorf se pot produce şi straturi subţiri din siliciu cristalin, aşa numitul siliciu
microcristalin combinînd proprietăţile siliciului cristalin ca material pentru celule solare cu
avantajele metodelor utilizate în tehnica filmului subţire. Prin combinarea siliciului amorf şi a
celui microcristalin au fost obţinute măriri substanţiale de randament în ultimul timp. Un
procedeu de producere a celulelor cu strat subţire din siliciu este CSG (Crystalline Silicon on
Glass); prin acesta se depune un strat subţire de mai puţin de 2 µm direct pe o suprafaţă de
sticlă; după un tratament termic se obţine structura cristalină. Circuitele pentru curentul
electric se aplică cu ajutorul tehnicii laser şi celei utilizate în imprimantele cu jet de cerneală.
Celule cu concentrator
La acest tip de celulă se economiseşte suprafaţă de material semiconductor prin faptul că
lumina este concentrată pe o suprafaţă mai mică prin utilizarea lentilelor, acestea fiind mult
mai ieftine decât materialul semiconductor. În mare parte la acest tip de celule se utilizează 41
semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V de multe ori aplicate în tandem sau pe
trei straturi. Din cauza utilizării lentilelor, panourile cu acest tip de celule trebuie orientate
incontinuu perpendicular pe direcţia razelor solare.
Celule solare electrochimice pe bază de pigmenţi
Acest tip ce cellule se mai numesc şi celule Grätzel. Spre deosebire de celulele prezentate
pînă acum la celule Grätzel curentul se obţine prin absorbţie de lumină cu ajutorul unui
pigment, utilizându-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenţi se utilizează în principiu
legături complexe al metalului rar ruthenium, dar în scop demonstrativ se pot utiliza şi
pigmenţi organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durată de viaţă
foarte redusă). Modul de funcţionare al acestui tip de celule nu este încă pe deplin clarificat;
este foarte probabilă utilizarea comercială, dar tehnologia de producţie nu este pusă la punct.
Celule solare din compuşi organici
Celule solare din compuşi organici utilizează legături carbon-hidrogen care au proprietăţi
semiconductoare. În aceşti semiconductori lumina excită goluri/electroni din legăturile de
valenţă, care însă au un spectru de lungime de undă destul de restrâns. De aceea deseori se
utilizează două materiale semiconductoare cu nivele de energie puţin diferite pentru a
împiedica dispariţia acestor purtători. Randamentul pe o suprafaţă de 1cm² se cifrează la
maximal 5 % .
Celule bazate pe fluorescenţă
Este vorba de celule solare, care mai întâi produc lumină de lungime de undă mai mare
prin fenomenul de fluorescenţă, ca mai apoi să o transforme la marginile plăcii.
Forme şi mărimi de celule solare.
La începutul comercializării panourilor solare, celulele aveau o formă rotundă, păstrând
forma barelor de siliciu din care au fost debitate. Această formă azi este rar utilizată locul ei
fiind preluat de formele dreptunghiulare de cele mai multe ori pătrate având colţurile mai mult
sau mai puţin teşite. Până la sfârşitul anilor 1990 celulele solare aveau cel mai des mărimea de
fabricaţie de 100×00 mm (în jargonul de specialitate numite celule de 4 ţoli). După aceea au
fost introduse pe scară tot mai largă celulele cu latura de 125 mm, şi de prin anul 2002 şi
celulele cu latura de 150 mm se utilizează tot mai des în modulele standard şi se prevede că
nici celulele de 200×200 nu vor fi o raritate în viitor.42
Îmbătrânirea celulelor solare
Prin îmbătrânire înţelegem modificarea parametrilor de funcţionare a elementelor
semiconductoare a celulelor solare în timp. În cazul de faţă în special scăderea randamentului
pe parcursul vieţii acestora.
Perioada luată în considerare este de cca 20 ani, În condiţii de utilizare terestră,
randamentul scade cu cca 10 %, pe când în spaţiu acest procent se atinge într-un timp mult
mai scurt datorită câmpurilor de radiaţii mult mai puternice.
Pierdere de randament în utilizare se datorează în multe cazuri unor cause banale
independente de celulele solare. Aici enumerăm murdărirea suprafeţelor sticlei de protecţie a
modulelor, mucegăirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetaţia
din jur crescută între timp, ingălbirea polimerilor care constituie materialul de contact între
celulă şi sticlă.
Îmbătrânirea Celulelor solare cristaline
La celulele solare actuale randamentul este de cca 12 - 17 %. Adesea fabricantul acordă o
garanţie la randament de 80 - 85 % (la puterea de vârf) după 20 ani.Rezultă deci după un
timp de utilizare îndelungat pierderi destul de limitate, ceea ce îndreptăţeşte utilizarea
sistemelor cu panouri solare. Pentru îmbătrânirea propriu-zisă a celulelor solare răspunzător
sunt defecte provenite din recombinare, ceea ce reduce durata de viaţă a purtătorilor de
sarcină cu cca 10 % faţă de valoarea iniţială. În celulele fabricate după procedeul Czochralski
îmbătrânire este produsă de crearea de compuşi complecşi cu bor-oxigen.
Îmbătrânirea Celulelor solare amorfe
Aceste celulea ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25 % în primul an de
funcţionare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din
documentele de însoţire nu se dă puterea atinsă la fabricaţie ci puterea de după procesul de
îmbătrânire. Ca urmare acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumpărare decât cele
din documente. Îmbătrânirea se produce sub acţiunea luminii şi este rezultatul aşa numitului
effect Staebler-Wronski(SWE). În cadrul acestuia siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H)
metastabil trece printr-o fază de creştere concentraţiei defectelor cu un ordin de mărime,
paralel cu scăderea conductivităţii şi deplasarea nivelului Fermi către mijlocul distanţei dintre
banda de valenţă şi banda de conducţie. După cca 1000 ore de expunere la soare, celulele de
siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.43
Caracteristici tehnice ale celulelor solare
Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt daţi pentru condiţii standard (STC, Standard Test
Conditions).:
Intensitate luminoasă de 1000 W/m2 în zona panoului,
Temperatura celulei solare constant 25 °C,
AM 1,5 global- Spectrul luminii; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904.
AM 1,5 global indică slăbirea luminii solare la suprafaţa pământului în funcţie de latitudine
datorită parcurgerii unei mase mai mari de aer proporţional cu latitudinea (în acest caz se
consideră latitudinea de 50°). Aceasta corespunde condiţiilor de vară din Europa centrală din
nordul Italiei până în centrul Suediei. În iarnă condiţiile corespund unor valori de AM 4 până
la AM 6. Prin absorbţie atmosferică şi spectrul luminii ce cade pe panou se deplasează. Global
indică faptul că lumina este compusă atât din lumina difuză cât şi din cea directă. Este de
remarcat că în realitate îndeosebi vara la prânz, temperatura celulelor solare (în funcţie de
poziţie, condiţii de vânt etc.) poate atinge 30 până la 60 °C ceea ce are ca urmare o scădere a
randamentului. Din acest motiv se ia în calcul un alt parametru, PNOCT care indică puterea la
temperatura de funcţionare normală (normal operating cell temperature).
furnizează curentul la valori nominale.
Caracteristicile unei celule solare sunt:
Tensiunea de mers în gol UOC (auch VOC)
Curentul de scurtcircuit ISC
Tensiunea în punctul optim de funcţionare UMPP
Curentul în punctual de putere mazimă IMPP
Puterea maximă estimatăPMPP
Factor de umplere. FF
Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei η
Randamentul celulei solare la o suprafaţă iluminată A şi intensitate luminoasă Popt
Celulele solare deci pot ceda o putere de 160 W/ m². Incluse în module puterea pe
suprafaţă va fi mai scăzută pentru că între celule şi marginea modulului este o distanţă. 44
Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou şi putere conţinută în lumina
incidentă totală. Semiconductoare cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a luminii
solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins în acest caz este de 33 %, pe când
randamentul theoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reacţionează la
toate lungimile de undă a luminii solare este de 85 %.
45
Arseniura de galiu (trei
straturi)
25 % (30% la
AM0)>20 ani
Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 20 %, iar modulele construite cu
acestea ating un randament de cca 17 %. Recordul pentru celulele fabricate în condiţii de
laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-au
confecţionat panouri cu un randament de 22 %. Preţul acestor module fabricate prin procedeul
de topire zonală este de cca 200 Euro pe celulă la o suprafaţă a celulei de 21,6 cm2,
corespunzând unui cost de 5-10 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri de 5 până la 10 ori mai
mari.
Îmbătrânirea conduce la scăderea randamentului cu cca 10 % în 25 ani. Fabricanţii dau
garanţii pe cel puţin 80 % din puterea maximă în 20 ani.
În spaţiu constanta solară este mai mare decât iluminarea globală pe pămînt, totodată
celulele solare îmbătrânesc mai repede. Panourile pentru sateliţi ating momentan (2005) un
randament de 25 % la o durată de viaţă de 15 ani.
Scheme de conectare.
Semnul convenţional pentru o celulă solară indică asemănător unei diode sau fotodiode
prin interediul unei săgeţi sensul curentului pentru conectare. Caracteristica unei cellule solare
se deosebeşte totuşi de cea a unei fotodiode ideale. Pentru a modela aceste diferenţe, există
mai multe scheme echivalente.
Schemă echivalentă simplificată
Schemă de conectare şi schemă echivalentă a unei celule solare.
Schema este compusă dintr-o sursă de curent legată în paralel cu o diodă ideală. Această
sursă produce un curent dependent de intensitatea luminii şi este modelat de fotocurentul IPh.
La valoare curentului total contribuie şi curentul prin diodă ID .
46
.
Schemă echivalentă extinsă (Model cu una sau două diode)
1. Model cu o diodă
Model de celululă solară cu o diodă
Schema extinsă ţine cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar în
procesul de fabricaţie. Prin aceasta se încearcă modelarea cît mai exactă din punct de vedere
electric a celulei solare.
Faţă de schema echivalentă simplificată la cea extinsă cu o diodă, schema se întregeşte cu
o rezistenţă legată în parallel şi una legată în serie.
Rezistanţa în paralel Rp ia în considerare defectele de cristal, impurificări neomogene
şi defecte de material prin care apar curenţi de pierdere care traversează joncţiunea p-n. La
celule solare bine construite această rezistenţă este relativ mare.
Cu rezistenţa în serie Rs se iau în considerare efectele în urma cărora creşte rezistenţa
totală a elementelor componente. Acestea sunt în principal rezistenţa semiconductorului,
rezistenţa contactelor şi a legăturilor. La celulele solare această rezistenţă trebuie să fie cât se
poate de mică.
Formula pentru curentul total în acest model este o funcţie recursivă şi arată astfel:
2. Model cu două diode
47
Model cu două diode cu sursă cu limitare de tensiune la efectul de avalanşă la tensiune
inversă.
Faţă de cea anterioară aceastei scheme i se mai adaugă o diodă cu alţi parametri pentru a
evidenţia funcţionarea în regim de tensiune inversă. Formulele pentru această schemă conţin
referiri la conductivitatea gb, tensiunea de străpungere Ub şi coeficientul exponenţial de
avalanşă şi arată astfel: nb:
CAPITOLUL4PANOURI SOLARE
4.1. Panouri solare fotovoltaice
48
Panourile solare fotovoltaice transforma lumina zilei in curent electric. 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
proteţia împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate
posibilitatea manipulării şi montării uşoare
Se cunosc diferite variante de construcţie a modelelor existente de panouri solare.
Panouri fotovoltaice solare
49
Functionarea unui panou fotovoltaic solar
Panouri solare fotovoltaice sunt, de obicei, combinarea in module care detin aproximativ
40 de celule. Un numar mai mare din aceste module pot forma unitati de cativa metri. Aceste
panouri sunt plate si pot fi montate la un unghi de expunere sud-fix sau ele pot fi montate pe
un dispozitiv de urmarire a soarelui care sa le permita sa capteze cele mai lumina soarelui in
decursul unei zile. Mai multe panouri interconectate poat furniza suficienta pentru o putere de
uz casnic.
Pentru utilajele electrice de mare putere sau pentru aplicatii industriale sau de utilitate
publica sunt necesare sute de panouri ce vor fi interconectate pentru a forma un singur sistem.
Celulele solare utilizeaza straturi de materiale semiconductoare doar cativa microni grosime.
Saltul de tehnologie a facut posibil ca aceste sa poata fi integrate in fatade , acoperisuri etc.
Unele celule solare sunt proiectate pentru a functiona cu lumina soarelui concentrata. Aceste
celule sunt construite bazandu-se pe concentrare folosind o lentila de lumina solara . Aceasta
abordare are atat avantaje si dezavantaje in comparatie cu panourile plate. Principala idee este 50
de a folosi foarte putin costisitoarea parte de semiconductor din panourile fotovoltaice in timp
ce colectarea de lumina soara sa fie cat mai mult posibila. Dar, pentru ca lentilele trebuie sa
fie orientate spresoare, utilizarea de colectoare solare concentrate este putin raspandita.
Performanta unei celule fotovoltaice este masurata in curentul electric produs. Din acest motiv
panourile solare fotovoltaice au in cel mai buna caz oeficienta de 15%. O eficienta atat de
mica pe un panou conduce la un numar mare de panouri si deci inseamna costuri mai mari.
Imbunatatirea celulelor solare este principalul obiectiv al industriei fotovoltaice. Primele
celule aveau 4% eficienta si au fost produse in anul 1950. Astazi a treia generatie de panouri
fotovoltaice contin celulde o eficienta de 20% si se spera ca in cativa ani aceasta sa creasca.
Constructia unui panou solar obisnuit
• Un geam (de cele mai multe ori geam securizat monostrat) de protectie pe fata
expusa la soare,
• Un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc
siliconic) in care se fixeaza celulele solare,
• Celule solare monocristaline sau policristaline conectate intre ele prin benzi de
cositor,
• Caserarea fetei posterioare a panoului cu o folie stratificata din material plastic
rezistent la intemperii fluorura de poliviniliden (Tedlar) si Polyester,
• Priza de conectare prevazuta cu dioda de protectie respectiv dioda de scurtcircuitare
(vezi mai jos) si racord,
• O rama din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare si
montare, pentru fixare si rigidizarea legaturii
Partile component ale unui panou fotovoltaic solar
Fabricarea panoului solar
51
Fabricarea incepe intotdeauna de pe partea activa expusa la soare. La inceput se pregateste
si se curata un geam de marime corespunzatoare. Pe acesta se aseaza un strat de folie de etilen
vinil acetat, EVA adaptat profilului celulelor solare utilizate. Celulele solare vor fi legate cu
ajutorul benzilor de cositor in grupe (siruri - strings) care mai apoi se aseaza pe folia de EVA
dupa care se face conectarea grupelor intre ele si racordarea la priza de legatura prin lipire. in
final totul se acopera cu o folie EVA si peste aceasta o folie tedlar. Pasul urmator consta in
laminarea panoului in vacuum la 150 °C. in urma laminarii din folia EVA plastifiata, prin
polimerizare, se va obtine un strat de material plastic ce nu se va mai topi si in care celulele
solare sunt bine incastrate si lipite strans de geam si folia de tedlar. Dupa procesul de
laminare, marginile se vor debavura si se va fixa priza de conectare in care se vor monta
diodele de bypass. Totul se prevede cu o rama metalica, se masoara caracteristicile si se
sorteaza dupa parametrii electrici dupa care se impacheteaza.
Caracteristici technice
Parametrii unui panou solar se stabilesc, la fel ca si cei pentru celule solare, pentru conditii de
test standard.
Caracteristicile unui panou solar sunt:
• Tensiunea de mers in gol UOC
• Curent de scurtcircuit ISC
• Tensiunea in punctul optim de functionare UMPP
• Curentul in punctual de putere maxima IMPP
• Putere maxima PMPP
• Factor de umplere FF
• Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei
• Randamentul celulei solare η
Incapsulare durabila a elementelor componente are o importanta foarte mare deoarece
umiditatatea ce ar putea patrunde ar afecta durata de viata a panoului solar prin coroziune si
prin scurtcircuitarea legaturilor dintre elementele prin care trece curent electric.
Dioda pentru mers in gol (Bypass)
Daca se conecteaza mai multe module in serie, este necesar sa montam cate o dioda
antiparalel cu fiecare panou. Curentul maxim si tensiunea de strapungere ale diodei trebuie sa
fie cel putin egale cu curentul si tensiunea panoului. De multe ori se utilizeaza diode de
redresare de 3 Amper / 100 Volt. Dioda pentru mers in gol este conectata la bornele de 52
legatura ale fiecarui panou astfel incat in regim normal de functionare (panoul debiteaza
curent) are la borne tensiune inversa (catodul diodei legat la polul pozitiv al panoului). Daca
panoul ar fi umbrit sau s-ar defecta nu ar mai debita curent, polaritatea tensiunii la borne s-ar
schimba si acesta s-ar defecta, sau in cel mai bun caz randamentul acelui lant de module ar
scadea. Acest lucru este impiedicat de dioda bypass care preia curentul in acest caz.
Alte tipuri de panouri
• panouri laminate sticla-sticla
• panouri sticla-sticla utilizand rasini aplicate prin turnare
• panouri cu strat subtire (CdTe, CIGSSe, CIS, a-Si) pe suprafete de sticla sau aplicate ca
folie flexibila
• panouri concentrator
Lumina solara se concentreaza cu ajutorul unui dispozitiv Optic pe celule solare de
dimensiuni mai mici. Astfel utilizand lentile comparativ mai ieftine pentru a crea un fascicol
de lumina mai subtire, se economiseste material semiconductor care este mai scump.
Sistemele cu concentrator sunt utilizate de cele mai multe ori la celule solare din
semiconductori pe baza de elemente din grupa III-V. Pentru ca utilizarea lentilelor impune ca
razele solare sa cada perpendicular pe acestea, va fi nevoie de un sistem de orientare mecanica
in functie de pozitia soarelui.
• Colector cu fuorescenta
Acest tip deosebit de panou solar transforma lumina incidenta, prin intermediul unui strat de
material sintetic, in radiatie de o lungime de unda acordata pe frecventa de absorbtie maxima
din celula solara. in acest scop materialul sintetic este impurificat cu un pigment fluorescent.
Lumina solara este absorbita de pigment si reemisa cu o lungime de unda mai mare. Aceasta
lumina generata paraseste stratul de material sintetic doar pe o anumita directie bine
determinata pe toate celelalte directii fiind reflecteta si astfel retinuta in material. Pe directia
emisie se aseaza celulele solare ce sunt optimizate pe lungimea de unda emisa de pigment.
Prin aplicare mai multor straturi de material sintetic si celule solare acordate pe lungimi de
unda diferite, se poate mari randamentul deoarece se poate acoperi un spectru mai larg decat
cu panourile solare obisnuite.
Exportatori, Importatori
Tarile cu cea mai mare productie de module solare sunt Japonia, Germania si China. in timp
53
ce Japonia si China exporta de ani de zile mai mult de jumatate din productie, Germania
import a cca. 2/3 din instalatiiele sale, in cea mai mare parte din China si Japonia.
4.2.Panouri solare termice
Marele avantaj al utilizarii panourilor solare este ca se foloseste drept sursa de energie
soarele. Reactiile termonucleare care au loc in interiorul acestuia genereaza o imensa cantitate
de energie care este livrata in toate directiile, in Sistemul Solar. Distanta fata de soare face ca,
din aceasta energie, Pamantul sa beneficieze la nivelul superior al atmosferei exterioare, de o
putere radianta echivalenta cu aproximativ 1400 W / m2. La trecerea prin atmosfera
intensitatea radiatiei se diminueaza (prin absorbtie la nivelul particulelor de aer, apa, corpuri
solide, prin reflexie si / sau prin difuzie), astfel incat la nivelul scoartei terestre putem conta
pe aproximativ 1000 W / m2. In mod normal aceasta radiatie este absorbita de scoarta terestra,
transformata in caldura, rezultatul fiind printre altele si incalzirea atmosferei pamantului.
Mare parte din aceasta caldura se pierde, prin atmosfera, in exterior. Ideea utilizarii panourilor
solare consta in recuperarea acestei radiatii si transformarea ei in caldura utilizabila in
instalatii domestice (cea mai raspandita utilizare fiind obtinerea apei calde menajere).
Panourile solare au aparut din nevoia de a avea alternative la metodele limitate de
producere a energiei si problemelor odata aparute cu folosirea acelor metode. Cand vine
vorba de probleme, ne referim in principal la poluarea rezultata in urma arderii de orice tip.
Panouri solare nu contribuie la incalzirea globala, deoarece nu contamineaza aerul prin
eliberarea de dioxid de carbon sau alti poluanti. De exemplu combustibili fosili, cum ar fi
carbunele, petrolul si gazele naturale, ce sunt folositi pentru a produce energie, emit circa 10.3
milioane tone de dioxid de sulf, 3.9 milioane de tone oxizi de azot, 2.4 miliarde de tone de
dioxid de carbon, şi peste 50 de tone de mercur, intr-un singur an. Nu numai ca acest lucru
este periculos pentru mediu, dar este un pericol pentru sanatatea populatiei, deoarece aceste
emisii sunt toxice. In fiecare an, aceste emisii de gaze cresc considerabil.
Rezumand, panourile solare nu au facut decat sa ne ajute sa depasim aceste probleme.
Pentru tara noastra, solutiile sunt mai limitate, dar nu foarte mult. Potentialul de utilizare a
energiei solare in Romania este relativ important, existand zone in care fluxul energetic solar
anual, ajunge pană la 1600 kWh/m²/an. In majoritatea regiunilor tarii, fluxul energetic solar
anual, se situeaza intre 1250÷1350 kWh/m²/an. Din cauza perioadei tot mai mici in care
efectiv nu se pot folosi panourile solare, tot mai multi se gandesc sa faca o astfel de investitie,
ce se poate rambursa in cativa ani.54
Panourile solare termice mai sunt denumite: captatori, colectoare sau incalzitoare solare
si sunt utilizate pentru producerea de agent termic, sau incalzirea directa a apei, prin captarea
unei anumite parti din spectrul radiatiei solare.
Pentru prepararea apei calde menajere si aport la incalzirea locuintelor se comercializeaza
mai multe tipuri de panouri solare. Intalnim frecvent trei tipuri principale de panouri solare (in
ordinea aparitiei pe piata):
panouri solare plane,
panouri solare cu tuburi vidate
panouri solare cu tuburi vidate termice, in diverse variante tehnologice.
Comportarea fiecarui tip de panouri este diferita, in functie de intensitatea radiatiei solare
si diferenta de temperatura dintre mediul ambiant si agentul termic din elementul activ al
panoului. Acest fapt este determinat de materialele utilizate si in special de forma geometrica
a suprafetei de captare, in conditii similare de pozitionare.
Graficele de mai jos evidentiaza sintetic rezultatele unor cercetari de prestigiu asupra
modului in care se corecteaza randamentul optic in functie de tipul panoului.
Se observa o foarte buna comportare a panourilor solare cu tuburi vidate si termice, la orice
intensitate a radiatiei solare si diferente mari de temperatura intre agentul termic si mediul
exterior.
55
In functie de modul in care se face transferul termic, se disting trei tipuri de panouri solare:
1. Cu schimbator de temperatura si descarcare intr-un boiler la distanta,
denumite colectoare solare cu tuburi vidate termice.
2. Cu rezervor nepresurizat, atasat la panou, denumite incalzitoare solare nepresurizate
cu tuburi vidate.
3. Cu rezervor presurizat, atasat la panou, denumite incalzitoare solare presurizate cu
tuburi vidate termice.
Fiecare element din instalatie este format din doua tuburi concentrice sudate intre ele,
construite din sticla speciala (foarte rezistenta si transparenta). Partea dintre cele doua tuburi
este vidata iar suprafata interioara a tubului din mijloc este acoperita cu o substanta cu
proprietati absorbante foarte bune. Apa nu intra in tuburi iar transferul de energie termica se
face prin intermediul unor schimbatoare de caldura: bare din cupru cu aripioare aflate in
mijlocul tubului interior.
Cele mai bune performante ale unui panou solar le obtinem de la tuburile vidate.
Tehnologia avansata de fabricatie a sticlei tubului cat si vidarea lui fac din acestea "regele"
energiei solare termice. La randul lor, tuburile, sunt vopsite cu substante speciale care
amplifica absorbtia radiatiei soarelui pe metru patrat de-a lungul unei zile. In functie de tija
interioara, materialul tubului si a absorberului acestea se impart in
1. conductoare,
56
2. superconductoare
3. ultraconductoare .
Fiecare are o anumita forta de colectare si de transformare a energiei in apa calda folosita
menajer sau ca aport la incalzire.
Componenta de bază a colectoarelor si incalzitoarelor solare (panourilor solare) o
constituie
tubul vidat de sticla. Fiecare tub vidat este compus din două tuburi de sticlă, introduse
unul in interiorul celuilalt.
- tubul exterior este confecţionat din sticlă borosilicată transparentă, extrem de
rezistentă, care este capabilă să reziste impactului cu grindină de până la 30 mm diametru.
- tubul interior este fabricat din sticlă borosilicată cu un înveliş special selectat (Al-
N/Al), ce absoarbe foarte bine căldura solară şi are coeficient de reflexie foarte mic.
Stratul vidat dintre tuburi impiedica pierderile de energie solara captata de tubul interior.
Astfel, utilizarea acestui sistem este viabila si in caz de temperaturi foarte scazute, spre
deosebirile de colectoarele solare. In conditii de temperaturi ridicate, diferentele dintre ele
doua tipuri de panouri solare se diminueaza, insa panourile cu tuburi vidate raman
superioare, agentul termic produs cu ajutorul acestora ridicandu-se la temperaturi mai
mari.Pentru a menţine vidul dintre cele două straturi de sticlă este folosit un degazor cu bariu.
În timpul fabricaţiei acest degazor este expus la temperaturi înalte ceea ce face ca partea de
jos a tubului vidat sa fie protejată de un strat pur de bariu. Stratul de bariu reprezintă totodată
un indicator vizual al stării vidului. Stratul de bariu colorat argintiu se va albi dacă tubul este
fisurat.Astfel este uşor de observat dacă tubul funcţionează corect sau nu.
57
Tuburile vidate au si alte avantaje. Datorita profilului circular al tubului, razele solare cad
perpendicular pe suprafata de absorbtie in orice moment al zilei, astfel randamentul panoului
nu scade in functie de unghiul sub care raza solara. In plus, in conditiile in care unele dintre
tuburi sufera daune sau se sparg, panoul poate functiona in continuare, dar cu un randament
mai scazut,
Tuburi vidate conductoare (Heat Pipe)
Sunt tuburi vidate de sticla în interiorul cărora sunt introduse tuburi termice conductoare.
Tubul termic conductor, transferă căldură de la un corp cald la un corp rece si este format
dintr-o ţeavă din cupru, închisă la ambele capete, care conţine o substanţă non-toxică. Această
substanţă, în anumite condiţii de presiune, fierbe la o temperatura joasă (25...30°C), trecând
din faza lichidă în fază gazoasă. Pentru a trece în fază gazoasă, fluidul absoarbe o anumită
cantitate de căldură numită căldură latentă de vaporizare. Această cantitate de căldură va fi
cedată la trecerea inversă din faza gazoasă în faza lichidă. La tubul termic schimbarea
inversă de fază are loc la un capăt al său numit condensator. Aici substanţa condensează şi
cedează căldura absorbită la evaporare. În timpul funcţionării tubului termic, acest ciclu are
loc continuu, căldura fiind transferată de la corpul cald la corpul rece.
58
La colectoarele, sau incalzitoarele solare, condensatorul este introdus într-o teacă din
corpul colectorului imersată în agent termic sau apa de încălzit. Agentul termic sau apa de
încălzit reprezintă corpul rece, iar partea tubului vidat cu depunere selectivă care se încălzeşte
de la soare este corpul cald.
Tuburi vidate superconductoare
Sunt tuburi vidate în interiorul cărora sunt introduse tuburi termice pe care sunt
prinse plăci de colectare a căldurii. Tubul este special asamblat cu ţeava de căldură din sticlă
borosilicată, plăci de colectare a căldurii, învelişul de metal, degazor, terminaţia
schimbătorului de căldură şi siguranţa de protecţie din aluminiu, etc. Învelişurile de absorbţie
pe plăcile colectoare de căldură au un coeficient de absorbţie mai mare de 95 % şi coeficientul
de emisie sub 8 %.
Tuburile termice transferă căldură de la un corp cald la un corp rece.Tubul termic este o
ţeavă din cupru, închisă la ambele capete, care conţine o substanţă non-toxică. Această
substanţă, în anumite condiţii de presiune, fierbe la o temperatura joasă (25...30°C), trecând
din faza lichidă în fază gazoasă. Pentru a trece în fază gazoasă, fluidul absoarbe o anumită
cantitate de căldură numită căldură latentă de vaporizare. Această cantitate de căldură va fi
cedată la trecerea inversă din faza gazoasă în faza lichidă.
59
La tubul termic schimbarea inversă de fază are loc la un capăt al său numit condensator.
Aici substanţa condensează şi cedează căldura absorbită la evaporare. În timpul funcţionării
tubului termic, acest ciclu are loc continuu, căldura fiind transferată de la corpul cald la corpul
rece
4.3 Tipuri de panouri solare
4.3.1 Panouri Solare Nepresurizate
Acest tip de colector solar se utilizeaza pentru prepararea apei calde in perioada
martie - octombrie. Este construit din tuburi vidate individuale ce transfera radiatia solara,
prin convectie, in masa apei din rezervor. Din acest motiv rezervorul de acumulare este
montat in partea superioara a panoului solar. Apa din tuburile vidate se incalzeste, isi reduce
densitatea si se ridica in rezervor, fiind inlocuita de un volum echivalent de apa rece, cu
densitate mai mare. Vidul din tuburile de sticla asigura o termoizolare eficienta, pierderile de
caldura spre exterior fiind extrem de mici. Tuburile sunt introduse in orificiile care
traverseaza peretii rezervorului, fixarea lor facandu-se cu ajutorul suportului inferior .
Etansarea este asigurata cu garnituri speciale. Vasul de acumulare este conectat la reteaua de
alimentare cu apa rece printr-un rezervor de alimentare cu flotor si cu reteaua de consumatori
de apa calda menajera printr-un stut de la partea inferioara. Pe peretele lateral al vasului se
poate monta un senzor de temperatura, intr-un racord filetat.
60
Acestea sunt compuse compuse din:
tuburi de sticlă (borisilicat 3.3) cu pereţi dubli, vidate de tip termos care au două
funcţii importante: asigură izolaţia termică a sistemului şi măreşte puterea de absorbţie a
radiaţiei termice solare;
rezervor (boiler) montat pe suportul metalic, deasupra tuburilor de sticlă vidate;
flotor pentru umplerea automată a rezervorului;
suportul metalic.
Principiul de Functionare :
Tuburile vidate capteaza radiatia solara si o transforma in energie termica, incalzind astfel
apa din tubul interior. Pe masura ce apa se incalzeste, densitatea ei scade. Apa incalzita in tub
se va ridica in rezervorul de acumulare si va fi inlocuita de un volum echivalent de apa rece.
Circuitul natural se va realiza in continuare si apa din rezervor se va incalzi.
Principiul de transfer a energiei termice în masa agentului termic se face prin fenomenul de
termosifonare în interiorul tuburilor de sticlă vidate şi a rezervorului de stocare. Extragerea
agentului termic (apei calde) din rezervorul de stocare, către zona de consum, se realizează
gravitaţional. Din această cauză, panourile solare nepresurizate integrate se montează
întotdeauna deasupra locului de consum, de preferinţă pe acoperişul clădirii. În momentul
consumului, umplerea rezervorului de stocare este controlată automat de către flotorul care
este montat în partea superioară a rezervorului de stocare. Acest tip de panou nu consum
enegie electrică.
Instalarea panourilor solare nepresurizate
Panourile solare nepresurizate se monteaza deasupra celui mai de sus consumator, de
obicei pe acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o inclinatie de 61
aproximativ 45 de grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe tuburi.
Partea acoperisului, unde se va monta panoul trebuie sa aiba o orientare sudica. Daca
aceasta conditie nu este indeplinita, soarele nu isi va trimite razele pe panou pe tot parcursul
zilei. Daca orientarea este sud-estica, atunci soarele va bate mai mult dimineata si dupa-
amiaza, iar daca orientarea este sud-vestica, soarele va bate mai mult dupa-amiaza si seara.
In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi metalice, iar
etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.
Presiunea minima a coloanei de apa calda este data doar de inaltimea la care este montat
panoul.
Avantajele folosirii panourilor solare nepresurizate:
• Sunt cele mai ieftine dispozitive pentru captarea energie solare termice;
• Daca utilizarea apei calde se face numai prin cadere libera, sistemul nu este dependent
de reteaua electrica, in schimb trebuie sa fie amplasat la o inaltime superioara celui mai de sus
consumator;
• Energia pe care o produce este complet gratuita si ecologica;
• Vara acopera 100% necesarul de apa calda menajera, iar primvara si toamna, de la 60
la 80% din necesar;
• Este usor de montat si de intretinut.
4.3.2. Panouri Solare Presurizate Separate
Panouri solare presurizate sunt realizate pe baza cele mai noi şi moderne tehnologii, având
cel mai eficient transfer energetic dintre toate echipamentele care produc energie termică in
mod GRATUIT. Pierderile termice ale panourilor solare cu tuburi vidate sunt practic
inexistente, în schimb pot absorbi căldura şi în cazul radiaţiei solare difuze (soare acoperit de
nori), sau la temperaturi foarte scăzute ale mediului extern.
Tuburile vidate superconductoare din panouri sunt cele mai eficiente dispozitive de captare
a energiei solare datorita folosirii tehnologiei cu heat-pipe din cupru.
Tuburile vidate din panouri capteaza radiatii solare si o transforma in energie termica,
incalzind heatpipe-urile. Caldura este transmisa in capatul superior al heatpipe-ului, care
incalzeste agentul termic (antigel).
62
Acestea sunt compuse din:
tuburi de sticlă (borisilicat 3.3mm) cu pereţi dubli, vidate, de tip termos care au două
funcţii importante: asigură izolaţia termică a sistemului şi măreşte puterea de absorbţie a
radiaţiei termice solare;
pipe termice (tuburi superconductoare) din cupru, în interiorul cărora are loc
fenomenul de trasformare a radiaţiei termice solare în energie termică;
schimbător de căldură din cupru;
suportul metalic.
rezervor (boiler) montat pe suportul metalic, deasupra tuburilor de sticlă vidate.
Rezervorul rezită la presiunea de 6 atm.;
supapă de siguraţă la suprapresiune;
Caracteristici si parametrii de functionare ale Panourilor Solare Presurizate Separate
ENERGIEI
CONVER FOTOVOLTAICA
CELULA FOTOVOLTAICA
63
NVERA
Principiu de functionare:
Schimbatorul de caldura (colectorul) este constituit dintr-o teava de cupru in care sunt
introduse un numar de 15, 18, 21, 24 sau 30 teci sudate printre care circula antigelul (agentul
termic) sub presiune. Tot ansamblul este izolat cu spuma poliuretanica si inchis intr-o carcasa
exterioara din tabla de aluminiu.
Tuburile se introduc in decuparile cilindrice practicate in carcasa, etansarea facandu-se
prin intermediul garniturilor de silicon. Bulbul superior al heap-pipe-ului de cupru patrunzand
in teaca colectorului astfel incat sa se asigure un contact termic cat mai bun. Rigidizarea
tubului pe pozitia de functionare se face prin fixarea acestuia cu bride metalice, pe latura
inferioara a cadrului. Cadrul este apoi fixat pe suprafata de instalare prin intermediul
picioarelor de fixare. Aria de contact dintre piciorul suportului si suprafata de instalare se
etanseaza cu o garnitura de cauciuc sau silicon.
Principiul de functionare al panourilor solare presurizate separate
Energia solara este captata in interiorul tubuliu vidat, unde este transferata heat-pipe-
ului de cupru. Caldura ajunge apoi in capatul superior al sau, fiind preluata de catre agentul
termic(antigel). Antigelul o transporta la schimbatorul de caldura si este preluata de catre apa
din boiler. Apa incalzita poate fi apoi folosita ca apa calda menajera sau agent termic de
incalzire. Operarea acestui tip de panou este asigurata de controllerul electronic care comanda
pornirea si oprirea pompei de recilculare.
Panourile solare presurizate separate nu pot functiona independent. Deoarece nu au un
rezervor de stocare, ele trebuiesc conectate la un boiler montat in zona de consum (in casa).
Varianta de utilizare recomandata este cea cu boiler bivalent, pompa de circulatie si panou
electronic de comanda (regulator electronic dedicat). Toate acestea formeaza un sistem
complet.
Instalarea panourilor solare presurizate separate
Panourile solare presurizate separate se pot monta atat pe o suprafata plana (cu suportul
din imagine), cat si pe acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o
inclinatie de aproximativ 45 de grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe
tuburi.
Partea acoperisului, sau suprafata plana, unde se va monta panoul trebuie sa aiba o
64
orientare sudica. Daca aceasta conditie nu este indeplinita, soarele nu isi va trimite razele pe
panou pe tot parcursul zilei. Daca orientarea este sud-estica, atunci soarele va bate mai mult
dimineata si dupa-amiaza, iar daca orientarea este sud-vestica, soarele va bate mai mult dupa-
amiaza si seara. In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi
metalice, iar etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.
Avantajele folosirii panourilor presurizate separate:
• Functioneaza indiferent de temperatura exterioara, chiar si iarna;
• Tuburile vidate ofera performate bune si pe timp innorat, fiind capabile sa apteze
radiatiile infrarosii care patrund prin nori;
• Datorita izolatiei foarte buna oferita de vid, panourile functioneaza chiar pana la -
20 grade Celsius;
• Panoul functioneaza in continuare chiar daca unul sau mai multe tuburi se sparg;
• Tuburile avariate sunt usor de schimbat;
• Ofera eficienta energetica tot timpul anului si asigura costuri zero cu combustibili
conventionali pentru cel putin 5 luni pe an;
• Energia oferita de panouri este energie ecologica si nu polueaza mediul
inconjurator;
• Au cel mai bun raport calitate pret de pe piata.
Sisteme Solare CompleteSistemele solare complete sunt compuse din mai multe componente: unul sau mai multe
panouri presurizate, statia de lucru (controller-ul electronic), manometru, debimetru, pompa
de recilculare, supapa de siguranta, robineti, supape de sens, aerisitoare, vas de expansiune si
boiler. Boilerul poate fi fara serpentina, cu o serpentina, sau cu 2 serpentine de cupru.
Alegerea comonentelor optime si a numarului acestora se face in functie de aplicatia pe
care dorim sa o realizam. Ex: apa calda pe toata perioada anului (este necesar un boiler cu o
singura serpentina); apa calda si aport la incalzire(calorifere sau in pardoseala) ( este necesar
un boiler cu 2 serpentine). Incalzirea apei din piscine se poate realiza cu sisteme ce contin
boilere fara serpentina sau cu o serpentina.
In imagine aveti un sistem solar compus din panou solar de 18 tuburi vidate, work
station, boiler de 200L si vas de expansiune
65
Principiul de functionare al sistemelor solare complete
Energia solara este captata in interiorul tubului vidat, unde este transferata heat-pipe-ului
de cupru. Caldura ajunge apoi in capatul superior al sau, fiind preluata de catre agentul
termic(antigel). Antigelul o transporta la schimbatorul de caldura si este preluata de catre apa
din boiler. Apa incalzita poate fi apoi folosita ca apa calda menajera sau agent termic de
incalzire. Operarea sistemelor solare complete este asigurata de controllerul electronic care
comanda pornirea si oprirea pompei de recilculare.
La o diferenta de temperatura de 8 grade Celsius intre temperatura indicata de senzorul din
panou si temperatura indicata de senzorul din boiler, este pusa in functiune pompa de
recilculare, care functioneaza pana cand diferenta ajunge la 4 grade Celsius.
Instalarea sistemelor solare complete
Panourile solare presurizate separate se pot monta atat pe o suprafata plana, cat si pe
acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o inclinatie de aproximativ 45 de
grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe tuburi.
In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi metalice, iar
etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.
Montarea boilerului se face in casa, la subsol, la etaj, in camera cu centrala termica,
depinde de fiecare situatie in parte. Sistemul se poate racorda la instalatia existenta sau se
poate crea un proiect nou, care sa includa atat montajul panourilor solare cat si al centralei
termice.
Avantajele folosirii sistemelor solare complete:
• Functioneaza indiferent de temperatura exterioara, chiar si iarna;
• Tuburile vidate ofera performate bune si pe timp innorat, fiind capabile sa capteze
radiatiile infrarosii care patrund prin nori;
• Datorita izolatiei foarte buna oferita de vid, panourile functioneaza chiar pana la -20
grade Celsius;
66
• Panoul functioneaza in continuare chiar daca unul sau mai multe tuburi se sparg;
• Tuburile avariate sunt usor de schimbat;
• Ofera eficienta energetica tot timpul anului si asigura costuri zero cu combustibili
conventionali pentru cel putin 5 luni pe an;
• Energia oferita de panouri este energie ecologica si nu polueaza mediul inconjurator;
• Au cel mai bun raport calitate pret de pe piata.
CAPITOLUL VUTILIZAREA PANOURILOR SOLARE PENTRU PREPARAREA APEI CALDE
Utilizarea energiei solare pentru furnizarea apei calde menajere s-a dovedit a fi o soluţie
perfect viabilă. Principiul de funcţionare al sistemului de încalcălzire a apei cu energie solară
este simplu, iar tehnologia este deja bine cunoscută şi fiabilă. Energia solară este nepoluantă,
67
inepuizabilă, ecologică şi sigură. Aceasta facilitează economisirea resurselor energetice, fără a
produce deşeuri sau a emite gaze poluante, precum dioxidul de carbon. Mai presus de
problemele poluării şi de impactul gazelor de seră, furnizarea de apă caldă menajeră
reprezintă o parte considerabilă a facturii la energie a clădirilor, care poate fi redusă prin
folosirea energiei solare. Condiţiile necesare pentru o bună şi durabilă exploatare a sistemului
trebuie stabilite în etape în cadrul principiului „GRS” (Rezultate Garantate prin Folosirea
Energiei Solare). Garanţiile ce vor fi oferite pentru aplicaţiile colective sunt semnificative.
Radiaţia solară este o formă de radiţie termică ce este difuzată sub forma undelor
electromagnetice. În afara atmosferei terestre radiaţia solară furnizează o sursă de energie cu
potenţial nelimitat egală cu 1.370 W/m2.
Pentru a atinge suprafaţa terestră radiaţia solarătrece prin atmosferă, unde o parte din
energia sa este disipată prin:
Difuzie moleculară (în mod special razele U.V.)
Reflecţie difuză pe aerosolii atmosferici (picături de apă, praf…)
Absorpţie selectivă în gazele atmosferice.
Radiaţia globală asupra suprafeţei terestre este suma:
■ Radiaţiei directe, după ce aceasta a trecut prin atmosferă,
■ Radiaţiei difuze, care provine din toate direcţiile.
Astfel, o suprfaţa expusă primeşte atât radiaţii directe, difuze cât şi o parte din radiaţiile
globale reflectate de obiectele din apropiere, în special pământul, pentru care coeficientul de
reflexie este denumit „albedo”.
Radiaţia solară în ROMANIA
68
Radiaţia solară medie anuală în România variază între 1,100 şi 1,300 kWh/m2 pentru mai
mult de jumătate din suprafaţa ţării. Potenţialul termic al energiei solare este estimat la 60
PJ/an (1400 ktoe/an). De aceea radiaţia solară pe suprafaţă orizontală pentru România este de
aproximativ 200 milioane de GWh pe an (de exemplu potenţialul teoretic pentru energia
solară).
O hartă a radiaţiei solare a fost întocmită de Institutul Naţional de Meteorologie şi
Hidrologie. Există bune posibilităţi pentru dezvoltarea utilizării energiei solare, iar experienţa
anterioară poate fi exploatată. In Evaluarea Resurselor Energiilor Regenerabile, EBRD
estimează că sistemele bazate pe utilizarea energiei solare pentru încălzirea apei calde
menajere pentru clădiri publice şi hoteluri, sistemele pe bază de energie solară pasivă, precum
şi sistemele individuale pentru locaţiile izolate, sunt cele mai promiţătoare aplicaţii.
Caracteristicile climaterice de temperatură ale aerului exterior sunt un rezultat al
intensităţii radiaţiei solare şi depind de cantitatea de energie termică radiată de suprafaţa
pământului pe parcursul ciclurilor de zilnice şi respectiv anuale.
Temperatura aerului ambiant influenţează parametrii termici ai structurilor înconjurătoare
(prin valorile sale extreme şi medii), reglajele sistemelor de încăzire si condiţionare a aerului
ale construcţiilor, cât şi sistemele de încălzire ce utilizează energia solară. De aceea spre
exemplu, capacitatea de încălzire depinde de temperaturile calcul pentru regiunile respective
(N.B: temperaturile hibernale cele mai scăzute).
Temperaturile reprezintă de asemenea factorul principal pentru calculul necesarului de
izolaţie termică pentru fiecare clădire în parte.
69
Intensitatea radiaţiei solare prezintă un caracter foarte variabil, atât în timpul anului, cât
şi zilnic, astfel încât este evident că şi sarcina termică realizată de colectorii solari va fi la fel
de variabilă.
Curbă tipică de variaţie a intensităţii radiaţiei solare
În figura este prezentată o variaţie tipică a intensităţii radiaţiei solare, într-o zi foarte
călduroasă de vară, în condiţii de cer perfect senin, manifestată pe o suprafaţă unitară, plană şi
orizontală. Se observă că la ora 12, când intensitatea radiaţiei solare este maximă, valoarea
acesteia depăşeşte 800W/m2, ceea ce reprezintă o valoare foarte ridicată, chiar şi faţă de media
din timpul verii, în timp ce pe durata nopţii, valoarea intensităţii radiaţiei solare este evident
nulă. Dimineaţa şi după-masa, intensitatea radiaţiei solare, variază rapid între 0 şi valoarea
maximă, respectiv între valoarea maximă şi 0. Pentru curba de variaţie a intensităţii radiaţiei
solare reprezentate în figura 1, valoarea medie a intensităţii radiaţiei solare, pe durata zilei,
este uşor superioară valorii de 500W/m2.
În zilele anului, caracterizate prin radiaţie solară mai puţin intensă decât cea prezentată în
figura 2.25, de exemplu primăvara sau toamna, valorile maxime şi medii ale intensităţii
radiaţiei solare, chiar şi în cele mai însorite zile din aceste perioade, pot să scadă mult sub
valorile prezentate anterior.
70
Ca şi radiaţia solară, sarcina termică asigurată de colectorii solari, prezintă un caracter
variabil, astfel încât se poate vorbi despre valoarea maximă şi medie a acestei mărimi. Pentru
calcule termice de dimensionare, prezintă importanţă cunoaşterea valorii medii a sarcinii
termice a colectorilor solari.
Cu cât randamentul colectorilor solari este mai ridicat, cu atât fiecare suprafaţă unitară de
colector solar, va furniza o sarcină termică unitară medie, mai apropiată de valoarea medie a
intensităţii radiaţiei solare.
Direcţia şi forţa vântului sunt două caracteristici care descriu un vânt orizontal. În
meteorologie, se vorbeşte întotdeauna despre direcţia din care bate vântul în funcţie de
punctele cardinale (Nord, Est, Sud, Vest) sau în funcţie de diferenţa de unghi faţa de Nord (de
exemplu, un vant din Sud este în sectorul 180°, un vânt din Vest este în sectorul 270°).
Figura 5: Roza vânturilor
Figura 4: Histograma vitezelor vântului
2.1.3.2 Zăpadă
Zăpada poate afecta clădirile în mai multe moduri, în special acoperişul. O cădere
semnificativă de zăpadă poate face acoperişul să se prăbuşească. Barierele de gheaţă pot duce
la infiltraţii în zona şindrilelor sau a îmbinărilor. Zăpadă care alunecă pe un acoperiş tip
71
şarpantă sau pe un luminator poate fi periculoasă pentru pietoni. Apa poate pătrunde într-o
clădire din cauza infiltraţiilor de zăpadă suflate de vânt.
Sarcina dată de zăpada de pe acoperiş variază în funcţie de climatele regionale. Aceasta
depinde de asemenea de caracteristicile mecanice si forma acoprişului.
Analiza necesarului
Producţia de apă caldă menajeră se numără printre cele mai eficiente aplicaţii ale utilizării
energiei solare, în special pentru sistemele colective din clădirile rezidenţiale şi terţiare, acolo
unde cererea de apă caldă menajeră este semnificativă şi constantă; în special pentru
locuinţele colective şi instituţiile de sănătate.
Cerinţele actuale pentru locuinţele colective (clădiri de locuit, hoteluri, spitale,...) arată o
cerere crescândă pentru apă caldă, nu numai pentru nevoile sanitare, dar şi pentru sarcinile
domestice. Utilitatea unui sistem de alimentare cu apă caldă menajeră este caracterizată de
disponibilitatea apei calde, intr-o cantitate suficientă, la o temperatură dată, atunci cand este
necesar şi la un preţ cât mai mic posibil.
Având în vedere că de regulă, producătorii panourilor solare nu indică valorile sarcinilor
termice asigurate de echipamentele pe care le comercializează, este interesant de realizat o 72
evaluare a acestei mărimi, pentru că scopul acestor echipamente este tocmai de a asigura
sarcina termică necesară diverselor aplicaţii.
În continuare, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari, va fi determinată
utilizând informatiile privind selecţia acestor echipamente, furnizate de diverşi producători.
Se vor considera cazurile în care panourile solare sunt utilizate pentru încălzirea apei calde
menajere, respectiv a apei din piscine, acestea fiind cele mai importante aplicaţii pentru
panourile solare. Încălzirea clădirilor cu ajutorul energiei solare este mai dificil de realizat, în
primul rând pentru că în perioadele reci ale anului, când necesarul de sarcină termică pentru
încălzire este important, intensitatea radiaţiei solare prezintă valori foarte reduse şi este dificil
de captat şi de utilizat în aceste condiţii. Chiar dacă există şi numeroase realizări interesante în
care încălzirea clădirilor este realizată cu ajutorul energiei solare, aceste aplicaţii nu vor fi
abordate în continuare, deoarece reprezintă situaţii speciale.
Încălzirea apei calde menajere
Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere Q acm , se poate calcula cu
relaţia:
unde:
- n este numărul de persoane;
- m [kg] este cantitatea de apă caldă menajeră considerată ca şi consum zilnic;
- cw [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar
pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;
- tb [°C] este temperatura apei din boiler;
- tr [°C] este temperatura apei reci, la intrarea în boiler;
- τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanţă
deosebită pentru valoarea sarcinii termice.
Se va considera n=1, deci se va calcula sarcina termică necesară pentru încălzirea apei
calde menajere necesare unei persoane, m=50kg - valoare medie recomandată de literatura de
specialitate, tb=45°C - valoare recomandată pentru temperatura apei calde din boiler; tr=10°C -
valoare medie a apei reci, care vara este ceva mai caldă, dar iarna ceva mai rece şi τ=8h -
73
valoare care coincide aproximativ şi cu durata medie în care se manifestă radiaţia solară, deci
cu durata medie în care poate fi captată aceasta.
Înlocuind valorile numerice considerate, se obţine pentru sarcina termică necesară în
vederea preparării apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană:
Pentru prepararea apei calde menajere, firmele producătoare recomandă utilizarea unor
suprafeţe diferite ale colectori solari în funcţie de tipul colectorilor şi de procentul din
necesarul anual de căldură care urmează să fie asigurat de acei colectori solari, ca în tabelul 1.
Se observă că suprafeţele de colectori solari, recomandate ca necesare, sunt aceleaşi în
cazul colectorilor cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice, chiar dacă performanţele
colectorilor solari cu tuburi termice sunt ceva mai ridicate decât cele ale colectorilor solari cu
tuburi vidate. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că diferenţele de performanţă sunt totuşi
reduse, iar avantajul colectorilor solari cu tuburi termice, faţă de cei cu tuburi vidate nu se va
concretiza printr-o suprafaţă mai redusă de colectori solari, ci printr-un procent ceva mai
ridicat de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare, decât în cazul
colectorilor cu tuburi vidate.
Având în vedere că suprafeţele de colectori solari, recomandate în tabelul 1, au ca scop
tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a
colectorilor solari
Qacm , în regim de preparare a apei calde menajere, este:
unde:
74
- S1 reprezintă suprafaţa colectorilor solari recomandată în tabelul 1.
Analizând valorile din tabelul 2, se constată că sarcina termică unitară a colectorilor solari
este mai mare în cazul în care procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul
energiei solare este mai redus, ceea ce reprezintă un fapt normal, deoarece aceşti colectori
sunt prevăzuţi să funcţioneze mai ales în perioada de vară, când intensitatea radiaţiei solare
este mai mare.
În tabelul 3 sunt prezentate valori particulare ale sarcinilor termice unitare, mai uşor de
utilizat pentru calcule rapide de predimensionare, determinate pentru anumite valori ale
supraţelor de colectori solari, destinaţi preparării apei calde menajere.
Tabelul 3. Sarcini termice unitare particulare ale colectorilor solari pentru
prepararea a.c.m.
Este evident că dacă panourile solare sunt utilizate doar vara, sarcina termică unitară medie
a acestora poate fi considerată mai mare decât dacă sunt utilizate din primăvară până în
toamnă, caz în care valoarea medie a sarcinii termice unitare este mai redusă, pentru că şi
valoarea medie a intensităţii radiaţiei solare este mai redusă. Din acest motiv şi suprafaţa
necesară a colectorilor solari care sunt utilizaţi doar vara, este mai redusă decât cea necesară
pentru o utilizare din primăvară până în toamnă, dar şi procentul de asigurare a apei calde
menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, dacă aceste panouri sunt dimensionate
pentru a funcţiona doar pe durata sezonului cald.
Considerând valorile particulare ale sarcinor termice unitare Q acm1 , prezentate în tabelul 3,
se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizaţi pentru
prepararea apei calde menajere.
75
Cu ajutorul acestei relaţii pot fi calculate suprafeţele necesare de colectori solari, pentru
orice tip de aplicaţie în care este necesară prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiei
solare. Exemple de asemenea situaţii pot fi reprezentate de: restaurante, hoteluri, moteluri,
vile pentru agroturism, sisteme industriale de preparare a apei calde, etc.:
Suprafeţele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această
manieră trebuie să verifice şi valorile recomandate în tabelul 1.
Necesarul zilnic de apă calda menajeră pentru hoteluri
În funcţie de categoria hotelului, consumul zilnic de apa caldă menajeră variază între 70 şi
160 litri pe cameră şi între 8 şi 15 litri în bucătărie pe porţie.
Clientela este din ce în ce mai ataşată de protecţia mediului, iar un sistem care utilizează
energia solară contribuie la buna imagine a hotelului. Cu toate acestea, valoarea unui sistem
care utilizează energia solară depinde în mare măsură de gradul de ocupare al hotelului.
Necesarul zilnic de apă caldă menajeră în litri / zi / cameră la 60 °C
Co
efi cie
nt de corecţie care urmează a fi aplicat
Tip de stabiliment fara 1stea 2stele 3stele 4stele0,65 0,75 1,00 1,35 1,50
zona Munte Mare Rural Urban1,35 1,00 1,00 1,00
prezenta spalatoriei da nu1,25 1,00
Instituţii de sănătate şi sanatorii pentru vârstnici
Aceste instituţii au necesaruri importante de apă caldă menejeră, acestea fiind relativ
constant de-a lungul anului. Consumul zilnic este de aproximativ 60 de litri pe pat, la care
76
Utilizare Ian Feb Mar Apr Mai Iun Iul Aug Sept Oct Nov Dec4 anotimpuri
vacante de varavacante de iarna
66039
6110 100
60 12 50
57 56 100
61 6450
82 81 75
97 92 94
9810094
100 77 56
100460
7800
77012
Tip de stabiliment Echipament consum de apa la 60°CHotel 1 * Dusuri colective (1la
4 camere)
70 l / zi /camera
Hotel 2/3 * Baie 100 -140 l / zi /cameraHotel 4/5 * Baie + dus 160 l / zi /cameraHotel 2 * pe zapada Baie 160 l / zi /camera
trebuie adăugat necesarul pentru bucătărie (de 8 la 15 litri pe porţie) şi pentru spălătorie (6
litri pe kg de rufărie).
Tip de stabiliment Echipament Consum de apa la 60°CSpitale si clinici Fara restaurant sau
spalatorie
60 l / zi / pat
Azile de batrini Fara restaurant sau
spalatorie
60 l / zi / pat
(Sursa: Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes)
Sursa: Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes)
Procentul lunar al numărului de mese servite într-un restaurant
Perioada de
utilizare
Jan Feb Mar Apr May Iun Jul Aug Sept Oct Nov Dec
Tot timpul anului
Vacanta de vara
Vacanta de iarna
0,85
0
0,70
0,78
0,23
1,79
0,7 ,
27
0,9
0,73
1,24
,79
0,78
1,43
0,9
1,05
1,8
1,34
1,24
2,05
1,68
1,25
2,23
1,68
1,28
1,72
1,00
1,28
1,03
0
1,00
0
0
0,99
0
0,22
(Sursa EDF: Eau chaude électrique Résidentiel et Tertiaire )
Încălzirea apei din piscine
77
Tip de stabiliment echipament Consum de apa la 60°C
Gimnaziu Functie de sportul practicat (Fotball sau rygby: (+ - 50 %)
30 l / utilizator
Restaurant Masa normalaMasa festivaMic dejun
8 l / masa12 - 20 l / masa2 l / masa
Cantina Bucatarie de reincalzit Masa normala
3 l / masa5 l / masa
Spalatorie Hotel 4/5 *Ciclu scurtCiclu automat
7 l / kg rufe6 l / kg rufe5 l / kg rufe
Scoli Majoritatea la
masa de prinz
5 l / zi /student
Cazarme,internate Fara restaurant si
Spalatorie
30 l /zi /persoana
Tabere 4 * Bai collective +
spalatorii de vase
60 l / zi / locatie
Fabrici (vestiare) Apa calda pentru
angajati
20 l / zi / persoana
Birouri 5 l / zi / persoana
(Sursa: Calculs prat iques de plomberie e. Editions
Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine, necesită un calcul complex,
care să ţină seama de temperatura apei din piscină şi de o serie de pierderi de căldură, între
care o importanţă deosebită este reprezentată de următoarele pierderi: evaporarea apei,
transferul termic prin convecţie de la suprafaţa apei la mediul ambiant, stropirea cu apă în
afara piscinei, reîmprospătarea apei, etc.,.
Cu toate acestea, producătorii captatorilor solari, dimensionează sistemul solar de încălzire
a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat, considerând
doar, că toate tipurile de pierderi de căldură care se manifestă în condiţii reale în piscine, duc
la răcirea apei, iar această răcire trebuie compensată de sistemul de încălzire.
În acest paragraf, în vederea determinării sarcinii termice unitare a colectorilor solari
pentru încălzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare, pentru a
se putea valorifica recomandările producătorilor privind utilizarea diferitelor tipuri de
colectori solari.
Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine Qp , se poate calcula cu relaţia:
unde:
m = [kg] este cantitatea de apă din piscină;
cw = [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar
pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;
∆t = [°C] este variaţia temperaturii apei din piscină în 24h, datorată diverselor pierderi de
căldură;
τ = [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanţă
deosebită pentru valoarea sarcinii termice.
Producătorii de panouri solare recomandă valori diferite pentru suprafeţele colectorilor
solari, destinaţi încălzirii apei din piscine, pentru diferite condiţii de exploatare a piscinelor,
indicând aceste suprafeţe, dar nu precizează adâncimea considerată a apei din piscine.
Lipsa acestui element în tabelele de alegere a colectorilor solari, reprezintă o deficienţă
importantă a sistemului de dimensionare propus de producători, care a fost eliminată în
continuare, prin considerarea unei valori medii a adâncimii apei din piscine, de 1,3m. În urma
finalizării calculelor efectuate cu ajutorul algoritmului prezentat în continuare şi în urma
comparării valorilor sarcinilor termice unitare, rezultate pentru diferitele tipuri de colectori
solari, cu valorile sarcinilor termice unitare ale aceloraşi colectori, utilizaţi la prepararea apei
78
calde menajere, s-a dovedit că această ipoteză este corectă şi că probabil aceeaşi valoare
medie a adâncimii apei din piscine a fost considerată şi de producătorii panourilor solare, la
întocmirea tabelelor de selecţie a colectorilor.
Cantitatea de apă din piscine se determină cu relaţia:
unde:
Sp [m2] este suprafaţa piscinei;
H [m] este adâncimea medie a apei din piscină;
ρ [kg/m3] este densitatea apei, mărime care depinde de temperatură, dar pentru care se
poate considera valoarea ρ=1000kg/m3.
În continuare, calculele se vor efectua pentru suprafaţa unitară a piscinei, deci se va
considera Sp=1m2.
Valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea suprafeţei unitare a piscinei,
considerând că datorită pierderilor de căldură, temperatura apei scade într-o zi cu 1°C şi că
durata perioadei de încălzire a apei este de 8h, rezultă:
În cazul în care variaţia temperaturii apei datorită pierderilor de căldură ar fi de 0,5°C,
situaţie posibilă în cazul piscinelor realizate în spaţii închise, sarcina termică unitară pentru
încălzirea apei, sar reduce şi aceasta la jumătate.
Acoperirea suprafei apei din piscine, în perioadele de neutilizare, atât în cazul celor închise
cât şi în cazul celor aflate în aer liber, pe lângă faptul că previne producerea accidentelor,
permite şi reducerea substanţială a pierderilor de căldură prin convecţie şi prin evaporarea
apei, ceea ce contribuie la reducerea considerabilă a sarcinii termice necesare pentru
încălzirea apei.
Pentru calcule rapide de predimensionare, se poate considera că acoperirea suprafeţei apei,
în perioadele de neutilizare, reduce cu cca. 20% valoarea sarcinii termice necesare pentru
încălzirea apei.
În tabelul 4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru
încălzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafaţă a piscinei, pentru diferite condiţii
de lucru, considerând adâncimea medie a apei, de 1,3m.
79
Pentru încălzirea apei din piscine, firmele producătoare recomandă utilizarea unor
suprafeţe diferite de colectori solari, în funcţie de tipul piscinelor, de tipul colectorilor şi de
perioada prevăzută pentru funcţionarea sistemului de încălzire cu energie solară, aşa cum se
observă în tabelul 5.
Tabelul 5. Suprafaţa necesară de colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine [m2/m2 piscină]
În cazul piscinelor închise s-a considerat că temperatura apei este de 24°C şi gradul de
răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 0,5°C/24h, iar în cazul piscinelor în aer
liber, s-a consideră temperatura apei este de 22°C şi gradul de răcire a apei datorită pierderilor
de căldură este de 1°C/24h.
Se observă că pentru încălzirea piscinei pe timp de vară, este recomandată aceeaşi suprafaţă
de colectori solari, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoarece în condiţiile
în care intensitatea radiaţiei solare este mare, performanţele tuturor tipurilor de colectori sunt
relativ apropiate.
Având în vedere că suprafeţele de colectori solari recomandate în tabelul 5, au ca scop
tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a
colectorilor solari Q p , în regim de încălzire a apei din piscine, este:
unde:
80
- S1 reprezintă suprafaţa colectorilor solari recomandată în tabelul 5.
Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 6, considerându-se pentru sarcinile
termice necesare încălzirii apei din piscină, valorile indicate în tabelul 4. Faptul că valorile
obţinute pentru sarcinile termice unitare, sunt foarte apropiate pentru aceleaşi condiţii de
lucru, confirmă că ipotezele considerate sunt sunt corecte şi în nici un caz nu introduc erori
semnificative.
Tabelul 6. Sarcinile termice unitare ale colectori solari, pentru încălzirea apei din
piscine [W/m2 colector]
Considerând valorile particulare ale sarcinor termice unitare Qp1 , prezentate în tabelul 6, se
pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizaţi pentru
prepararea apei calde menajere.
Suprafeţele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această
manieră trebuie să verifice şi valorile recomandate în tabelul 5.
În tabelul 7 sunt prezentate valorile comparative ale sarcinilor termice unitare obţinute
pentru diverse tipuri de colectoare solare, considerând funcţionarea acestora în regim de
preparare a apei calde menajere, respectiv în regim de încălzire a apei din piscine situate în
aer liber fără acoperire, ca şi valorile medii obţinute pentru sarcina termică unitară a
colectorilor solari utilizaţi pentru încălzirea piscinelor.
Tabelul 7. Valori comparative ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, utilizaţi în diferite
regimuri de
lucru [W/m2 colector]
81
Valorile obţinute pentru sarcina termică unitară a colectorilor plani, utilizaţi la încălzirea
piscinelor în aer liber fără acoperire, respectiv valoarea medie, pentru utilizarea numai în
lunile iunie-iulie este semnificativ mai mare decât în cazul preparării apei calde menajere.
Acest lucru poate fi explicat prin faptul că la prepararea apei calde menajere nu s-a considerat
o perioadă atât de scurtă de funcţionare, ci una care să asigure totuşi acoperirea a 40…50%
din necesarul anual de apă caldă, cu ajutorul energiei solare, ceea ce reprezintă mult mai mult
decât doar două luni de funcţionare. În cele două luni, intensitatea radiaţiei solare este
maximă şi atunci se pot atinge valori mai ridicate pentru sarcina termică unitară a colectorilor.
În afara acestei situaţii, se observă că aşa cum era normal, indiferent de tipul aplicaţiei,
preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, fiecare tip de colector solar
asigură aproximativ aceleaşi valori ale sarcinilor termice unitare medii pe care le realizează.
În consecinţă pot fi recomandate valori medii pentru sarcinile termice unitare ale
colectorilor solari, indiferent de tipul de aplicaţie, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea
apei din piscine, iar aceste valori sunt indicate în tabelul 8.
Tabelul 8. Valori medii ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, în funcţie de perioada de
exploatare [W/m2
colector]
Aceste valori ale sarcinilor termice unitare medii, pot fi utilizate cu uşurinţă în calcule
orientative de predimensionare rapidă a diverselor tipuri de colectori solari, fiind cu atât mai
utile cu cât, de regulă, asemenea valori nu sunt indicate de firmele producătoare.
Considerând pentru perioada iunie - iulie, o valoare medie zilnică a intensităţii radiaţiei
solare, de 500W/m2, cea ce reprezintă o valoare de vârf pentru cele mai calde zile ale anului şi
nu o medie, nici măcar pentru cele mai calde luni ale anului, cel puţin raportat la condiţiile
82
climatice din România, se obţin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale
diferitelor tipuri de colectori solari:
η=60% pentru colectori plani;
η=76% pentru colectori cu tuburi vidate şi pentru colectori cu tuburi termice
Considerând tot pentru perioada iunie - iulie, o valoare medie zilnică a intensităţii radiaţiei
solare de 450W/m2, ceea ce reprezintă o valoare mai apropiată de condiţiile medii din
Romania, se obţin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de
colectori solari:
- η=67% pentru colectori plani;
- η=84% pentru colectori cu tuburi vidate şi pentru colectori cu tuburi termice.
Valorile conforme cu realitatea, ale acestor randamente, confirmă încă odată în plus, că
ipotezele considerate în calculele prezentate, ca şi valorile obţinute pentru sarcinile termice
unitare medii ale diverselor tipuri de colectori solari sunt corecte.
CONCLUZII
Specialistii prevad un viitor stralucitor pentru energia solara. Considerat mult timp
neprofitabil, acest tip de energie incepe sa castige teren, datorita imbunatatirii tehnologiilor si
costului tot mai ridicat al resurselor energetice traditionale. Chiar si fara subventii
guvernamentale, in maximum cinci ani, estimeaza specialistii McKinsey, energia solara ar
putea costa la fel ca electricitatea produsa din combustibili fosili pentru consumatorul final
din multe zone, cum ar fi California sau Italia.
Pana in 2020, energia solara totala exploatata ar putea creste de 20-40 de ori fata de
nivelul actual. Cu toate acestea, sectorul este abia la inceput. Chiar daca luam in calcul cele 83
mai optimiste previziuni pe termen lung, in 2020, doar 3-5% din electricitatea folosita la nivel
global va proveni din energie solara. In plus, industria solara se confrunta cu toate greutatile
specifice sectoarelor emergente. Mai multe companii duc o batalie acerba pentru dezvoltarea
celei mai ieftine tehnologii, si inca nu e clar cine este castigatorul. Dezvoltarea rapida a
sectorului a adus cu ea probleme pentru competitori, care s-au trezit ca preturile scad peste
masura si piata de componente devine saturata. In aceste conditii, multi au fost nevoiti sa-si
mute productia in tari cu mana de lucru mai ieftina, sa investeasca mai multi bani in cercetare
si dezvoltare si sa faca orice pentru a reduce costurile. Mai ales ca este vorba despre o piata in
care fiecare jucator conteaza. Mai este mult pana cand pretul energiei solare va fi egal sau mai
mic decat cel al energiei electrice "de retea". Dar fara investitii pe termen lung si politici
guvernamentale adecvate, nu se poate face nimic.
Subventiile guvernamentale au jucat un rol important in dezvoltarea sectorului de energie
solara. In Statele Unite ale Americii, de exemplu, producatorii de energie regenerabila
primesc scutiri de impozit. In Germania, distribuitorii de energie sunt obligati sa plateasca mai
mult pentru fiecare MW de energie curata. Fara asemenea politici, costurile de productie a
energiei solare ar fi atat de mari, incat nici nu ar putea fi vorba despre o concurenta cu energia
din surse clasice. Dar situatia tinde sa se schimbe.
In ultimii 20 de ani, costul de fabricatie si instalare a sistemelor fotovoltaice a scazut cu 20
de procente. Costul electricitatii generate de surse conventionale a crescut in schimb, din
cauza cresterii preturilor la gaze naturale. In zonele cu potential solar, precum California,
Italia, Spania sau Japonia acest lucru s-a vazut imediat. Autoritatile au luat masuri, incepand
cu subventionarea productiei de energie solara.
In California, de exemplu, consumatorii beneficiaza de electricitate din energie solara la un
cost sub pretul mediu de 36 de centi. Datorita subventiilor, localnicii platesc doar 27 de centi
pe kWh. Dar sa nu uitam ca acest stat american este scaldat din plin de soare. In plus, aici
energia solara poate concura cu cea conventionala, care isi mentine costurile ridicate din
cauza reglementarilor privind reducerea emisiilor de carbon si a pretului mare al gazelor
naturale. Expertii prognozeaza ca in regiuni insorite precum California, pretul energiei solare
va scadea in cel mult zece ani sub pretul electricitatii conventionale, cu conditia ca investitiile
sa creasca.
Tehnologii in plina dezvoltare
Deocamdata, trei tipuri de tehnologii duc batalia pentru suprematie. Este vorba despre
celulele fotovoltaice pe baza de silicon, cele cu film subtire si centralele termo-solare. Fiecare 84
are avantaje si dezavantaje, astfel incat niciuna nu a reusit sa fie lider. Cum in ultimii s-a
investit masiv in cercetare, este de asteptat ca aceste tehnologii sa se dezvolte in continuare.
Companiile care utilizeaza celule fotovoltaice, ce transforma direct energia solara in
electricitate, sunt acum intr-o cursa nebuna de reducere a costurilor. Eficienta in acest caz
inseamna folosirea unei cantitati mai mici de materie prima, care este scumpa, si reducerea
considerabila a celulelor care, astfel, ar fi mai usor de instalat si de transportat. Toate acestea
duc la o reducere a costurilor si, implicit, la o scadere a pretului unui kWh. La ora actuala,
90% din energia solara este captata cu ajutorul panourilor care au devenit depasite tehnologic.
Panourile, facute sa fie instalate pe acoperisuri, sunt mari, inghit multa materie prima scumpa
(in acest caz-silicon) si au o eficienta scazuta. Cercetatorii se concentreaza sa elimine toate
aceste neajunsuri, in special, prin marirea eficientei si prin folosirea unor materiale noi.
Filmele subtiri fotovoltaice sunt urmatorul pas in captarea energiei solare. Tehnologia a
iesit pe piata si are un real succes, cu toate ca este mai scumpa decat panourile solare.
Eficienta, care a crescut cu 10%, este cea care face diferenta. Expertii prevad ca in termen
scurt, aceasta tehnologie va fi folosita pe scara larga. Pe masura ce tot mai multe companii vor
apela la aceasta tehnologie, costurile de productie vor scadea. Deocamdata, specialistii mai au
de rezolvat cateva probleme. Celulele cu film subtire se preteaza la instalarea pe acoperisuri
plate, de suprafata mare. In plus, durata lor de viata este inca nesigura, in timp ce panourile
solare cu silicon si-au demonstrat fiabilitatea pe 25 de ani. Mai mult, un singur material
folosit pentru celulele cu film subtire este intr-adevar eficient. Este vorba de teluridul de
cadmiu care, insa, este o substanta toxica.
A treia tehnologie, cea folosita de centralele termo-solare, este eficienta si ieftina, dar are
doua mari dezavantaje. Astfel de sisteme pot fi instalate aproape de consumatorii finali, ceea
ce reduce costul distributiei energiei. Dar au nevoie de spatii foarte mari si de conditii de
clima deosebite. In plus, in constructii, sistemele au nevoie de tevi si de oglinzi, al caror cost
nu va scadea semnificativ in viitorul apropiat. Oricum, nu la fel de mult ca pretul materialelor
semiconductoare utilizate in metoda clasica de captare a energiei solare.
Producatorii de componente, mai importanti ca niciodata
Expertii spun ca tehnologia cu film subtire va castiga din ce in ce mai mult teren, in ciuda
dezavantajelor de acum. De aceea, producatorii de panouri pe baza de silicon trebuie sa-si
regandeasca strategiile pe termen lung si sa se concentreze asupra reducerii costurilor de
productie, cresterii eficientei si, nu in ultimul rand, asupra scaderii preturilor la materia prima.
Deocamdata, polisiliconul este materialul rege din domeniu. Unii dintre specialisti prevad ca 85
productia se va tripla pana in 2010, mai ales ca materialul a devenit mai ieftin decat
semiconductorii. De aceea, multi dintre producatori au facut modificari tehnologice insemnate
in fabricile lor, pentru a face fata cererii.
Pe de alta parte, companiile de echipamente vad in producatorii de celule solare parteneri
pretiosi in incercarea de a scoate de pe piata pe cei din sectorul semiconductorilor. O asociere
cu un producator de tehnologii noi nu poate fi decat avantajoasa, dar costisitoare.
O alta metoda de a reduce costurile este mutarea productiei in regiuni cu mana de lucru
ieftina. De exemplu, celule facute in Germania sunt mai scumpe cu 5% fata de cele fabricate
in China. Asa ca este inevitabil ca piata sa fie castigata de India sau China, iar tarile cu costuri
mari cu mana de lucru trebuie sa monitorizeze atent ce se intampla in economiile emergente.
Si, eventual, dupa o analiza atenta a raportului dintre costuri si eficienta, sa-si mute fabricile.
Energia solara pune probleme legate de distributie si transport catre consumatorii finali. De
aceea, furnizorii de utilitati incep sa renunte la gandirea "centralizata". Panourile solare
instalate pe acoperisuri, de exemplu, pot furniza electricitate in retea, in multe locatii. Cheia
succesului este asocierea cu producatorii de componente si incheierea de contracte clare cu
consumatorii, contracte care sa fie reciproc avantajoase.
Deocamdata, tehnologia cea mai atractiva pentru furnizorii de utilitati este cea a centralelor
termo-solare pentru ca implica o captare centralizata a energiei, comparabila cu producerea
electricitatii din surse hidro, nucleare sau cu ajutorul carbunelui. Furnizorii trebuie sa decida
asadar daca pariaza pe energia solara, calculand, pe cat posibil, cat de repede se va
tehnologiza domeniul si cat de mari vor fi subventiile.
Tendinta generala este de a amana investitiile in acest sector pana cand tehnologiile vor fi
sigure, eficiente si competitive din punct de vedere al costului. Pe masura ce aceste costuri vor
scadea, tot mai multe companii se vor implica in acest domeniu, intrand, cel mai probabil mai
intai pe piata consumatorilor casnici si pe cea a micilor oameni de afaceri. Acestia sunt cei
care platesc la ora actuala electricitatea la preturi mari si vor fi incantati sa treaca pe alt tip de
alimentare, mai ieftin. O alta abordare implica obtinerea de reglementari speciale. Atat pentru
producatori cat si pentru furnizori si consumatori. Aici intra subventii, scutiri de taxe, chiar si
recompensarea furnizorilor pentru ca distribuie energie curata care duce la scaderea emisiilor
de carbon.
In concluzie, energia solara tinde sa devina atractiva si din punct de vedere economic.
Producatorii de componente, furnizorii de utilitati si factorii de decizie hotarasc in acesti ani
structura, performantele si marimea acestui sector. Limitarile tehnologice fac ca deciziile sa
fie dificile, dar oportunitatile, atat pentru profitul companiilor implicate cat si pentru sanatatea 86
planetei, care are nevoie de o eliberarea din dependenta de combustibilii fosili, sunt demne de
luat in seama.
Cateva principii :
• Revolutia tehnologica in acest domeniu va veni, fara indoiala, dinspre producatorii de
componente. Progresul rapid va depinde insa de cererea din partea consumatorilor, la care,
producatorii au deocamdata un acces limitat.
• O parte a ecuatiei o reprezinta asadar consumatorii casnici, industriali si comerciali. Dar
acestia nu vor putea fi convinsi sa foloseasca mai multa energie solara atat timp cat nu exista
o analiza solida a costurilor pentru fiecare tehnologie in parte.
• In unele regiuni, ca Germania sau California, exista reglementari in domeniu. Dar acestea
nu pot reduce costurile pana la o paritate cu energia conventionala. Totusi, acolo unde nu
exista reglementari, diferentele vor fi si mai mari, ceea ce va face ca energia solara sa fie
inaccesibila din cauza costurilor.
BIBLIOGRAFIE
1. Dale, E , Utilizarea energiei solare in instalatii fotovoltaice, Conferinţa Naţională şi
Expoziţia de Energetică, Sinaia, 21-23 Octombrie 2009
2..Dale. E.-Tehnologii de valorificare a energiei solare. Aplicatii fotovoltaice, note de curs,
Univ din Oradea, 2010
3. Energy for the future: Renewable sources of energy – White paper for a community
strategy and action plan, COM (97) 599 final, 27 Nov. 1997, European Commission
4. From sunray to solar power (In Dutch: „Van Zonnestraal tot zonnestroom”), ECN, The
Netherlands, 200687
5. Mihet Popa, L şi Nicoara D. – Principalele configuraţii ale sistemelor solare şi topologii de
invertoare fotovoltaice, Buletinul AGIR nr.3/2007, pag. 79-82
6. Renewable energy in European Union Policies, G. Hanreich, European Commission DG
TREN, 2002
link-uri net
http://www.lpelectric.ro/ro/systems/solarsys/solarsys_acdc_ro.html
http://www.ibcoenerg.ro/fonduri/fonduri.html
http://www.lpelectric.ro
http://www.ecovolt.ro
http://www.energie-verde.ro
http://www.energeia.ro
http://www.energiesolara.ro
http://www.leonardo-energy.org
http:// www.iea-pvps.org
http://www.wikipedia.org
88