204004978-celule-fotovoltaice

8/12/2019 204004978-Celule-Fotovoltaice

1/10

CEM n sisteme cu generare distribuiti/sau ambarcate Partea a III-a C_ 2 1

2. CELULE FOTOVOLTAICE

2.1. STRUCTUR, FUNCIONARE, CARACTERISTICI

Atomii unei substane solide au electronii dispui pe benzi de energie, astfel:

banda de valeni banda de conducie

separate printr-o aa-numitbandinterzis.Banda de valenreprezintnivelul energetic inferiori modul n care este ocupatde electroni depinde de natura chimica substanei i structura acesteia.

n funcie de gradul de ocupare cu electroni a benzilor energetice, solidele se mpartn:

conductoare(n general, metale), dacbanda de valeneste parial ocupat

cu electroni;

semiconductoare, dacbanda de valeneste complet ocupatcu electronii limea benzii interzise, Eg < 3 eV;

izolatoare (dielectrici) , dac banda de valen este complet ocupat cuelectroni i limea benzii interzise, Eg > 3 eV;

Conducia electric se realizeaz diferit n conductoare, respectiv nsemiconductoare:

n conductoare, conducia se realizeazdatoritelectronilor liberi din bandade conducie;

n semiconductoare, trecerea unui electron din banda de valen n cea deconducie las n urm un gol, echivalent cu o sarcin pozitiv; Prinintroducerea unor impuriti (substane dopante) comportarea electric a

i d l difi f l

Bandde conducie (Bc)

Bandinterzis

Bandde valen(Bv)

Energie

Ec

Ev

Eg


2/10


Sub denumirea genericde efect fotoelectric (descoperire atribuitlui E. Bequerel,n 1839), pot fi grupate urmtoarele procese:

efectul fotoelectric extern: const n emisia de electroni de ctre un metalsau un semiconductor (n exteriorul lor) sub aciunea radiaiilor dindomeniul vizibil i ultraviolet; n acest efect sunt implicai electronii liberi,de conducie;

fotoionizarea: const n extragerea electronilor din atomii unui gaz lainteraciunea acestora cu radiaii din domeniul ultraviolet;

efectul fotoelectric intern: const in mrirea numrului de purttori desarcinelectric, liberi, n interiorul unui metal sau al unui semiconductor,frca acetia sprseascsistemul, n urma interaciunii sistemului curadiaii luminoase. Se obine o micorare a rezistenei electrice amaterialului radiat.

efectul fotovoltaic - const n apariia unei tensiuni electromotoare lacontactul dintre un semiconductor i un metal sau la contactul dintre dousemiconductoare, dac regiunea de contact este radiatcu un fascicul delumin.

Cum se explicefectul fotovoltaic pentru o jonciune p-n (deci avnd structura uneidiode):

daco jonciune p-neste radiatcu un flux de energie, semiconductorului ise comunic o energie cuantic W = hf (h constanta lui Planck:h= 6,631034Js, iar f frecvena radiaiei electromagnetice);

regiunea n expus radiaiei este foarte subire, astfel nct radiaia esteabsorbit, n principal, de regiunea p;

dac energia cuantic a fotonului este mai mare dect lrgimea benziiinterzise, electronul va trece n banda de conducie, devenind liber i lsndn banda de valenun gol [deci, numai anumite componente ale spectrului

solar oferenergii n msursfacposibil efectul fotoelectric (W> Eg)]; ca urmare a acestui proces, apare un cmp electric imprimat Ei , orientat dela semiconductorul n ctre semiconductorul p (opus celui al jonciunii icare micoreazbariera de potenial, ca i cum ar fi aplicatdin exterior otensiune direct); Acest cmp separsarcinile electrice create;


3/10


Schema echivalenta celulei fotovoltaice electronii se vor dirija ctre regiunea n iar golurile ctre p, separarea

acestor sarcini determinnd apariia unui curent Is (de la n ctre p) prinjonciune; acumularea de sarcin face ca la bornele jonciunii s apartensiunea U; jonciunea se comportca un generator de curent;

nchiznd circuitul exterior, prin jonciune va circula, un curent direct Id(dela regiunea p la regiunea n), de sens opus celui produs prin efect

fotovoltaic. Valoarea rezultanta curentului prin jonciune este:

== 1exp

T

0U

UIIIII

sds (1)

I0 fiind curentul de saturaie la polarizarea invers a jonciunii iar UT tensiuneatermicechivalenttemperaturii de funcionare a jonciunii, tensiune definitprin:

e

hTU =T (2)

n care Teste temperatura jonciunii, e sarcina electronului, iar h constanta luiPlanck.(n schemRieste rezistena de izolaie dintre bornele celulei, iar Rsrezistena serieechivalent).

Regimuri de funcionare:

n scurtcircuit (U=0): siscurtcircuII

t =

n gol (I=0):

+= 1ln

0

T0I

IUU

s

lnI

UU

I

RU

Rs

RiIs

Id

n p

Id

Is

I

R

U

hf

Ei


4/10


O celulcu siliciu, tipic, este formatdin:

un strat foarte subire de semiconductor de tip n ( Si, dopat cu P), cugrosimea de cca. 3 m;

un strat mai gros de semiconductor de tip p( Si, dopat cu B), cu grosimeade cca. 250 m;

electrozi (electrodul superior este realizat fie sub forma unei reele metalicetransparente, fie sub forma unei grile)

indiferent de suprafaa i dimensiunile sale, o celul produce, lafuncionarea n gol, o tensiune de 0,5...0,6 V;

curentul (i implicit puterea furnizat) depind de suprafaa celulei, derandamentul su i de intensitatea radiaiei solare (orientativ, o suprafade160 cm2, a unei baterii comerciale, pemite obinerea unei puteri maxime de2 W, la radiaie solarmaxim 1000 W/m2).Date fiind valorile de ieirecaracteristice unei celule, acestea se grupeaz n module, iar modulele npanourisolare:

Celulele fotovoltaice (solare) se clasific:

dupnatura neomogenitii

de tip homojonciune (o singurjonciune p-n) de tip heterojonciune (tip sandwich, mai multe jonciuni p-n, suprapuse,

utiliznd diferitele benzi ale spectrului electromagnetic solar)

dup tipul semiconductorului utilizat


5/10


Factorii de care depinde eficiena celulei fotovoltaice

Celula fotovoltaictransformnumai o parte a energiei primite n energie electric.Pierderile de energie apar ca urmare a:

proceselor care intervin asupra energiei incidente(pierderi de radiaie): reflexie la suprafaa celulei (pentru a diminua acest proces suprafaa

iluminateste acoperitcu un strat antireflectant) absorbie incomplet(selectiv) a radiaiei incidente:

Spectrul intensitii unor surse de luminn funcie de lungimea de und

Spectrul vizibil

Culoare Lungime de und Interval de frecvene

rou ~ 625740 nm ~ 480405 THz

oranj ~ 590625 nm ~ 510480 THzgalben ~ 565590 nm ~ 530510 THzverde ~ 520565 nm ~ 580530 THzazuriu ~ 500520 nm ~ 600580 THzalbastru ~ 430500 nm ~ 600580 THzviolet ~ 380430 nm ~ 600580 THz


6/10


proceselor care intervin dup ce energia incident a fost transferatasemiconductorului: generarea purttorilor de sarcin(nu toatenergia recepionatpoate

fi utilizatpentru producerea purt

torilor de sarcin

)

pierderi datorit recombinrii sarcinilor, n interiorulsemiconductorului

pierderi datorate nclzirii (i creterii rezistivitii) materialului

Aplicaii uzuale, actuale i de perspectiv generatoare de mic putere (calculatoare de buzunar, radioreceptoare

portabile etc.)

generatoare locale de putere medie (pentru alimentarea pompelor de irigaii,a aparatelor electrocasnice, a unor vehicule electrice) generatoare de mare putere (centrale solare, racordabile la un sistem

electroenergetic)

Schema unei instalaii solare de mare putere, racordabil la o reea de tensiune

alternativeste:


7/10


8/10


reprezint suprafee reflectante pentru undele electromagneticeincidente la acestea

Protecia mpotriva loviturilor de trsnet

Caracteristici specifice panourilor fotovoltaice: sunt montate n locuri expuse trsnetului:

pe acoperiuri ale cldirilor publice sau private (prevzute sau nu cuinstalaii proprii de paratrsnet); (se consider c instalaiile solare numresc riscul de expunere la trsnet a cldirii pe care sunt dispuse);

pe suprafee deschise, de mari dimensiuni (n cazul centralelor solare) pe instala

ii de control al traficului rutier

ocup(n cazul sistemelor de puteri mari) suprafee mari, necesitnd conexiunide lungimi mari ale cablurilor: de putere, de la cutia de borne a panoului, la cldirea n care sunt dispuse

invertoarele de semnal, de la/ctre instalaiile de supraveghere i automatizare

Protecia mpotriva loviturilor directe de trsnet

se realizeaz cu paratrsnete special dispuse sau se amplaseaz panourile nzona de protecie a paratrsnetelor existente:

Amplasarea paratrsnetelor n conformitate cu metoda sferei fictive


9/10


Protecia mpotriva supratensiunilor provocate de trsnet

se realizeazprin:

utilizarea de cabluri ecranate (sau dispuse n conducte metalice) pe parteade tensiune continu, pnla intrarea n cutia de conexiuni a invertorului;(loviturile de trsnet n apropiere pot induce tensiuni de mod diferenial de valorimari n liniile de tensiune continu. Ecranul acestor linii poate conduce, deasemenea, cureni de impuls de valori foarte mari)

echipotenializri;(toate prile metalice care se afl n mod normal la potenialul pmntului ecrane ale cablurilor, conducte etc. i care ptrund n cldirea invertorului,

trebuie conectate mpreuni la priza de pmnt a cldirii n cutia de jonciuni ainvertorului sau n imediata apropiere a acesteia)

montarea de dispozitive de protecie mpotriva supratensiunilor isupracurenilor (de tip descrctor sau eclator) n urmtoarele puncte:

n cutia de conexiuni a panoului solar:

la intrarea de tensiune continun invertor

pe partea de tensiune alternativa invertorului


10/10


Reea tip TN

TA

~

TC

=

L

N

PE

Cutia de conexiuni apanoului

Dispozitiv de izolarea reelei de TC

La masa panouluisolar

L

L

Descrctoare

Invertor Reea tip TT

TA

~

TC

=

L

N

PE

Descrctor

Eclator

204004978-celule-fotovoltaice

Documents