021 - laborator 002 - conversia fotovoltaica

Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�

1/7

CONVERSIA FOTOVOLTAIC�

2.1. Considera�ii generale În urma reac�iilor termonucleare de transformare a hidrogenului în heliu care au loc în Soare la o temperatur� de cca. 20000000 ºC, se degaj� în mod continuu în spa�iul cosmic un flux de energie radiant� de cca. 8,8·1025 cal/s. Într-un interval de 20 de minute, Soarele furnizeaz� echivalentul consumului energetic anual al omenirii.

Cantitatea de energie care vine de la Soare, �i cade în unitatea de timp pe o suprafa�� unitar�, dispus� perpendicular pe razele solare se nume�te constant� solar� (E0), valoare standard pentru constanta solar� E0 = 1353 W/m2.

Conversia fotovoltaic� reprezint� conversia direct� a radia�iei solare în energie electric� cu ajutorul celulelor solare. Orice corp solid are o re�ea cristalin� realizat� din atomi ioni sau molecule fiecare dintre aceste particule reprezentând un sistem cuantic format din nuclee �i electroni.

Atomul este alc�tuit dintr-o regiune central�, foarte dens� care constituie nucleul �i o zon� în jurul acestuia, în care se învârt electronii, care constituie înveli�ul electronic (figura 2.1).

Fig. 2.1. Atomul

Orice material este caracterizat în func�ie de modul de interac�iune al atomilor de nivele energetice dispuse în banda de conduc�ie (BC), banda de valen�� (BV) �i band� interzis�.

2.2. Clasificarea materialelor dup� structura benzilor de energie a. Materiale electroizolante La 0º K izolantul are banda de valen��

complet ocupat� iar banda de conduc�ie complet liber�, deci este imposibil s� se stabileasc� un curent de conduc�ie.

∆WF > 3 eV La temperatura mediului ambiant se constat� c� datorit� benzi interzise Fermi, destul de lat�, probabilitatea de trecere a unui electron de valen�� din banda de valen�� în banda de conduc�ie este extrem de mic�. b. Semiconductori În cazul semiconductoarelor banda de valen�� este complet ocupat� cu electroni, banda de conduc�ie este complet liber�, îns� l��imea benzi interzise este considerabil mai mic�.

BAND� DE VALEN��

BAND� DE CONDUC�IE

FERMI > 3 eV

BAND� DE INTERZIS�

∆∆∆∆WF

E

Fig. 2.2. Materiale electroizolante

Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�

2/7

c. Metale Metalele nu au band� interzis�. Banda de conduc�ie este lipit� de o band� permis�

superioar� sau suprapus�.

Semiconductoarele sunt materiale care devin conductoare de electricitate când sunt

supuse ac�iunii luminii sau c�ldurii, dar care func�ioneaz� ca izolatoare la temperaturi sc�zute. Peste 95% din celulele solare existente în lume sunt realizate din siliciu (Si) ca material

semiconductor. Aducerea unui electron în starea de conduc�ie înseamn� trecerea electronului din banda

de valen�� în banda de conduc�ie. Dac� de pe un nivel oarecare din banda de valen�� a plecat un electron atunci r�mâne o stare energetic� liber� care poart� denumirea de gol. Acest gol poate fi ocupat de un electron vecin, cel mai apropriat dar în locul de unde a plecat electronul se formeaz� un gol, care la rândul lui va fi ocupat de un alt electron. Deci putem spune c� exist� o circula�ie de sarcin�.

Doparea sau impurificarea const� în introducerea controlat� de elemente chimice (atomi diferi�i) în re�eaua cristalin� a materialului semiconductor cu scopul de a ob�ine un surplus de sarcini pozitive rezultând semiconductorul de tip p sau un surplus de sarcini negative rezultând semiconductorul de tip n.

Impurit��ile pot fi: ��impurit��i donoare – donori - care dau nivele energetice mai apropiate de banda de

conduc�ie. Energia de ionizare a nivelelor donare este (0,01 ÷ 0,2) eV, astfel c� electronii pot fi transfera�i u�or de pe un nivel energetic donor în banda de conduc�ie. Din acest motiv, ace�ti semiconductorii se numesc semiconductori electronici sau de tip n. De exemplu un semiconductor de Si care este tetravalent impurificat cu un atom pentavalent, arseniu sau fosfor.

��impurit��ile acceptoare - care dau nivele energetice mai apropiate de banda de valen��. Aceste nivele pot primi u�or electroni din banda de valen��, l�sând în urma lor goluri libere care pot participa la conduc�ia electric�. Semiconductorii cu impurit��i acceptoare sunt numi�i semiconductori cu goluri sau de tip p. De exemplu un semiconductor de Si care este tetravalent impurificat cu un atom trivalent, bor sau aluminiu.

BAND� DE VALEN��

BAND� DE CONDUC�IE

BAND� DE INTERZIS� ∆∆∆∆WF

E

Fig. 2.3. Semiconductori

BC

E

BV

Regiune de suprapunere

Fig. 2.4. Metale

Fig. 2.5.

BC

BV

zona

interzis�

+

Nivel FERMI

-

Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�

3/7

Fig. 2.6. Fenomenul de dopare

Semiconductoarele mai pot fi intrinseci �i extrinseci. Semiconductori intrinseci – sunt semiconductorii care nu con�in impurit��i

(semiconductor pur) �i la echilibru termic, num�rul de electroni liberi este egal cu num�rul de goluri. În aplica�iile practice un semiconductor pur este deci un izolator. Semiconductori extrinseci – sunt semiconductorii care con�in impurit��i (majoritatea compu�ilor naturali).

2.3. Efectul fotovoltaic. Celula fotovoltaic� În�elegerea efectului fotovoltaic este legat de cunoa�terea fenomenelor care au loc în

jonc�iunea p-n a dou� materiale semiconductoare unul de tip "p" �i altul tip "n" ob�inute prin impurificare. În aproprierea jonc�iunii are loc o difuzie a purt�torilor de sarcin� majoritari dintr-o regiune în cealalt� regiune, unde sunt minoritari. Astfel golurile din regiunea p se deplaseaz� c�tre regiunea n �i invers – electronii din regiunea n se deplaseaz� c�tre regiunea p. Se stabile�te astfel o regiune cu sarcin� spa�ial� – pozitiv� în regiunea "n" �i negativ� în regiunea "p" - în imediata apropriere a jonc�iunii, restul semiconductorului r�mânând neutru.

nivel energetic al donorilor

nivel energetic al acceptor

EC

EV

+ + + + + + + +

- - - - - - - -

+ + + + + + + +

- - - - - - - -

BC electroni liberi

donori

Ed

Ea

BV goluri libere

acceptori

+ - +

-

-

+ + -

hν

IL

Id

iE�

R

U

I p n

Fig. 2.7. Efectul fotovoltaic intern

Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�

4/7

Regiunea de sarcin� spa�ial� va da na�tere unui câmp intern Ei orientat de la regiunea n spre regiunea p. Acest câmp intern se opune trecerii purt�torilor de sarcin� majoritari (golurile din regiunea p �i electronii din regiunea n) prin planul jonc�iuni generând o barier� de poten�ial.

Presupunem c� jonc�iunea p-n este expus� unei radia�ii incidente. Aceast� radia�ie putând fi echivalat� cu un flux de fotoni care au energia:

Wf = hν (2.1) h – constanta lui Planck; ν - frecven�a radia�iei.

Dac� energia fotonului este suficient de mare, atunci în urma coliziunii fotonului cu un

atom, electronul din banda de valen�� va trece în banda de conduc�ie, devenind liber, generând totodat� un gol în re�eaua cristalului. Astfel, sub ac�iunea fotonului are loc generarea de perechi electroni-goluri, efectul numindu-se efect fotovoltaic intern.

În regiunea jonc�iunii îns�, sarcinile sunt separate pe baza câmpului electric, apare astfel un curent IL prin jonc�iune, care circul� de la semiconductorul de tip n la semiconductorul de tip p care va duce la o c�dere de tensiune U pe sarcina R conectat� la borne. Tensiunea U, la rândul ei, provoac� prin jonc�iune un curent direct Id în sens opus curentului IL.

Curentul prin jonc�iune va fi:

��

�

�

��

�

�−−=−= 1eIIIII TU

U

0LdL (2.2)

IL – curentul care apare la separarea sarcinilor pe baza câmpului electric în regiunea jonc�iuni;

Id – curent direct în sens opus curentului Is care apare datorit� tensiunii U; I0 – intensitatea curentului de satura�ie la polarizarea invers�;

UT – tensiunea termic� corespunz�toare temperaturii de func�ionare a jonc�iunii:

eTk

UT

⋅= ;

k – constanta lui Boltzmman; T – temperatura absolut�; e – sarcina electronului; U – c�derea de tensiune pe rezisten�a exterioar�;

Caracteristicile celulei fotovoltaice pentru diferite valori ale radia�iei solare sunt

prezentate în figura 2.8.

Fig. 2.8. Caracteristicile celulei fotovoltaice a - la varia�ia radia�iei solare; b - la varia�ia temperaturii

E=1000W/m2

700W/m2

500W/m2

A I

0

1

2

3

4

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

U

a.

A I

4

3

2

1

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

U

Temperatura, °C 75 25 0

b.

Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�

5/7

Puterea maxim� are expresia:

M

2ML

M

M

L

0LMMMM eUkT

UIeeUkT

eUII

1IUIUP+

⋅⋅≅

+⋅���

����

�+⋅⋅=⋅= (2.3)

Sistem fotovoltaic, Escuain (Puertolas, Aragon, Spain)

Centru de afaceri solar, Doxford International 2.4. Analiza energetic� �i economic� a unui sistem hibrid Energia solar� sau eolian� pentru alimentarea unei case de vacan�� este una din cele

mai comune aplica�ii a energiei alternative aflat� într-o zon� f�r� acces la re�eaua public�. Pentru a determina pre�ul de cost al sistemului propus este necesar sa determin�m care

sunt consumatorii care vor folosii aceasta energie �i care este intervalul de timp în care ei func�ioneaz�.

Consumatori de curent alternativ

(AC)

Putere

(W)

Ore de func�ionare

pe Zi

Zile de func�ionare s�pt�mâna

Consumatori

de curent continu (DC)

Putere

(W)

Ore de func�ionare

pe Zi

Zile de func�ionare s�pt�mâna

Frigider 200 10 7 Bec 11 W – 4 buc 44 2 7

Televizor color 150 4 7

Receptor satelit 30 4 7

Radio-CD player 35 6 7

Rezerva de energie 50 3 7

Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�

6/7

Loca�ia dispune de urm�toarele caracteristici de poten�ial energetic: ��energie solar� timp de 4,5 ore pe zi; ��vânt continuu la 12m/s timp de 4 ore pe zi.

Pentru deservirea acestor consumatori sistemul poate folosi panouri solare sau un

generator eolian ( turbina eoliana) care trebuie sa produc� tot necesarul de energie electric�. Ace�ti consumatori au nevoie de 4 kWh pe zi timp de 7 zile pe s�pt�mân� sau putem

considera aproximativ un consum de 124 kWh/lun�. Sistemul are o autonomie de 2 zile, adic� poate furniza energia necesar� timp de 2 zile

chiar dac� nu avem nici un aport de energie de la panourile solare fotovoltaice sau turbina eolian�.

Investi�ia estimat� în sistemul hibrid (fotovoltaic+eolian): este:

Nr. crt. Echipament Pre�/buc.

[Euro] Cantitatea Pre� total [Euro]

1. Panou fotovoltaic 165W 751 10 7510,00 2. Turbina eoliana 2500 1 2500,00 3. Acumulatore 398 10 3980,00 4. Invertor 485 1 485,00 5. Regulator 260 2 520,00

TOTAL SISTEM 14995,00

+ -

�i/sau

Conversia Energiei �i Energetic� General� Laborator 002 - Conversia Fotovoltaic�

7/7

2.5. Con�inutul lucr�rii În aceast� lucrare se prezint� o celul� fotovoltaic� cu ajutorul c�ruia se realizeaz� conversie energiei solare în energie electric�.

Fig. 2.9. Celula fotovoltaic� PS – panou solar (celula fotovoltaic�); R – reostat; V – voltmetru de cc; A – ampermetru de cc;

2.6. Chestiuni de studiat

În urma conversie energiei solare în energie electric� se va citi pe aparatele de m�sur� curentul I tensiunea iar puterea se va calcula cu rela�ia:

P = U · I (2.4) M�rimile achizi�ionate �i calculate se vor trece în tabel urm�tor:

Tabel 2.1. Date achizi�ionate

Nr crt. I U P [mA] [V] [mW]

Cazul 1. Cazul 2. Cazul 3. Cazul 4.

Se va trasa caracteristica I – U a celulei fotovoltaice.

R •

• •

PS radia�ii solare

A

V •