energia solară fotovoltaică,,

7/25/2019 Energia Solară Fotovoltaică,,

http://slidepdf.com/reader/full/energia-solara-fotovoltaica 1/6

Energia solară fotovoltaică

Introducere

Energia solară poate fi folosită pentru generarea energiei electrice. Radiaţia solară setransformă în energie termică la temperaturi mari, apoi se obţin vapori, care produc în turbinăenergie mecanică, în sfârşit, antrenând un generator, obţinem energie electrică.

Capitolul ce urmează este consacrat conversiei directe a radiaţiei solare în energieelectrică. Tenologia conversiei directe e!clude transformările intermediere" radiaţia solară înenergie termică, energia termică în energie mecanică, energia mecanică în energie electric decurent alternativ. Conversia directă se realizează cu a#utorul materialelor solide

semiconductoare, folosind efectul fotovoltaic. $eneratorul fotovoltaic, aşa numita celulăfotovoltaică , spre deosebire de generatorul electromecanic, produce energie electrică decurent continuu. E!cluderea din lanţul tenologic a transformărilor intermediare, lipsamişcării, zgomotului, vibraţiilor, construcţie modulară, durata de e!ploatare de peste %& deani, ne face să afirmăm că viitorul energeticii descentralizate va aparţine tenologieifotovoltaice. 'u întâmplător revista engleză Te Economist din () *ugust )++) menţionareferitor la conversia fotovoltaică a energiei solare" -in toate sursele alternative de energie vântul, valul de mare, maree, geotermică probabil cea mai promiţătoare conversie a energieisolare în electricitate este cea fotovoltaică/.



Celula fotovoltaică şi caracteristicile ei. Construcţia şi principiul de funcţionare

Celula fotovoltaică este un dispozitiv electronic, funcţionarea căruia se datorează

purtătorilor de sarcină minoritari. Ca material iniţial pentru fabricare se utilizeazăsemiconductor, de obicei siliciu cristalin sau policristalin, pe suprafaţa căruia prin diversemetode tenologice se formează straturi, care conţin impurităţi pentru a obţine #oncţiunea p-n.0n figura %.& este prezentată scema constructivă simplificată a celulei 12, având la bazămaterial semiconductor de tip p-n.

3igura ) 4cema constructivă a celulei fotovoltaice

4ă analizăm fenomenele ce au loc, dacă celula 12 este e!pusă unei radiaţii incidente5figura ) 6. *ceastă radiaţie poate fi ecivalată cu un flu! de fotoni care au energia"

W f =hv 7 5)6

unde, h este constanta lui 1lanc8, iar ν este frecvenţa radiaţiei. -acă energia fotonului estesuficient de mare, atunci în urma coliziunii fotonului cu un atom electronul din banda devalenţă va trece în banda de conducţie, devenind liber, generând, totodată, un gol în reţeauacristalului. *stfel, sub acţiunea fotonilor are loc generarea de pereci electroni9goluri. *cestefect se mai numeşte efect fotovoltaic interior. 0n figura ) din stânga fotonul * are o frecvenţămai mică şi deci o energie mai mică, fotonul : are o frecvenţă mai mare şi corespunzător oenergie mai mare 5unda electromagnetică cu frecvenţă mică pătrunde în material la adâncimimai mari şi invers6.

1urtătorii de sarcină noi apăruţi sunt supuşi acţiunii câmpului electric al #oncţiunii p-ncaracterizat printr9un anumit potenţial de barieră ;< şi care în dependenţă de tipul

semiconductorului folosit este de ordinul <,% 9 <,= 2. *ici sarcina spaţială a #oncţiunii va avearolul de separator de sarcini libere 9 pereci electroni9goluri. Electronii vor fi diri#aţi spre zona



n, golurile 9 spre zona p a celulei. *cesta este motivul pentru care sub influenţa luminii zonap se încarcă pozitiv, zona n se încarcă negativ, ceea ce conduce la apariţia unui curent electric

prin #oncţiune, determinat de conversia fotovoltaică a radiaţiei solare. *cest curent, circulând prin #oncţiune dinspre zona n spre zona p 5figura %.& din stânga6 duce la o cădere de tensiuneU pe sarcina e!ternă R, conectată la contactele din spate şi contactul9grilă de la suprafaţă

5figura ) din dreapta6. Tensiunea U în raport cu #oncţiunea p-n acţionează în sens direct şi, larândul său, va determina prin #oncţiune curentul diodei >d de sens opus curentului fotovoltaic>s, care se determină cu e!presia"

I d= I 0 exp( eU kT )−1 7 5%6

unde" I 0 este intensitatea curentului de saturaţie7 k 9 constanta lui :oltzmann7 T 9 temperaturaabsolută7 e 9 sarcina electronului.

Caracteristicile celulei fotovoltaice

Caracteristicile principale ale celulei 12 sunt" caracteristica amper9volt >5;6 sau volt9amper ;5>6 şi caracteristica de putere 15;6. Curentul în circuitul e!terior > se determină cadiferenţa dintre curentul fotovoltaic >s şi curentul diodei >d"

I = I s− I d= I s− I 0 exp( eU kT )−1 7 5(6

Ecuaţiei 5(6 îi corespunde scema ecivalentă simplificată a celulei 12, reprezentată înfigura % a. -acă se ţine seama de rezistenţa Ri de scurgeri prin izolaţia celulei 12 şi de Rs a

elementelor conectate în serie, se poate întocmi o scemă ecivalentă completă a celulei 125figura % b6. Cu tenologiile moderne se obţin celule cu Ri ? şi Rs ? <, încât scemaecivalentă simplificată este satisfăcătoare.



3igura %. 4ceme ecivalente ale celulei 12" a 9 simplificată7 b completă7 c

caracteristicile celulei

1uterea electrică cedată sarcinii R a unei celule 12 este"

P=UI =U { I s− I 0[exp ( eU kT )−1]} 7 5@6

2aloarea ma!imă a acestei puteri se obţine într9un punct A al caracteristicii curent9tensiune, ale cărui coordonate sunt rezultate din condiţia dP/dU=0:

U M =U

0−U

T ln(1+U M U

T ) 5&6

I M = I s(1+ I 0 I s ) U M

U M +U T 5B6

unde ;T 8TDe.

1entru o sarcină pasivă valoarea optimă a rezistenţei sarcinii va fi"

R M =U M

I M

5=6

Parametrii celulelor şi modulelor PV

1roducătorii de celule şi module 12 indică în cartea tenică a produsului parametriiridicaţi în condiţii standard"

Radiaţia solară globală pe suprafaţa celulei, $)<<< FDm%7

Temperatura celulei, TC %& oC7

Aasa convenţională de aer, *A),&

0n mod obligatoriu în cartea tenică se prezintă" curentul de scurt circuit, >sc7 tensiuneade mers în gol,;<7 puterea ma!imală sau critică, 1c7 tensiunea şi curentul în punctul critic, ;A



şi I M . 1e lângă aceşti parametri pot fi indicaţi suplimentar" factorul de umplere 53ill3actor6, 33, randamentul celulei sau modulului 12, Temperatura 'ormală de 3uncţionare aCelulei 'GCT, coeficienţii de variaţie a tensiunii de mers în gol şi a curentului de scurt circuitcu temperatura.

Curentul de scurt circuit. 4e obţine la scurcircuitarea bornelor sarcinii R din figura %1e caracteristica >9; acesta9i punctul cu coordonatele ;<, >>sc. -in e!presia 5(6, pentru;<, obţinem >sc >s. 1uterea furnizată este egală cu zero.

Tensiunea de mers în gol. Corespunde punctului de pe caracteristica >9; cucoordonatele ><, ;;<. 1uterea debitată în acest punct este egală cu zero. Tensiunea de mersîn gol poate fi determinată din 5(6 pentru ><"

U 0=kT

e ln

I s+ I 0

I 0≈ KT

e ln

I s

I 0 5H6

1entru o celulă din siliciu raportul >sD>< este de circa )<)<, factorul 8TDe, numit şitensiune termică, este egal cu %B m2, *stfel ;< <,B 2

Puterea critică sau maximală. Este produsul curentului la tensiunea în punctul A acaracteristicii >92. 0n engleză acest parametru se numeşte peak power şi se notează 1C.

PC =U M ∙ I M 5+6

$eometric, puterea critică 1C, corespunde punctelor de tangenţă a iperbolelor 1 ;> constant către caracteristicile amper volt >9; 5vezi figura % d6.

Factorul de umplere (Fill Factor). 4e determină ca raportul dintre suprafeţeledreptungiurilor G;AA>A şi G;GI>sc 5figura % c6 sau

FF =

U M I M

U 0 I sc 5)<6de unde

PC = FF ∙U o ∙ I sc 5))6

3actorul de umplere este măsura calităţii celulei 12. Cu cât este mai mică rezistenţainternă a celulei 12 cu atât 33 este mai mare. -e obicei 33 J <,=.

Randamentul celulei sau modulului P. 4e determină cu raportul puterii generate decelula sau modulul 12 în punctul optimal de funcţionare A la o temperatură specificată către

puterea radiaţiei solare

η= PC

A ∙G 5)%6

unde P C este puterea livrată în F7 A este suprafaţa celulei sau modulului în m7 G radiaţia

globală incidentă pe suprafaţa celulei sau modulului în FDm%.

0n condiţii de laborator s9au obţinut celule din siliciu cristalin cu un randament de )(9%& K în dependenţă de suprafaţa celulei, iar în condiţii de fabrică )%9)@ K. Randamentulcelulei din siliciu policristalin este de )=9%< K în condiţii de laborator şi ))9)( K în condiţiide fabrică. Celulele comercializate din siliciu amorf posedă un randament cuprins între = şi ))K , iar în condiţii de laborator )B K. Limita teoretică a randamentului din siliciu cristalineste de (= K, celui din siliciu amorf %H K.



Temperatura !ormală de Func"ionare a Celulei. Corespunde temperaturii celulei12 la funcţionare în gol, la temperatura mediului de %< oC, radiaţia globală de H<< FDm% şiviteza vântului mai mică de ) mDs. 1entru celule uzuale 'GCT se situează între @% şi @B oC.-acă cunoaştem 'GCT putem determina temperatura celulei T C în alte condiţii de funcţionarecaracterizate de temperatura mediului T * şi radiaţia globală G.

T C =T A+( NOCT −20

0,8 ) ∙G 5)(6

1oMer 4im for Circuit of solar cell

2>>. Concluzii

Randamentul celulelor fotovoltaice este încă mic, dar e!ista o cre tere de îmbunătă ire a materialelor iș ț ș

a sistemului în ansamblu.

energia solară fotovoltaică,,

Documents