Utilizarea panourilor fotovoltaice pentru producerea energiei electrice în clădiri

Întocmit

asist. drd. ing. Andrei BOLBOACĂ

Pagina 1 din 10

Cuprins1  Introducere ............................................................................................................. 2 

2  Celule fotovoltaice .................................................................................................. 4 

2.1  Clasificarea celulelor fotovoltaice .................................................................... 4 

2.2  Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice ............................................ 4 

2.3  Fabricarea celulelor fotovoltaice ..................................................................... 5 

2.4  Caracteristicile celulelor fotovoltaice ............................................................... 5 

3  Panouri fotovoltaice ................................................................................................ 6 

3.1  Caracteristicile unui sistem fotovoltaic ............................................................ 7 

3.1.1  Modularitate ................................................................................................ 7 

3.1.2  Autonomie .................................................................................................. 8 

4  Dimensionarea unei instalații fotoelectrice ............................................................. 8 

4.1  Evaluarea necesitaților .................................................................................... 8 

4.2  Orientarea şi înclinarea modulelor .................................................................. 8 

4.3  Date meteorologice ....................................................................................... 10 

4.4  Umbrirea ....................................................................................................... 10 

Pagina 2 din 10

1 Introducere

Un panou solar fotovoltaic 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

independenți sau pentru generarea de curent electric ce se livrează în rețeaua 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 condițiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se vor

asambla în panouri solare utilizând straturi multiple, alcătuite din diverse materiale, pentru a asigura:

protecție transparentă împotriva radiațiilor și intemperiilor;

legături electrice robuste;

protecția celulelor solare rigide de acțiuni mecanice;

protecția celulelor solare și a legăturilor electrice de umiditate;

asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare;

protecția împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de

electricitate;

posibilitatea manipulării și montării ușoare.

Potenţialul energetic al României (v. fig. 1), care rezultă din cantitatea de energie solară, este

evaluat la 1000 kW/m2 şi an, distribuţia geografică a cestui potenţial este realizată pe 5 zone, din care

zona zero cu potenţial de peste 1250 kW/m2 şi an, iar zona 4 cu potenţial sub 950 kW/m2 şi an.

Radiaţia solară cu valori mai mari de 1200 kW/m2 şi an se înregistrează pe o suprafaţă mai mare de

50% din suprafața totală a ţării.

Elementele componente ale unui panou fotovoltaic sunt următoarele:

geam de protecție pe fața expusă la soare;

un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat EVA sau cauciuc

siliconic) în care se fixează celulele solare;

celule fotovoltaice monocristaline sau policristaline conectate între ele prin benzi de

cositor;

cașerarea feței posterioare a panoului cu o folie stratificată din material plastic

rezistent la intemperii fluorură de poliviniliden (Tedlar) și poliester;

priză de conectare prevăzută cu diodă de protecție respectiv diodă de

scurtcircuitare și racord;

rama din profil de aluminiu pentru protejarea geamului la transport, manipulare

și montare, pentru fixare și rigidizarea legăturii.

Pagina 3 din 10

Fig. 1. Harta potențialului energetic al României

În figura următoare este prezentat schematic componența unui panou fotovoltaic.

Fig. 2. Structura unui panou fotovoltaic

Pagina 4 din 10

2 Celule fotovoltaice

O celulă fotovoltaică constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel

mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa între 0,001 si 0,2 mm și sunt dopate cu

anumite elemente chimice pentru a forma joncțiuni „p” si „n”. Această structură e similară cu a unei

diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitație” a electronilor din material

si va fi generat un curent electric.

Celulele, au de obicei o suprafață foarte mică și curentul generat de o singură celulă este mic

dar combinații serie, paralel ale acestor celule pot produce curenți suficient de mari pentru a putea fi

utilizați în practică. Pentru aceasta, celulele sunt capsulate în panouri care le oferă rezistență

mecanică și la intemperii.

2.1 Clasificarea celulelor fotovoltaice

Celulele fotovoltaice se pot clasifica după grosimea stratului materialului, deosebind celule cu

strat gros și celule cu strat subțire.

Un alt criteriu de clasificare este tipul materialului utilizat, se întrebuințează, de exemplu, ca

materiale semiconductoare combinațiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.

După structura de bază deosebim materiale cristaline(monocristaline fabricate din pastile de

siliciu monocristalin / policristalin, fabricate din mai multe cristale mici ) respectiv amorfe.

În fabricarea celulelor fotovoltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, exista

posibilitatea utilizării și a materialelor organice(celulele pe baza de compuși organici prezintă un

impediment , faptul că aceste celule au un randament redus și o durată de viață redusă, max. 5000h)

sau a pigmenților organici (procedura se bazează pe efectul de fotosinteză).

2.2 Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice

O celulă fotovoltaică de silicon e compusă din o foiţă de un strat foarte subţire de silicon de tip

N, deasupra unui strat gros de silicon de tip P. Un câmp electric este creat deasupra suprafeţei de

sus a acelei celule unde cele două materiale intră în contact, numită jucţia P-N. Când razele solare

ajung la suprafaţa unei celule fotovoltaice, câmpul electric produce momentul şi direcţia la electronii

stimulaţi de lumină, rezultând fluxul de curent, celulele solare fiind conectate la un încărcător electric.

Indiferent de mărime, o bucată de celulă fotovoltaică de silicon produce în jur de 0.5 - 0.6 volti

în conformitate cu un circuit deschis, fără condiţii de încărcare. Curentul (şi puterea ) de ieşire a unei

celule fotovoltaice depinde de eficienţa şi mărimea suprafeţei, şi este proporţională cu intensitatea

soarelui care ajunge la suprafaţa celulei. De exemplu, în condiţiile în care lumina solară este foarte

puternică, o celulă fotovoltaică comercială cu o suprafaţă de 160 cm2 va produce în jur de 2 waţi, la

Pagina 5 din 10

putere maximă.

În ceea ce privește randamentul celulelor fotovoltaice convenţionale, acestea transformă între

5 si 15% din energia solară primită în energie electrică. Unele celule experimentale, fabricate din

materiale foarte scumpe, au o eficienţă aproape dublă dar numai in anumite condiţii de laborator.

Încapsularea durabilă a elementelor componente are o importanţă foarte mare deoarece umiditatea

ce ar putea pătrunde ar afecta durata de viaţă a panoului solar prin coroziune şi prin scurtcircuitarea

legăturilor dintre elementele prin care trece curent electric.

Amortizarea energetică este momentul în care energia consumată pentru fabricarea celulei

fotovoltaice este egalată de cea produsă în timpul exploatării.

2.3 Fabricarea celulelor fotovoltaice

Procesul de fabricare convenţional singular şi policristalin al celulelor de silicon fotovoltaic

începe cu aplicarea semiconductorului în polisilicon – un material produs din quart şi folosit mult în

industria electronică. Polisiliconul este pe urmă încălzit până la temperatura de topire , şi sunt

adăugate în polisiliconul topic bucăţi mici de bor pentru a crea un material semiconductor de tip P. Pe

urmă blocuri de silicon sunt formate, de obicei folosind una din cele doua metode:

a) Formând un bloc pur de silicon cristalizat din seminţe de cristal făcute din polisiliconul

topit;

b) Turnând polisiliconul topit într-un cazan, formând un material de silicon policristalin.

Bucăti individuale de wafere sunt feliate din blocurile de silicon folosind un fierăstrău de

sârmă şi pe urmă sunt supuse gravurării suprafeţei. După ce waferele sunt curăţate, ele

sunt aşezate într-un cuptor de difuzie de fosfor, creând un strat subţire de semiconductor

de tip N în jurul întregii suprafeţe exterioare a celulei. Pe urmă, un înveliş antireflexiv este

aplicat deasupra suprafeţei celulei, şi contactele electrice sunt imprimate deasupra

suprafeţei celulei (negativ). Un material conductor de aluminiu este aşezat dedesubtul

suprafeţei fiecărei celule (pozitiv), reatribuindui proprietăţile de tip P a părţii de jos,

deplasând stratul difuz de fosfor. Fiecare celula este pe urmă verificată electric, sortata

după curentul electric de ieşire, şi electric conectate la celelalte celule pentru a crea

circuite de celule pentru asamblare în module fotovoltaice.

2.4 Caracteristicile celulelor fotovoltaice

Principalele caracteristici tehnice ale celulelor fotovoltaice sunt următoarele:

tensiunea de mers în gol UOC

curentul de scurtcircuit ISC

tensiunea în punctul optim de funcţionare UMPP

Pagina 6 din 10

curentul în punctul de putere maximă IMPP

puterea maximă estimată PMPP

factor de umplere FF

MPP

OC SC

PFF

U I

coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei

randamentul celulei fotovoltaice η la o suprafaţă iluminată A şi intensitate luminoasă Popt

MPP

opt

P

A P

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 teoretic maxim la

sistemele cu mai multe benzi interzise care reacţionează la toate lungimile de undă a luminii solare

este de 85 %.

Îmbătrânirea conduce la scăderea randamentului cu cca 10 % in 25 ani.

Material Randament

(AM1,5) Durată de

viaţă

Siliciu amorf 5-10 % < 20 ani

Siliciu policristalin 10-15 % 25-30 ani

Siliciu monocristalin 15-20 % 25-30 ani

Arseniură de galiu (monostrat)

15-20 % –

Arseniură de galiu (două

straturi) 20 % –

Arseniură de galiu (trei straturi)

25 % (30% la AM0)

>20 ani

Tabelul 1. Randamentul și durata de viață a celulelor fotovoltaice

3 Panouri fotovoltaice

Conversia energiei solare în energie electrică se realizează cu instalaţii fotovoltaice (v. fig.

3) care cuprind module solare, în configuraţii şi de dimensiuni diferite.

Un sistem clasic fotovoltaic insular este alcătuit din următoarele componente:

panouri fotovoltaice;

regulatorul de încărcare al bateriilor;

Pagina 7 din 10

grupul de baterii de 12, 24 sau 48 V CC;

invertor, care transformă curentul continuu CC în curent alternativ CA.

Fig. 3. Panou fotovoltaic

Cantitatea energiei solare accesibile se schimbă în decursul zilei din cauza mişcării relative a

soarelui şi depinde de gradul înnorării cerului. La miezul zilei pe un timp frumos, iluminarea

energetică, formată de soare, poate ajunge la 1000 W/mp, sau poate fi mai mică de 100 W/mp în

condiţii cu nivel înalt de acoperire a cerului cu nori. Cantitatea energiei solare se schimbă odată cu

unghiul de înclinare a instalaţiei şi orientării suprafeţei ei, scăzând pe măsura îndepărtării de direcţia

sudului.

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.

3.1 Caracteristicile unui sistem fotovoltaic

3.1.1 Modularitate

Un sistem fotovoltaic poate fi proiectat pentru o uşoară expandare. Dacă cererea de putere ar

creste, singurul obstacol care poate interveni în expandarea sistemului fotovoltaic este lipsa spaţiului

necesar amplasării modulelor suplimentare; ne referim desigur la lipsa unui spaţiu iluminat de soare.

Modulele solare pot avea mai multe întrebuințări; astfel, ele pot înlocui suprafeţele mai scumpe

ale clădirilor şi pot oferi în plus alte avantaje. De exemplu, în faţade, ele pot înlocui uşor oglinzile sau

geamurile colorate, asigură umbră şi în același timp, pot genera electricitate. În interiorul acestor

module de geam dublu, spaţiul dintre celulele solare opace este transparent.

Pagina 8 din 10

3.1.2 Autonomie

Deoarece tendința actuală este orientată spre optimizarea din punct de vedere energetic, pentru

asigurarea funcționalității în condiții de maximă eficiență, s-au dezvoltat aplicații în care sistemele

fotovoltaice sunt dotate cu sisteme inteligente pentru controlul funcționării, dotări care asigură

personalizarea acestor aplicații.

4 Dimensionarea unei instalații fotoelectrice

4.1 Evaluarea necesitaților

Este important de subliniat că primordială este economia de energie la nivelul consumatorilor.

Aceasta implică un preț de achiziție mai mare, dar costul global va fi mai mic, deoarece va rezulta

necesitatea unei instalații mai mici.

4.2 Orientarea şi înclinarea modulelor

Randamentul modulelor fotoelectrice este influenţat direct de poziţia acestora faţă de radiaţia

solară. Este foarte important să fie bine plasate pentru a beneficia la maxim de posibilităţile lor.

Dacă este posibil de ales, este foarte simplu de determinat orientarea ideală a modulelor

fotoelectrice, acestea se amplasează pe direcţia Ecuatorului. Dacă site-ul este în emisfera nordică,

panoul va fi orientat către Sud, iar în emisfera sudică, către Nord.

În ceea ce priveşte înclinarea, aceasta se determină mai special. Să considerăm mai întâi o

aplicaţie autonomă, care consumă energie cvasi-constant pe toată durata anului. Pe durata iernii

trebuie optimizată producţia, fiind perioada mai puţin însorită. Panourile trebuie să recupereze energia

Soarelui, a cărui înălţime este mică. În Europa, pentru o utilizare pe toată durata anului, înclinarea

ideală este aproximativ egală cu latitudinea amplasamentului + 10°. Aceasta înseamnă că în

România, vom avea un amplasament numit "55° Sud" (orientare Sud, înclinare 55°). Dacă aplicaţia

nu funcţionează decât vara, se preferă o înclinare de 20 - 30°, cu aceeaşi orientare.

În cazul în care panourile sunt instalate pe acoperişul locuinţei, nu totdeauna este posibilă

orientarea către Sud, datorită amplasamentului casei. În acest caz, trebuie ştiut că trebuie excluse

orientările către nord, nord-est, nord-vest, care sunt foarte defavorabile. Din contră, pentru un site a

cărui amplasament ideal este de exemplu "30° Sud", nu vom pierde decât cel mult 15% din producţia

anuală, dacă panourile sunt orientate către est, vest, sud-est sau sud-vest, iar înclinarea panourilor

nu depăşeşte 30° faţă de orizontală.

Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată în captatori

solari, având funcţionarea bazată pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul captatorilor

solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este

Pagina 9 din 10

important ca orientarea captatorilor spre Soare, să fie cât mai corectă.

Poziţia captatorilor solari este definită prin două unghiuri şi anume, unghiul de înclinare faţă de

orizontală, prezentat în figura 4 şi notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea

faţă de direcţia sudului, prezentat în figura 5.

Fig. 4 Unghiul de înclinare a captatorilor solari faţă de orizontală

Fig. 5 Unghiul azimutului (orientarea faţă de direcţia sud)

Diagrama de mai jos (v. fig. 6) prezintă într-un mod sintetic, influenţa combinată a celor doi

parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare

disponibile.

A fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obţine cu ajutorul acesteia pot fi

extrapolate pentru majoritatea ţărilor din Europa, inclusiv pentru România.

Pagina 10 din 10

Fig. 6. Influenţa combinată a unghiului de înclinare şi a unghiului azimutului, asupra

gradului de captare a energiei solare disponibile

4.3 Date meteorologice

O suprafaţă expusă la Soare, primeşte, la un moment dat, un flux de energie din radiaţia

solară ce se exprimă în W/m² (putere pe unitate de suprafaţă). Acest flux depinde de ora zilei, de

trecerea norilor. La finalul unei zile, acest flux a produs o anumită cantitate de energie zilnică, ce este

proporţională cu integrala radiaţiei solare, fiind exprimată în Wh/m² pe zi, fiind deci produsul dintre

radiaţie şi timp. Cum radiaţia solară instantanee este variabilă, energia zilnică se obţine calculând

integrala curbei radiaţiei în funcţie de timp.

Datorită staţiilor meteorologice, se dispune de multe date statistice. Acestea sunt date globale

zilnice, care servesc la dimensionarea sistemelor fotoelectrice. Pentru o expunere fără umbre, se

poate realiza o dimensionare destul de precisă, utilizând doar 12 valori ale radiaţiei solare, câte una

pentru fiecare lună a anului.

Pentru o dimensionare mai rapidă, se poate utiliza valoarea cea mai mică pe durata de

funcţionare a aplicaţiei. În România, de exemplu, pentru o utilizare anuală, se poate utiliza valoarea

lunii decembrie, care este, în general, cea mai mică. Din contră, pentru o utilizare estivală, de

exemplu între mai şi septembrie, se va utiliza valoarea lunii mai.

4.4 Umbrirea

Umbrirea este o caracteristică foarte dificil de determinat, dar cu o influență semnificativă în

funcționarea panourilor fotovoltaice. Umbrirea este determinată fie de umbra unei clădiri (simplu de

determinat), dar şi de trecerea norilor (aleatoare).