Microcelulele solare sferice rezolv problema recepiei 3D a energiei solareBateriile solare au nceput s fie din ce n ce mai des utilizate. Capacitatea cumulat a sistemelor de generatoare de energie pe baterii solare instalat n anii 2000 ajungea la 711 MW pe plan mondial i 317 MW n Japonia, fiind preconizat o cretere rapid a acesteia pe viitor.

Dezvoltarea rapid a instalrii acestor sisteme se datoreaz existenei unor condiii favorabile, cum ar fi mbuntirea tehnologiilor de fabricaie lucru care a fcut posibil scrderea costurilor de producie astfel nct diferite ri i-au luat msuri pentru introducerea acestor sisteme de baterii solare. Pe de alt parte publicul general este din ce n ce mai contient de problemele de poluare a mediului i de resursele energetice ale viitorului.Dup cum tii, lumina solar este sursa de energie a bateriilor solare, acestea fiind concepute s capteze aceast energie i s o transforme n electricitate - drept urmare un sistem de generatoare pe baz de baterii solare este foarte simplu constructiv. Spre deosebire de resursele de energie fosil ce sunt distribuite neuniform pe suprafaa planetei, un sistem de generatoare pe baz de baterii solare poate produce electricitate aproape oriunde astfel nct nu trebuie s ne facem griji de epuizarea resurselor sau de efectele adverse referitoare la degradarea mediului nconjurtor. Datorit acestor avantaje acest tip de sisteme energetice este din ce n ce mai des utilizat.

Figura 1: Echipamentul si metoda folosita la producerea microcelulelor sferice solareCu toate acestea, sunt cteva probleme care trebuie rezolvate nainte ca rspndirea acestor sisteme s fie posibil, cea mai important fiind faptul c nu pot produce electricitate acolo unde i cnd nu exist lumin solar astfel nct este necesar suplimentarea acesteia cu alte surse de energie. De aceea este necesar ca aceste sisteme s fie dezvoltate n combinaie cu alte sistem de generare i stocare a energiei de exemplu baterii i combustibili fosili.

Figura 2: Sectiune transversala a microcelulelor solare de siliciuDepirea obstacolelor:

Este nc nevoie de reducerea costurilor de producie pentru a rezolva problemele folosirii bateriilor solare n generarea energiei electrice. Dup cum stau lucrurile n prezent, costurile de generare a energiei prin baterii solare sunt de dou sau trei ori mai ridicare dect metodele clasice (combustibili fosili). Mai mult de att, avnd n vedere c sistemele de baterii solare sunt expuse la condiiile atmosferice, este important ca acestea s fie durabile i fiabile.Soluii:

A trecut mai mult de jumtate de secol de cnd sistemele de generatoare de energie pe baz de baterii solare au fost inventate. Acest produs a stat mai degrab n umbra circuitelor integrate de semiconductori i a altor produse al cror progres a fost spectaculos. Pn acum diferite materiale i metode de fabricaie mpreun cu o varietate de tipuri de baterii solare au fost introduse pe pia. ns aceste produse au fost dezvoltate pe tehnologia captrii razelor solare pe o suprafa plan. Kyoto Semiconductor Corp. a devoltat o micro baterie/celul solar ce capteaz energia solar tridimensional, pentru a mbunti capacitatea de generare a energiei electrice.Micro celula/bateria solar conceptul de baz.Energia solar este captat de bateria solar nu numai ca raza de lumin direct emis de soare ci i razele reflectate de nori i cldiri. Cantitatea de energie solar ce ajunge la bateriile solar variaz funcie de poziia soarelui, condiiile atmosferice precum i obiectele din jur ce reflect lumina emis. De aceea condiia esenial a bateriei solare este de a capta ct mai mult energie solar i de a o transforma n electricitate. Vzut din acest punct de vedere nu poate fi spus c bateriile solare cu suprafaa plan ce sunt acum n uz pot satisface aceast condiie. n contrast, conceptul de baz a bateriilor solare sferice permite captarea luminii n toate direciile, mbuntind astfel capacitatea acesteia de producere a energiei electrice i minimiznd fluctuaiile chiar i atunci cnd se afl sub incindena direct a razelor solare. Mai mult de att, diametrul unei baterii solare sferice trebuie redus pentru a putea mri proporia suprafaei de recepie a luminii n comparaie cu volumul acesteia, astfel nct eficiena unui semiconductor de cristal s fie sporit.

Figura 3: Caracteristicile de directivitate a tipului de celula sferica in comparatie cu cele plate

Curentul/mA

Energie dezvoltata/mW

Tensiunea/VSursa de lumina solara simulata AM 1,5 (100 mV/cm2)

Placa de reflexie (placa de difuzie)

Pe placa de reflexie energia dezvoltata creste de 1,5 ori

Figura 4: Caracteristicile microceluleor solare sfericeMasuratorile facute pe o singura parte:

Temperatura de masurare: 250C;Tensiune in circuit deschis: 0,59 V;

Curentul de scurtcircuitare Isc: 1,08 mA;

Tensiunea optima de functionare Vpm: 0,48 V;

Curentul optim de functionare Ipm: 1,01 mA;

Puterea dezvoltata Pmax: 0,48 mW;

Factorul de umplere FF: 0,75 Producia unui singur cristal sferic de siliciu:

Deoarece siliciul exist din abunden i poate fi obinut cu un cost relativ sczut, aproape toate bateriile solare folosesc acest material. Comparndu-l cu siliciul amorf sau policristalin, siliciul cu un singur cristal are o mai mare eficien n ceea ce privete conversia luminii n electricitate. De asemenea are o durabilitate mai ridicat, fiind mai puin afectat de deteriorri i alte probleme.Microbateria solar sferic este produs folosind o sfer (cu un diametru de la 0.5 la 2 mm) de siliciu. Sfera este obinut astfel: o anumit cantitate de siliciu este trecut prin partea superioar a unui tub de alimentare cu nlimea de 14 mm i este topit, trecnd liber prin tub. Siliciul astfel topit devine sferic i se solidific pe parcursul trecerii prin tub.

Impuritile coninute n material sunt eliminate n acest proces prin evaporare i segregare . Acest proces producia de de cristale sferice de siliciu de dimensiuni apropiate elimin costurile sulpimentare ce apar la procedurile convenionale de producie.Structura i caracteristicile bateriei:

Pe suprafaa unei sfere de siliciu de tip P, fr a exclude existena unor impuriti de tip N pe suprafaa acesteia i un strat subire de tip N este folosit pentru a forma o jounciune P-N paralel cu suprafaa sferei. Dup aceasta un electrod pozitiv i unul negativ sunt formai n n centrele suprafeelor tip n i p acoperind celelalte pri ale suprafeei cu o pelicula anti-reflexie se formeaz bateria solar. Acest aranjament al electrozilor face bateria non-directiv i poate realiza o distribuie uniform a curentului generat, facilitnd o conexiune paralel i una n serie a bateriei cu alte baterii. Bateriile solare convenionale au o suprafa plan de recepie i o jonciune p-n paralel cu recepia luminii, care nu ine cont de semiconductorii folosii sau dac acetia sunt cristale amorfe sau o pelicul subire de material. De aceea puterea de ieire este mai mare atunci cnd lumina captat este vertical fata de celula. Mai mult decat atat din timp ce suprafata receptoare de caldura este, in general dispusa pe o parte, nu este generata deloc energie electrica pe partea opsa a celulei, chiar daca lumina este umbrificata pe ea.

Numarul de celule: 1760

Deschiderea/anvergura: 60% (suprafata proiectata a celulei: 40%)

Figura 5: Modulul produs testat (exemplu) modul de tip plat pentru colectarea radiatiei solare in stare de difuzie

Conditiile de masurare:Temperatura de masurare: 250C;Tensiune in circuit deschis: 0,59 V;

Curentul de scurtcircuitare Isc: 1,08 mA;

Tensiunea optima de functionare Vpm: 0,48 V;

Curentul optim de functionare Ipm: 1,01 mA;

Puterea dezvoltata Pmax: 0,48 mW;

Factorul de umplere FF: 0,75

Pmax [mW]

Unghiul de incidenta al luminii [grade]

Dependenta de unghiurile de lumina:

----- doua straturi sursa de lumina la 900----- trei straturi sursa de lumina la 450----- tipul plat

Energie dezvoltata pana la 100 cm2/modul

Pmax [mW]

Unghiul de incidenta al luminii [grade]

Dependenta de unghiurile de lumina:

----- doua straturi sursa de lumina la 900----- trei straturi sursa de lumina la 450----- tipul plat

Energie dezvoltata pana la 100 cm2/modul

Sursa de lumina la 450Sursa de lumina la 900

Minimodul de microcelula sferica solara

Celule solare policristal de tip plat (acestea se vand in cantitati mari)

Figura 6: Comparatie intre microcelula sferica si cea rotunda

In cazul microceluleor sferice, cea mai mare parte a suprafetei sale poate receptiona lumina, exceptie facand electronii sau pozitivi, cat si cei negativi. Aceasta celula are un grad foarte redus de directivitate si poate receptiona lumina din aproape toate directiile pentru a putea genera electricitate.

Niciuna din puterile dezvoltate de o microcelula sferica solara nu poate fi masurata in mod corect printr-o metoda conventionala, in acelasi timp nicio metoda de masurare nu a fost stabilita pentru aceasta valoare. In principiu, o celula solara poate capta in mod direct lumina difuzata sau reflectata pentru a putea genera putere, astfel incat o metoda poate consta in iluminarea verticala a unei celule microcelule de la o singura sursa de lumina, aceasta metoda putand fi folosita pentru masurarea puterii dezvoltate, doar in cazul celulei solare de receptie de tip plat.

Un sistem de masurare a tensiunii si a intensitatii (IV) poate consta in folosirea unui simulator solar (o sursa artificiala de lumina solara), care este folosita pentru a masura caracteristicile IV a unei microcelule sferice, fiind o metoda adoptata pentru celulele conventionale de tip plat cu o singura jonctiune. Puterea dezvoltata de o celula solara creste cu 50% daca pe partea opusa partii de reflexie se monteaza placa de reflexie, in comparatie puterea dezvoltata fara folosirea unei placi de reflexie. Acest lucru inseamna ca exista mult de loc pentru imbunatatirea microceluleor sferice prin inventarea metodelor eficiente de colectare a luminii reflectate.

Eficienta conversiei de tip lumina electricitate a unei microcelule solare sferice produse in scopuri experimentale a fost calculata prin folosirea metodei conventionale de masurare a puterii dezvoltate. In cazul in care lumina unui simulator solar a fost radiata la 1,5 AM intr-o directie relativ fata de axa electrozilor unei celule solare, eficienta conversiei lumina-electricitate este egala cu 18,9 %, acest rezultat fiind obtinut fara folosirea unei placi de reflexie. Nu exista indoiala ca aceasta valoare poate fi imbunatatita pe viitor prin imbunatatirea modelului si aparitiei noilor tehnologii de fabricatie.

Structura, Caracteristicile Modulelor Microcelulelor Solare Sferice

Microcelula solara sferica dispune de o singura jonctiune de tip pn. Celula este foarte mica dar tensiunea sa maxima de deschidere este aceeasi ca si cea a unei celule solare plate care ocupa mai mult spatiu.

Daca aceste microcelule solare sunt combinate ele ar raspunde la cerintele unei surse capacitive mult mai mare, cat si pentru o sursa de capacitate mai redusa. Celule sunt sferice si au o putere mecanica excelenta, iar un numar suficient de celule de acest tip pot fi combinate in conexiuni paralele sau in serie. Un modul de curent redus si tensiune ridicata al unei microcelule sferice solare este foarte economic, fiind un ansamblu de dimensiuni foarte reduse deoarece intensitatea curentului este foarte mica, desi numarul de celule conectate in serie este foarte mare.

Modulul produs pentru teste al microceluleor solare sferice din silicon are o structura simpla. Modulul este conectat in serie si in paralel prin intermediul firelor de cupru si este montat pe o rasina de culoare alba care este lipita pe o placuta de reflexie. Aceasta placuta are dimesiunile de 130 X 130 X 15 mm, avand 57 de celule conectate in serie si 30 de celule conectate in paralel. Sub actiunea directa a luminii soarelui, intr-o zi senina, aceasta poate dezvolta o tensiune maxima de 25 V si o putere de 1 W (maxim).

In figura 6 sunt prezentate datele referitoare la dependenta dintre ungiurile de incidenta a iesirii unui modul de microcelule solare care sunt dispuse pe doua straturi (un strat superior si un strat inferior) si cea a unei celule solare de tip plat din silicon policristal, care dispune de aceeasi suprafata de absorbtie a luminii, fiind prezentata si imaginea exterioara a acestor module.

Modulul microcelular solar folosit pentru masurarea aceasta are celulele dispuse astfel incat gaurile dintre celulele adiacente sunt umplute cu alte celule, care au o reflexie de culoare alba sub zona in care sunt montate.

In cazul in care o celula solara este folosita in spatiu deschis, unghiul de incidenta se modifica in functie de trecerea timpului. Asadar, nu este corecta compararea eficientelor celulelor solare in ceea ce priveste conversia curentului de joasa tensiune, care este masurata doar cand un simulator solar este montat in pozitie verticala inspre modul. Mai corecta ar fi comparatia bazata pe cantitatea de energie electrica dezvoltata la expunerea la soare de o zi intreaga. Un modul microcelular solar are o valoare mai redusa a tensiunii de intrare si produce mai multa energie electrica decat un modul solar de tip plat, chiar si in conditiile in care unghiul de incidenta este mai mic.

Figura de mai jos prezinta un modul flexibil produs in scop experimental, care are o dispunere sferica a celuleor solare si care sunt aranjate pe o suprafata plata si care sunt conectate intre ele printr-un strat fin de rasina alba. Aceasta rasina este fina si transparenta si poate fi folosita in diverse aplicatii, iar modulul poate fi folosit in diverse forme ca o celula de generare a energiei solare, care poate sa primeasca in mod partial lumina sau care poate sa o blocheze in mod partial. Modulul este prezentat atunci cand este alimentat si alimenteaza la randul sau un suport cu patru diode alimentate.

Figura 7: Un modul de celule solare sferice este flexibil si poate utiliza lumina din toate directiile

Producerea microcelulelor solare sferice

In comparatie cu celulele solare conventionale, microcelulele solare sferice au o structura mai simpla si necesita utilizarea unui proces de productie mult mai simplu. Microcelulele solare sferice speciale pot fi produse cu usurinta si pot fi ansamblate in module standard, iar producerea in masa va influenta costurile de productie care vor fi mult reduse pe viitor.

Microcelulele solare sfercie raspund la o gama larga de surse de putere si trebuie sa varieze de la surse cu tensiuni joase pana la surse de tensiune ridicata, fiind lipsita de conexiunea de la celule. Modulele microcelulelor sferice solare pot raspunde diverselor aplicatii in termeni legati de dimensiune si forma. Practic, isi pot imbunatati cantitatea de energie dezvoltata prin imbunatatirea eficiente cu care este folosita lumina soarelui.

Avand o directivitate variabila exista putine restrictii referitoare la modul de montare si modul in care pot fi modelate, putand fi folosite pe structuri si pe masini, mai ales in aplicatiile in care se acorda o atentie deosbita desigului.