MOTTO:

“Soarele trimite pe Pămînt într-un minut mai multă

energie decît consumă toată populaţia globului într-un

an. Alegeţi Soarele ca sursă de energie si ve-ţi trăi

într-o lume mai curată!”

4

INTRODUCERESCURT ISTORIC AL UTILIZARII ENERGIEI SOLARE

Energia solara a fost folosita de Pamant inca de la inceputul existentei acestei planete.

Energia solara a cauzat rectii chimice si transformari fizice. Tot ea a fost, impreuna cu apa,

factorul cheie al aparitiei vietii pe Pamant; marea majoritate a vietii terestre este dependenta la

ora actuala de Energia Solara, adica de lumina si caldura. Putinele organisme ce nu depind

acum direct de energia solara reprezinta un procent nesemnificativ al Vietii pe Terra, si putem

in consecinta sa afirmam ca fara Soare, viata nu ar fi posibila in sensul cunoscut de noi pana

acum.

Umanitatea, din ce in ce mai civilizata, si mai inteligenta a inteles ca energia solara este

ceva util si de-a lungul istoriei sale sunt numeroase exemplele in care a folosit-o in folosul sau

direct. Iata cateva dintre ele:

-  in Grecia Antica , Arhimede a distrus  flota invadatoare romana (corabii din lemn)

folosind un sistem de oglinzi (se pare parabolice) cu care a concentrat energia solara pe

corabii, iar acestea au luat foc si invazia s-a terminat cu un dezastru pentru romani.

-  celebrul far din Alexandria folosea oglinzi uriaşe ca să indice drumul spre port. Se

spunea că lumina acestuia se vedea şi de la 50 de km depărtare

- grecii au fost şi cei care au utilizat energia luminoasă în scop paşnic aprinzând cu ea

flacăra olimpică.

În 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit că o baterie expusă la soare produce

mai mult curent electric decât una neexpusă. Pentru acest experiment a măsurat diferenţa de

potenţial dintre doi electrozi de platină situaţi unul pe faţa luminată şi celălalt pe faţa umbrită

a recipientului şi scufundaţi într-o baie de soluţie chimică acidă . Când a expus această

construcţie la soare a observat trecerea unui curent printre electrozi. Aşa a descoperit efectul

fotoelectric pe care însă nu îl putea explica încă.

Mărirea conductivităţii seleniului a fost demonstrată în 1873. Zece ani mai târziu a fost

confecţionat prima celulă fotoelectrică “clasică”. După încă zece ani în 1893 a fost

confecţionat prima celulă solară care producea electricitate.

În 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit că lumina incidentă pe anumite

suprafeţe metalice eliberează electroni din suprafaţa acestuia şi astfel a oferit prima explicaţie

referitoare la efectul fotoelectric. Totuşi el nu ştia încă de ce şi la care metale se produce acest

efect. Cu toate acesta pentru această descoperire el a obţinut premiul Nobel pentru fizică în

5

anul 1905. Rezolvarea problemei a venit de la Albert Einstein în 1905 când cu ajutorul teoriei

cuantice a explicat dualitatea luminii ea fiind prezentă în acelaşi timp şi ca particulă şi ca

undă. Până atunci se credea că lumina este doar energie cu diferite lungimi de undă. Einstein

în experimentele sale a constatat că lumina în unele situaţii se comportă ca o particulă, şi că

energia fiecărei particule sau foton depinde doar de lungimea de undă. El a descris lumina ca

o serie de gloanţe ce ating suprafaţa materialului. Dacă aceste gloanţe au suficientă energie,

un electron liber din metalul atins de foton se va elibera din structura acestuia. Totodată a

constatat că energia cinetică maximă a electronului este independentă de intensitatea luminii

şi depinde doar de energia fotonului care l-a eliberat. Această energie depinde totodată numai

de lungimea de undă respectiv frecvenţa luminii. Pentru lucrările sale privind fenomenul

fotovoltaic, a obţinut premiul Nobel pentru fizică în anul 1921. Descoperirea în anul 1949 a

joncţiunii p-n de către William B. Shockley, Walther H. Brattain şi John Bardeen a fost încă

un pas mare în direcţia celulelor. După această descoperire fabricării celulei solare în forma

cunoscută astăzi nu îi mai sta nimic în cale.

Fabricarea primei celule solare în 1954 în laboratoarele firmei americane Bell se datorează

totuşi unei întâmplări fericite. Angajaţii firmei sub conducerea lui Morton Price au observat

cînd cercetau un redresor cu siliciu, că acesta producea mai mult curent cînd era expus la

soare. Ca urmare firma Bell prin contribuţia domnilor Chapin, Fuller şi Pearson a dezvoltat

în 1953 primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen dar care aveau un randament de

doar 4 % care a fost mărit la 6 % prin schimbarea impurificării. În 1958 au fost testate celule

solare pentru prima dată pe sateliul Vanguard I dotat cu un panou solar având 108 celule

solare pe bază de siliciu. Rezultetele obţinute au fost peste aşteptări – până în ziua de azi

sondele spaţiale până dincolo de marte sunt alimentate cu curent produs de celulele solare, iar

în anul 2011 se va lansa sonda spaţială Juno care va fi prima sondă spaţială spre Jupiter

alimentată cu curent produs de celule solare. S-au atins în spaţiu randamente de până la 10,5

% Aceste rezultate nu se puteau realiza pe pămînt şi datorită condiţiilor diferite din spaţiu

unde nu se regăseşte ritmul zi-noapte şi lumina naturală nu este absorbită parţial de atmosferă

şi nori, totodată radiaţiile cosmice conduc la o îmbătrânire mai rapidă a celulelor solare decât

pe pământ. De aceea industria şi cercetarea încearcă obţinerea unor randamente tot mai mari

în paralel cu prelungirea duratei de viaţă.

Randamentul teoretic pentru celule solare pe bază de siliciu se consideră a fi de 29 %

pentru condiţiile de iradiaţie pe spectrul din zona de mijloc. Mandelkorn şi Lamneck au mărit

durata de viaţă a celulelor solare în 1972 printr-o reflectare a purtătorilor de sarcină minoritari

după ce au introdus un strat numit black surfaces field (BSF) în stratul impurificat “p”.6

În 1973 Lindmayer şi Ellison au confecţionat aşa numita celulă mov ce avea un randament

de 14 %. Prin reducerea reflexiei în 1975 s-a mărit randamentul la 16 %. Aceste celule s-au

numit celule CNR (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatelit ) şi au fost concepute

pentru sateliţi

Criza de la începutul anilor 70 a condus la creşterea preţurilor produselor petroliere având

ca rezultat creştere preţului energiei. Acest lucru a impulsionat cercetările în domeniul

celulelor solare. În 1980 s-a început organizarea de concursuri de automobile acţionate cu

energie electrică obţinută de la module solare.

În 1981 un avion acţionat de energie solară a traversat Canalul Mânecii. Între timp Green

precum şi specialiştii de la Universitatea Stanford şi cei de la Telefunken au dezvoltat cellule

solare cu un randament în jur de 20 % .

Helio electricitatea a apărut în 1930, odată cu dezvoltarea celulei cu oxid de cupru şi apoi

a celei cu seleniu. Abia în 1954 însă, odată cu realizarea în laboratoarele companiei Bell

Telephone a primelor celule fotoelectrice cu siliciu, se întrevede posibilitatea obţinerii de

energie electrică. Foarte rapid utilizate pentru alimentarea vehiculelor spaţiale, dezvoltarea şi

progresele rapide au fost determinate de programele spaţiale. Pe parcursul anilor 1980,

tehnologia fotoelectrică terestră a progresat cu regularitate, prin punerea în funcţiune a mai

multor centrale de câţiva megawaţi şi prin foarte familiarele produse cu consum redus, cum ar

fi ceasuri, calculatoare de buzunar, balize radio şi meteo, pompe şi frigidere solare. Au

contribuit şi evenimente cum ar fi cursele de vehicule solare, care oferă imaginea înaltei

tehnologii ecologice a viitorului. m aratat ant

Evoluţia tehnologiei şi a pieţei de produse fotoelectrice este în general pozitivă.

Ameliorarea metodelor de fabricaţie, ca şi creşterea volumului de producţie, au condus la

reducerea costurilor. Producţia mondială de module fotoelectrice a crescut de la 5 MW-vârf

(MWv) în 1982 la 60 MWv în 1992.

În prezent, 90% din producţia mondială de module se realizează în Japonia, Statele Unite şi

Europa, în special de mari companii ca Siemens, Sanyo, Kyocera, Solarex şi BP Solar, care

deţin 50% din piaţa mondială. Restul de 10% al producţiei mondiale este realizat în Brazilia,

India şi China, care sunt principalii producători de module fotoelectrice din ţările în curs de

dezvoltare.

7

CAPITOLUL IGENERALITAŢI

Datorita arderii combustibililor conventionali, in scopul producerii formelor de energie

necesare confortului lumii moderne, poluarea atmosferica a luat proportii foarte mari, unul

dintre efecte fiind cel cunoscut sub denumirea de efectul de seră.

Captarea energiei solare, una dintre formele de energie regenerabila, si transformarea ei in

energie electrica sau termica, este tot mai incurajata la nivel mondial, intrucat reduce

semnificativ poluarea mediului. Se cunoaste ca utilizarea de panouri solare termice reduce, in

medie, cu 1-1,5 tone emisia de CO2/an/familie.In momentul de fata, la nivel mondial,

principala resursa energetica (aproximativ 70 %) o constituie combustibilii: carbune, petrol,

gaz, lemn, reziduuri combustibile. O alta parte este reprezentata de energia produsa in

hidrocentrale si in centralele nucleare. Din total energie consumata, aproximativ o treime este

utilizata sub diverse forme pentru incalzirea locuintelor si pentru producerea de apa calda

menajera.

La ritmul actual de crestere a populatiei si al dezvoltarii tehnologice, este vizibil ca nevoia

de resurse energetice ieftine si utilizabile pe scara larga creste foarte mult. Incepe totodata sa

se vada foarte clar faptul ca utilizarea resurselor clasice prezinta anumite efecte negative

(emisiile de noxe, riscuri de accidente, efectul de sera, dependenta de resurse si retele

comune) si, cel mai important, resursele clasice devin tot mai costisitoare, atingand in fiecare

an noi recorduri de pret. Este, prin urmare, nu numai interesant ci chiar obligatoriu sa gasim si

sa promovam noi tehnologii privind utilizarea resurselor energetice neconventionale (solara,

eoliana, geotermala etc).

Avantaje:

Energia astfel obtinuta prezinta o intreaga serie de avantaje in raport cu cea obtinuta din

surse traditionale:

- este gratuita

- este in totalitate ecologica, nu emite noxe, nu produce reziduri;

- este practic inepuizabila;

- nu implica instalatii de prelucrare sau transport a resurselor, inainte de utilizare.

Principiul de functionare se bazeaza pe conversia radiatiei solare in caldura si utilizarea

acesteia pentru incalzirea apei. Apa calda obtinuta poate fi utilizata ca atare, sub forma de apa

8

calda menajera sau ca agent termic primar pentru prepararea apei calde menajere intr-un

acumulator. In unele cazuri se poate utiliza si ca agent termic pentru incalzire.

MENTE

9

CAPITOLUL IIREALIZARI IN DOMENIUL PRODUCERII ENERGIEI TERMICE SI

ELECTRICE DIN ENERGIA SOLARA

Una din utilizările radiaţei solare o constituie transformarea acesteia în electricitate prin

intermediul procesului fotoelectric. Termenul de "foto-pilă" (în sensul pilă electrică) este

foarte frecvent utilizat pentru a desemna celula fotovoltică (FV). Trebuie totuşi menţionat că,

în ciuda termenului folosit, într-o celulă nu se înmagazinează deloc energie, sub nici o formă,

nici chimică. Nu este deci o pilă electrică, ci un convertor instantaneu, ce nu poate furniza

energie electrică în absenţa radiaţiei solare. O celulă în întuneric total se comportă ca un

element pasiv.

În plus, celula solară nu poate fi asimilată cu nici un alt tip de generator clasic de energie

electrică de curent continuu. Aceasta deoarece, celula fotoelectrică nu este nici sursă de

tensiune constantă, nici sursă de curent constant. , Celulele fotovoltatice sunt interconectate

pentru a forma module si sunt asezate intre doua straturi ( unul transparent si altul protector)

pentru a forma un panou solar. Puterea electrica acestor module variaza intre 5W si 200W si

uneori si pana la 300W.  Modulul solar  fiind „caramida” de constructie a unui sistem

fotovoltaic pentru a obtine puterea dorita.

  În prezent, randamentul conversiei energiei solare în energie electrică este slab (cel mai

adesea, sub 12 %). Aceasta înseamnă că, într-o zonă cu expunere nominală de 1000 W/m2,

sunt necesari 12 m2 de panouri FV pentru a furniza 1 kWv, ceea ce determină un cost ridicat

al wattului-vârf. Acest randament scăzut, ca şi costurile destul de mari ale sursei

fotoelectrice, au determinat ca utilizatorii să îşi pună problema exploatării la maximum a

puterii electrice disponibile la nivelul generatorului FV. Acest maxim se obţine în general,

prin asigurarea unei bune adaptări între generatorul FV şi consumatorul asociat. Adaptarea se

realizează prin utilizarea convertoarelor statice, care funcţionează în regimuri variate.

Din punct de vedere al energiei captate si a celei rezultate, panourile solare se pot clasifica

in:

- panouri termosolare, care capteaza energia termica solara

- panouri fotovoltaice

- panouri mixte fotovoltaice si termice

 Din punctul de vedere al modului de captare avem :

- panouri solare cu conversie directa

10

- panouri solare cu conversie catalitica sau indirecta

 Din punctul de vedere al energiei rezultate avem:

- panouri generatoare de energie termica

- panouri generatoare de energie electrica

- panouri generatoare de lumina

- panouri (componente din sisteme) de captare si conversie ale fluxurilor

electromagnetice,  ale  particulelor usoare sau grele de inalta si joasa energie , altele decat

lumina si caldura (aplicatii stiintifice si militare)

 Sistemele fotovoltaice se impart in :

sisteme autonome ,

hibride

conectate la reţea .

Componentele unui sistem fotoelectric depind de aplicaţie: locuinţă izolată sau în

apropierea reţelei, utilizarea unei baterii sau doar a enrgiei solare, existenţa convertoarelor

statice de putere.

Un sistem fotoelectric poate cuprinde:

Celulele solare

Baterii de acumulatoare

Regulatoare de sarcină

Convertoare statice

Alte componente

Sistemele fotovoltaice pot fi descrise de doua categorii principale.

Sisteme independente (Stand-alone systems)

Sisteme conectate la retea (Grid-connected systems)

Sisteme independente (Stand-alone systems)

 Aceste sisteme sunt utilizate in zone fara energie electrica.  In principiu energia produsa

de panourile solare este stocata in baterii, iar de acolo este furnizata cu ajutorul unui invertor

(convertor curent continuu – curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220V.

11

Aceste sisteme sunt in general grupate pe aplicatii profesionale de telecomunicatii , sisteme

de pompare, iluminat, etc sau pe aplicatii in mediul rural fara energie electrica.

Sisteme conectate la retea (Grid-connected systems)

Aceste sisteme sunt utilizate in zone cu energie electrica.  In principiu energia produsa de

panourile solare este livrata in reteaua nationala si in acelasi timp folosita pentru aplicatile

casnice.

Panourile solare mai sunt denumite: captatori, colectoare sau incalzitoare solare si sunt

utilizate pentru producerea de agent termic, sau incalzirea directa a apei, prin captarea unei

anumite parti din spectrul radiatiei solare. Pentru prepararea apei calde menajere si aport la

incalzirea locuintelor se comercializeaza mai multe tipuri de panouri solare. Intalnim frecvent

trei tipuri principale de panouri solare (in ordinea aparitiei pe piata): panouri solare plane,

panouri solare cu tuburi vidate si panouri solare cu tuburi vidate termice, in diverse variante 12

tehnologice. Comportarea fiecarui tip de panouri este diferita, in functie de intensitatea

radiatiei solare si diferenta de temperatura dintre mediul ambiant si agentul termic din

elementul activ al panoului. Acest fapt este determinat de materialele utilizate si in special de

forma geometrica a suprafetei de captare, in conditii similare de pozitionare. . Panourile solare

au aparut din nevoia de a avea alternative la metodele limitate de producere a energiei

electrice si probleme odata aparute cu folosirea acelor metode. Cand vine vorba de probleme,

ne referim in principal la poluarea rezultata in urma arderii de orice tip. Rezumand, panourile

solare nu au facut decat sa ne ajute sa depasim aceste probleme. Pentru tara noastra, solutiile

sunt mai limitate, dar nu foarte mult. Din cauza perioadei tot mai mici in care efectiv nu se pot

folosi panourile solare, tot mai multi se gandesc sa faca o astfel de investitie, ce se poate

rambursa in cativa ani.

Exemplu de cladire care foloseste apa calda obtinuta cu ajutorul panourilor solare termice

România se află în zona europeană B de însorire, ceea ce oferă locuitorilor avantaje reale

pentru a economisi energie termică, respectiv bani, dacă utilizează energia solară. Nivelul de

insolaţie este foarte bun, comparativ cu a altor ţări cu climat temperat,iar diferenţele, funcţie

de zona geografică, sunt foarte mici. România este împărţită în trei zone principale de

însorire:

13

o zona roşie  (>1450 kWh/m2/an), coincide cu zona de sud: Oltenia, Muntenia,

Dobrogea şi sudul Moldovei;

o zona galbenă (1300 – 1450 kWh/m2/an), include regiunile carpatice şi subcarpatice

ale Munteniei, toată Transilvania, partea de mijloc şi nord a Moldovei şi tot Banatul;

o zona albastră (1150 – 1300 kWh/m2/an), include, în principal, regiunile de munte

Potentialul de utilizare a energiei solare in Romania este relativ important, existand zone in

care fluxul energetic solar anual, ajunge pană la 1600 kWh/m²/an. In majoritatea regiunilor

tarii, fluxul energetic solar anual, se situeaza intre 1250÷1350 kWh/m²/an.

O alternativa la scara industriala la panourile solare fotovoltaice (cu un cost de productie

ridicat) sunt turnurile solare: cercuri concentrice de oglinzi care reflecta lumina soarelui

catre varful unui turn amplasat in centru. Caldura este folosita pentru incalzirea apei pana la

starea de abur, de aici energia fiind convertita prin lucru mecanic in electricitate.

Turnurile solare incep sa fie folosite din ce in ce mai des in tarile cu soare constant. Recent

Sener din Spania si Masdar din Abu Dhabi si-au unit fortele pentru a produce mai multe 14

turnuri solare intr-o perioada de 5 ani, cu o putere totala insumata de 320 megawati. Tinta

peste 10 ani este de 1000 megawati. Pentru comparatie, o termocentrala pe baza de carbune

produce de obicei pana la cateva sute de megawati.

Turn solar

.

15

CAPITOLUL IIIPRINCIPIILE REALIZARII CELULELOR FOTOVOLTAICE

. Celulă solară O celula solara consta din doua sau mai multe straturi de material

semiconductor cel mai intalnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa intre 0,001

pana la 0,2 mm si sunt dopate cu electron pentru a forma jonctiuni „p” si „n”. Aceasta

structura e similara cu a unei diode. Cand acest strat de siliciu este expus la lumina se va

produce o „agitatie” a electronilor din material si va fi generat un curent electric. Curentul

generat de o singura celula este mic dar combinatii serie, paralel al acestor celule pot produce

curenti suficienti de mari pentru a putea fi utilizati. Aceste celule de obicei sunt incapsulate in

panouri care le ofera rezistenta mecanica si la intemperii. Celulele, au de obicei o suprafaţă

foarte mică şi curentul generat de o singură celulă este mic, dar combinaţii serie, paralel ale

acestor celule pot produce curenţi suficient de mari pentru a putea fi utilizaţi în practică.

Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistenţă mecanică şi la

intemperii.

Celulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii.

după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros şi celule cu

strat subţire.

dupa felul materialului: se întrebuinţează, de exemplu, ca materiale semiconductoare

combinaţiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul.

după structură de bază deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv

amorfe.

În fabricarea celulelor fotovaltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, există

posibiltatea utilizării şi a materialelor organice sau a pigmenţilor organici.

3.1 Tipuri de celule solare

1. Celule pe bază de siliciu

o Strat gros

Celule monocristaline (c-Si)

randament mare - în producţia în serie se pot atinge până la peste 20 % randament energetic,

tehnică de fabricaţie pusă la punct; totuşi procesul de fabricaţie este energofag, ceea ce are o

influenţă negativă asupra periodei de recuperare (timp în care echivalentul energiei consumate

în procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generată).

16

Celule policristaline (mc-Si)

la producţia în serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic

de energie în procesul de fabricaţie, şi până acum cu cel mai bun raport preţ – performanţă.

o Strat subţire

Celule cu siliciu amorf (a-Si)

cel mai mare segment de piaţă la celule cu strat subţire; randament energetic al modulelor de

la 5 la 7 %; nu există strangulări în aprovizionare chiar şi la o producţie de ordinul TeraWatt

Celule pe bază de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si) în

combinaţie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeaşi ca la siliciul amorf

2. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa III-V

o Celule cu GaAs randament mare, foarte stabil la schimbările de temperatură,

la încălzire o pierdere de putere mai mică decât la celulele cristaline pe bază de siliciu, robust

vizavi de radiaţia ultravioletă, tehnologie scumpă, se utilizează de obicei în industria spaţială

(GaInP/GaAs, GaAs/Ge)

3. Semiconductoare pe bază de elemente din grupa II-VI

o Celule cu CdTe utilizează o tehnologie foarte avantajoasă CBD(depunere de

staturi subţiri pe suprafeţe mari în mediu cu pH , temperatură şi concentraţie de reagent

controlate) ; în laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate până acum au

atins un randament sub 10 %, nu se cunoaşte fiabilitatea. Din motive de protecţia mediului

este improbabilă utilizarea pe scară largă.

o Celule CIS, CIGS

o CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs în staţie pilot la

firma Würth Solar în Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell

în Berlin,

CIGS este prescurtarea pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs în staţie pilot în

Uppsala/Suedia. Producătorii de mai sus promit trecerea la producţia în masă în anul 2007.

4. Celule solare pe bază de compuşi organici

5. Tehnologia bazată pe chimia organică furnizează compuşi care pot permite fabricarea

de celule solare mai ieftine. Prezintă, totuşi, un impediment faptul că aceste celule au un

randament redus şi o durată de viaţă redusă (max. 5000h). Încă (ianuarie 2007) nu există

celule solare pe bază de compuşi organici pe piaţă.

6. Celule pe bază de pigmenţi

17

7. Numite şi celule Grätzel utilizează pigmenţi naturali pentru transformarea luminii în

energie electrică; o procedură ce se bazează pe efectul de fotosinteză. De obicei sunt de

culoare mov.

8. Celule cu electrolit semiconductor

De exemplu soluţia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte uşor de fabrict dar puterea şi

siguranţa în utilizare sunt limitate.

9. Celule pe bază de polimeri Deocamdată se află doar în fază de cercetare.

Celulele cristaline sunt „felii taiate” din lingouri sau „piesa turnata” de cristale din siliciu,

iar celulele thin-film contin straturi foarte subtiri din material ieftin ( sticla, inox sau plastic).

Eficienta acestor panouri in functie de tehnologie

18

Randamentul acestor celule solare si module este dependenta de tehnologia (material)

folosita. Materiale diferite si combinatii produc o rata a randamentului diferita. Randamentul

teoretic maxim care poate fi atins este de aproximativ 42 % pentru materialele cunoscute in

prezent. Sunt unele materiale de top care nu sunt prezentate in figura de mai sus si care

sunt utilizate in industria spatiala

.

Tip celula solara

utilizat

Siliciu EFG (Edge-defined

Film-fed Growth)

Randament 10 – 13 %

Descriere Siliciu cristalin – crescut in

blocuri dar in straturi subtiri

Avantaje Fabricare rapidasi economica

Experienta buna

Dezavantaje

Suprafata celulei neregulata si

poate cauza probleme in

procesul de fabricare

Parte din piata

mondiala 3%

Tip celula solara

utilizat Siliciu Amorf

Randament 4 – 6 %

Descriere

 

Siliciu amorf

 

Avantaje Fabricare in tehnologie

dezvoltata pentru consumatori

Dezavantaje Randament foarte scazut

Parte din piata 12% 19

Tip celula

solara utilizat

Siliciu

Multicristalin

Randament 9– 13 %

Descriere

Siliciu multicristalin

– granule multiple de

cristal monocristalin

turnat in lingou

Avantaje Fabricare rapida

Experienta buna

Dezavantaje

Proces lung si

complicat de

productie

Parte din piata

mondiala 42%

Tip celula solara

utilizat Siliciu Monocristalin

Randament 10 – 15 %

Descriere

Siliciu monocristalin –

cristal unic si continu

fara aproape nici un

defect

Avantaje Foarte stabil

Experienta indelungata

Dezavantaje Proces lung si

complicat de productie

Parte din piata

mondiala 42%

mondiala

   Tip celula solara

utilizat CIS, CdTe

Randament 7 – 10 %

Descriere

Cupru Iridium Deselenit

(CIS) sau Cadmiu telurit

(CdTe)

 

Avantaje Fabricare rapida

Dezavantaje Tehnoligie relativ noua si

inca neperformanta

Parte din piata

mondiala 1%

3.2 Moduri de construcţie a celulelor solare

Pe lângă materia primă o importanţă mare prezintă tehnologia utilizată. Se deosebesc

diferite structuri şi aranjamente în care se depun electrozii de acoperire transparenţi a căror

rezistenţă nu este deloc neglijabilă. Alte tehnici vizează mărirea eficienţei asigurând absorbţia

unui spectru de frecvenţă cât mai larg prin suprapunerea mai multor materiale cu diferite

caracteristici de absorbţie. Se încearcă selectarea materialelor în aşa fel încât spectrul luminii

naturale să fie absorbit la maximum.Actualmente celulele solare pe bază de materiale

semiconductoare cele mai des comercializate sunt cel pe bază de siliciu.

Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare utilizate pentru producerea de

energie electrică sunt legate în module. Pe un modul se află mai multe rânduri de celule solare

conectate în serie între ele pe faţa şi pe reversul modulului permiţând, datorită tensiunii

însumate, utilizarea unor conductori cu secţiune mai mică decât la legarea în paralel. Pentru

protejarea unei celule solare împotriva efectului de avalanşă în joncţiune, datorată

potenţialului mai mare (apărută de exemplu la umbrirea parţială a modulului), trebuie

incorporate paralel cu celulele solare diode de protecţie(bypass). Sistemele de panouri solare

sunt înzestrate uneori cu mecanisme de orientare, panoul fiind în permanenţă direcţionat

pentru a exploata la maximum energia solară incidentă.

Randamentul termodinamic maxim teoretic pentru producerea de energie din lumina

solară este de 85 %. Acesta se calculează din temperatura suprafeţei soarelui(5800 °K),

temperatura maximă de absorbţie(<2500 °K, tempertura de topire a materialelor greu fuzibile)

şi temperatura mediului înconjurător(300 °K).

20

Absorbţia radiaţiei solare de către Siliciu (mono si policristalin)

Absorbţia radiaţiei solare de către Antimonatul de Galiu

Dacă se utilizează doar o porţiune din spectrul luminii solare, valoarea teoretică se reduce

în funcţie de lungimea de undă, până la 5-35 %. Neutilizarea spectrului complet este una din

de zavantajele celulelor solare faţă de centralele solare termice.

3.3 Principiu de funcţionare

21

Efectul fotoelectric, respectiv transformarea energiei solare ("foton") în energie electrică

("volt") a fost descoperit în 1839 de fizicianul A. Becquerel. Acest efect se bazează pe trei

fenomene fizice simultane, strâns legate între ele:

• Absorbţia luminii de către material

• Transferul energie de la fotoni la sarcinile electrice

• Colectarea sarcinilor

1. Absorbţia luminii

Fotonii compun lumina. Aceştia pot penetra anumite materiale, sau chiar să le traverseze.

În general, o rază de lumină care atinge suprafaţa unui mediu, poate suporta trei fenomene

optice:

Reflexia: lumina este "întoarsă" de către suprafaţă;

Transmisia: lumina traversează obiectul;

Absorbţia: lumina penetrează obiectul şi nu îl mai părăseşte, energia fiind restituită

într-o altă formă.

Energia unui foton este dată de:

în care:

h - constanta lui Planck (6,62.10-34 J.s);

ν - frecvenţa [Hz];

c - viteza luminii (3.108 m/s);

λ - lungimea de undă [m].

22

Într-un material fotoelectric, o parte a energiei fluxului luminos va fi restituită sub formă

de energie electrică. Trebuie deci ca materialul să aibă capacitatea de a absorbi lumina

vizibilă, aceasta fiind ceea ce se doreşte a se converti: lumina solară sau a altor surse

artificiale.

2. Transferul energie de la fotoni la sarcinile electrice (Efectul fotovoltaic )

Constă in apariţia unei tensiuni electromotoare într-un semiconductor luminat.Interacţiunea

dintre un solid şi undele electromagnetice determină, printre alte fenomene, absorbţia radiaţiei

incidente. în cazul semiconductorilor. unui din mecanismele absorbţiei constă în tranziţia unui

electron din banda de valenţă în banda de conducţie (în urma absorbţiei unui foton). în

consecinţă numărul purtătorilor de sarcină liberi creşte, ceea ce determină creşterea

conductivităţii electrice, fenomen numit fotoconductibilitate (sau efect fotoelectric intern).

Generarea perechilor electron-gol sub secţiunea luminii este o condiţie necesară pentru

producerea efectului fotovoltaic dar nu şi suficientă. Noii purtători de sarcină trebuie să se

redistribuie, determinând apariţia unei diferenţe de potenţial între suprafaţa iluminată şi cea

neiluminată.

Redistribuirea poate fi determinată de:

1. generarea neuniformă a purtătorilor de sarcină într-un semiconductor omogen (efecte!

Dember);

2. un câmp intern local din semiconductor care poate fi realizat prin doparea diferită a

semiconductorului (joncţiune p-n);

3. un gradient al timpului de viaţă al purtătorilor de sarcină;

4. prezenţa unui câmp magnetic (efectul fotoelectromagnetic), etc.

Intr-un semiconductor intrinsec, banda de conducţie este nepopulată la OK şi este separată

printr-o bandă interzisă Eg de banda de valenţă ocupată. Diferenţa dintre valoarea maximă a

energiei în banda de valenţă şi valoarea minimă în banda de conducţie determină valoarea

minimă a intervalului de energie interzis.

Intr-un semiconductor extrinsec, nivelele energetice ale impurităţilor se găsesc în zona

interzisă, mai aproape de marginea inferioară a zonei de conducţie pentru atomii donori şi în

vecinătatea marginii superioare a zonei de valenţă pentru atomii acceptori. Deoarece diferenţa

de energie dintre nivelele impurităţilor şi marginea zonei de valenţă sau de conducţie este

mică (cca. 0,01 eV) chiar la temperatura camerei, energia termică este suficientă pentru

ionizarea acestor atomi. Acest lucru explică creşterea conductibilităţii electrice

determinate de impurităţi. Pentru majoritatea semiconductorilor intervalul de energie interzis 23

Eg are valori între 0,2 şi 2,3 eV. Deci vor produce tranziţia electronului din B.V. în B.C.

fotonii cu frecvenţe de

cel puţin:

Intervalului energetic 0,2 - 2,3 eVîi corespunde intervalul de lungimi de undă 6,2 - 0,5 µm,

deci fotonii din domeniul vizibil şi infraroşu sunt cei ce determină tranziţia.

Dacă notăm cu n0 şi po concentraţiile electronilor şi golurilor în lipsa iluminării şi la

echilibru termic, sub acţiunea unui câmp electric E apare un curent de drift cu densitatea:

Ţinând cont de legătura dintre vitezele vn şi vp şi mobilităţile µn si µp (vn = µnE

, vp = µpE), se obţine:

deci:

Dacă în urma iluminării concentraţiile electronilor şi golurilor se modifică cu Δn şi Δp, Δn

= Δp, schimbarea conductivităţii va fi:

24

în relaţie ,s-a notat b = µn /µp

Notăm cu α coeficientul de absorbţie definit ca raportul dintre cantitatea de energie absorbită

de unitatea de volum în unitatea de timp şi energia incidenţă pe unitatea de suprafaţă în unitatea

de timp. Se poate arăta că atunci când ad « l (unde d - grosimea stratului semiconductor)

intensitatea radiaţiei este uniformă în probă şi deci Δn şi Δp nu variază în probă. Dacă însă ad

» l intensitatea radiaţiei la distanţa z în probă este;

unde β este coeficientul de reflexie Ia suprafaţa iluminată. In consecinţa va apare un gradient

de concentraţie care va determina apariţia unor curenţi de difuzie pentru goluri şi electroni.

Considerând o variaţie liniară a concentraţiei, densităţile curenţilor de difuzie sunt:

unde Dn şi Dp sunt coeficienţi de difuzie. Curentul total va fi suma dintre curentul de

drift în prezenţa iluminării şi cel de difuzie:

Aşadar, în circuit deschis (jz=0)între faţa iluminată şi cea neiluminată apare un câmp

electric:

şi deci o diferenţă de poteiţial V. Dacă Dn=Dp (atunci când µn = µp) atunci Ez=0 şi

25

Ţinând cont că: n= n0+ Δn , p = p0 + Δ şi Δn = Δp , rezultă:

Intr-o joncţiune p-n, ca urmare a difuziei electronilor din domeniul n în domeniul p şi

difuziei golurilor în sens invers, apare un câmp electric în stratul de baraj şi corespunzător o

diferenţă de potenţial (fig.1). Acest câmp electric împiedică continuarea difuziei şi în acelaşi

timp duce la apariţia unor curenţi de drift care se opun celor de difuzie. în stare de echilibru,

curenţii de difuzie vor fi egali cu cei de drift, astfel încât curentul rezultant va fi nul.

Dacă joncţiunea p-n este iluminată, se vor crea perechi eleetron-gol în exces. Dacă ad » k

fluxul de fotoni va varia exponenţial cu adâncimea, conform relaţiei. Electronii în exces creaţi

în regiunea p pot difuza prin joncţiune şi coboară bariera de potenţial spre zona n. Golurile în

exces create în zona n pot difuza şi ele prin joncţiune. Apare astfel o sarcină pozitivă pe faţap

şi una negativă pe faţa n. Aceste densităţi de sarcină micşorează diferenţa de potenţial de la j0

la j0 - V

Ecuaţia de curent -tensiune este:

unde: jo - densitatea curentului invers la saturaţie în absenţa iluminării,

V - tensiunea aplicată joncţiunii,

k - constanta lui Boltzmann,

jl - curentul de generare independent de V şi direct proporţional cu intensitatea

iluminării (determinat de perechile electron-gol generată de lumina incidenţă).

Relaţia este ilustrată în fig. 2, pentru iluminări diferite ale joncţiunii. Pentru j = 0 se obţine

din relaţia de mai sus, tensiunea în circuit deschis Voc.

26

Figura.2

Curentul de scurt circuit se obţine punând condiţia V=0 în relaţia (13). Rezultă:

3. Colectarea sarcinilor

Pentru ca sarcinile eliberate prin iluminare să genereze energie, trebuie ca acestea să

circule. Trebuie deci extrase din materialul semiconductor şi creat un circuit electric. Această

extracţie a sarcinilor se realizează prin intermediul unei joncţiuni create special în

semiconductor. Scopul este de a crea un câmp electric în interiorul materialului, care va

antrena sarcinile negative într-un sens, iar pe cele pozitive în celălalt sens. Aceasta se

realizează prin doparea semiconductorului.

Doparea cu fosfor induce în siliciu sarcini negative suplimentare. Siliciu dopat cu fosfor

se numeşte dopat n sau N-Si Siliciu dopat n este un conductor electric mai bun decât siliciu

monocristalin pur. (Fosforul are valenţa 5, iar siliciu valenţa 4, prin urmare orice impuritate cu

valenţa mai mare decât a siliciului este capabil să doneze electroni suplimentari).

Doparea cu bor produce semiconductor de tip p (exces de sarcini pozitive). O lipsă de

electroni generează locuri cu ioni pozitivi în siliciul dopat p Aceste locuri încărcate pozitiv se

numesc "goluri".

27

Pentru a înţelege cum funcţionează orice dispozitiv electronic, inclusiv celulele fotovoltaice

este necesar în primul rând să vedem structura semiconductorilor care stau la baza întregii

electronici de astăzi. Germaniu şi siliciu sunt reprezentativi, însă siliciul este cel mai intens

utilizat în aplicaţiile moderne.

3.4 Structură şi dopare

Structura siliciului pur este reprezentată printr-un cristal tridimensional în care atomii ocupă

vârfurile unui cub după cum sunt dirijaţi şi electronii săi de valenţă.

Siliciu este element din grupa a IV-a în Tabelul Periodic din care face parte şi carbonul,

germaniul. Caracteristica esenţială a acestor elemente este ca fiecare atom are patru electroni de

valenţă pe care îi poate pune în comun cu cei ai atomilor vecini formând legături. Dacă există un

factor extern, de exemplu, temperatura, atunci cu creşterea ei, datorită agitaţiei termice o parte din

legături eliberează electroni în reţeaua cristalină. în consecinţă creşte conductivitatea electrică a

siliciului.

Locurile rămase neocupate de electroni (valenţele libere) se numesc goluri. Concentraţiile de

goluri (np) şi electroni (ne) sunt egale, iar semiconductorul se numeşte intrinsec.

Transportul sarcinilor în semiconductorul intrinsec sub acţiunea unui potenţial este prezentă

sugestiv în figura alăturată.Curentul care"curge" prin semiconductorul intrinsec este format din

două componente: electroni şi goluri.

28

Electronii au avut nevoie pentru a "rupe" legătura covalentă de o anumită cantitate de

energie mininu necesara pentru a putea trece liber în spaţiile interstiţiale ale reţelei de siliciu.

Această energie minimă de a trece din stare legată (valenţă) în stare liberă (de conducţie) se

numeşte energic benzii interzise. Golurile rămân localizate pe stările energetice libere din

zona de valenţe (bandă de valenţă) care are o structură de nivele de energie provenită din

nivelele atomice de valenţă ale siliciului. Domeniul de energii pe care le iau electronii liberi

formează banda de conducţie.

In concluzie electronii "sar" între poziţiile reţelei pentru a umple vacanţele lăsate de

electronii eliberaţi. Ei se mişcă liber în zona de energii ce formează banda de conducţie,

Golurile se mişcă în banda de valenţă în sens opus. în exterior întotdeauna măsurăm un curent

de electroni şi nu de goluri.

Cum se formează structura de benzi?!

Atomii individuali au electronii dispuşi pe nivele de energie. Electronii de pe ultimul nivel

energetic sau electronii de valenţă sunt determinanţi în inducerea caracteristicilor de conducţie a

materialelor. Atunci când atomii sunt în stare liberă (vapori sau gaz) ei au configuraţia

electronică conform descrierii din Tabelul Periodic

29

Prin condensare şi solidifieare distanţa dintre atomi se reduce până la atingerea unor valori de

echilibru care sunt dependente de natura atomului şi structura nivelelor energetice a electronilor de

valenţă.

Deşi au aceeaşi configuraţie electronică ns2p2 funcţie de natura interacţiilor reciproce şi a miezului

ionic nivelele energetice ale atomilor se separă în subbenzi de valenţă pe care o ocupă electronii de

valenţă şi în benzi cu nivele energetice libere (banda de conductie) (b5c,d,e)

Lărgimea benzii interzise şi natura conducţiei electrice este puternic determinată de distanţa

interatomică, diametrul atomilor, natura configuraţiilor interne a restului de electroni (miezul ionic).

3.5 Doparea n şi p

Doparea n

Introducerea de impurităţi cum ar fi arsen sau fosfor prin substituirea atomilor de siliciu

induce o creştere a numărului de electroni, iar semiconductorul devine dopat n. Arsenicul sau

fosforul sunt elemente din grupa a V-a din tabelul periodic, având 5 electroni de valenţă. Patru din

ei formează legături chimice cu atomii de siliciu adiacenţi. Al cincilea electron rămâne

neimperecneat şi în consecinţă poate fi deplasat sub acţiunea unui câmp electric.

Semiconduclorii cu exces de electroni se numesc de tip n.

30

Doparea p

Dacă se introduc substituţional atomi cu trei electroni de valenţă ( de exemplu Al din grupa

a-III-a sau Ga) atunci se pot forma numai trei legături x atomii adiacenţi de siliciu. Cea de a

patra legătură nu poate fi formată şi în consecinţă avem un "gol" în cristal sau o lipsă de

electroni. Experimentele arată că acolo unde există un loc iiber atunci electronii se vor deplasa

spre acel spaţiu pentru, a-1 completa. Electronii ce se deplasează să umple un gol va lăsa în

urmă legătura covalentă "goală'" pe care aiţi electroni vor încerca să o completeze. în acest

sens golurile apar a se deplasa ca sarcini pozitive prin cristal Acesta este un semiconductor de

tip p.

Echilibrul termodinamic al purtătorilor de sarcini, potenţialul chimic sau nivelul

Fermi

Pentru a înţelege cum funcţionează joncţiunile din celulele solare este necesar să introducem

o noţiune ce descrie echilibrul sarcinilor electrice din semiconductorii intrinseci sau extrinseci

(dopaţi).

într-un semiconductor intrinsec concentraţiile purtătorilor de sarcini sunt egale. Se pune

întrebarea: care este nivelul maxim de energii pe care ii pot ocupa electronii?. Identic pentru

goluri. La OK unde agitaţia termică este nulă atunci electronii vor ocupa un nivel maxim al

energiei, iar golurile unul minim, iar concentraţiile lor sunt egale. Pentru aceasta,

termodinamica ne spune că potenţialele chimice ale celor două componente trebuie să fie

egale. Enrico Fermi dezvoltă aceasta teorie şi deduce că la OK energia maximă pe care o ocupă

electronii se află la mijlocul benzii interzise pentru semiconductorii intrinseci (A, B).

31

Banda de conducţie (BC): zona de energii unde conducţia electrică ( mişcarea liberă a

electronilor) este posibilă. Electronii cu aceste energii se "eliberează" de atomii originali şi se

mişcă liber prin cristal.

Banda de valenţă (BV): - zona de energii unde conducţia electrică nu este posibilă.

Electronii sunt legaţi de atomi.

Banda interzisă:- intervalul energetic dintre banda de valenţă şi cea de conducţie unde

electronii nu pot rămâne. Ei trebuie fie să câştige energie pentru a trece în banda de conducţie

fie să piardă energie şi să revină în banda de valenţă.

Nivel Fermi : - acesta este cel mai înalt nivel de energie din cristal ce poate fi populat cu

electroni la temperatura de OK. Electronii cu energie mai mare decât valoarea fij sunt

disponibili pentru conducţie, invers ei sunt legaţi în structura cristalului. Nivelul Fermi este

identic ca semnificaţie cu potenţialul chimic definit în termodinamică.

Diagrama A- reprezintă un conductor electric cum ar fi Cu sau Ag. BC şi BV se suprapun,

iar electronii trec liber fără a fi necesar un supliment de energie.

Diagrama B prezintă un izolator tipic (sticle, ceramici). Toţi electronii sunt localizaţi pe

structura atomică şi necesită energii mari pentru a fi extraşi în BC.

Diagrama C reprezintă un cristal dopat N de tipul Si sau Ge. Lărgimea benzii interzise este

prezentă ( 0.5-3 eV), dar mult mai mică faţă de un izolator (> 5eV). Dacă el este dopat N, atunci

electronii au suficientă energie termică pentru a sări în BC. Nivelul Fermi este deplasat înspre

banda de conducţie.

Diagrama D- reprezintă un semiconductor de tip P. Impurităţile de tip P tind să atragă şi să

reţină electronii liberi. Aceasta "trage" nivelul Fermi în jos spre banda de valenţă.

Când punem în contact un semiconductor n cu unul p are loc un transfer reciproc de sarcini

până când nivelele Fermi ale celor două se "echilibrează" (egalitatea potenţialelor chimice). în 32

consecinţă benzile de conducţie şi de valenţă se deplasează spre atingerea unei noi stări de

echilibra (diagrama E). La interfaţa de contact dintre cei doi semiconductori se va forma un

strat de sarcini electrice (strat de baraj) caracteristic joncţiunii p-n ce va crea un câmp electric

a cărui valoare maximă depinde de concentraţiile dopanţilor.

Acum este simplu de înţeles de ce semiconductorul n este expus la lumină într-o celulă solară.

Sub acţiunea radiaţiei incidente se generează perechi electron-gol care vor reduce bariera de

potenţial şi va permite "curgerea" unui curent electric.

în concluzie, conversia cuantei luminoase în energie electrică poate fi făcută cu ajutorul

semiconduetorilor, pentru care excitarea electronului şi generarea de perechi electron-gol indusă de

cuanta luminoasă are un puternic efect asupra conductivităţii.

Nu este suficient ca electronii să fie excitaţi şi să se mişte liber, dacă nu este nici o forţă care sa îi

facă să se mişte. O astfel de forţă poate fi provocată de prezenţa unui gradient al potenţialului electric,

cum ar fi cea găsita injoncţiunea p-n a semiconductorilor dopaţi.

Joncţiunea p-n

O componentă esenţială a unei celule fotovoltaice este joncţiunea p-n. Joncţiunea p-n se

formează atunci când un semiconductor de tip p şi un semiconductor de tip n sunt în contact, deci

au o suprafaţă comună. Iniţial injoncţiunea p-n electronii vor merge în direcţia n-p datorită densităţii de

electroni mai mare în materialul de tip n decât în cel de tip p şi datorită densităţii de goluri mai mare în

banda de valenţă pentru materialul de tip p decât cel de tip n. Putem determina condiţia de echilibru în

funcţie de energia Fermi. Iniţial,energiile Fermi (potenţialele chimice) pentru materialul de tip p şi cel

de tip n , µn şi µp sunt diferite dar la echilibru µp = µn (Fig. 1).

33

unde Ec şi E'c sunt limitele de energie din banda de conducţie, n'(E) este numărul de stări per unitatea

de energie în interval şi f(E) este distribuţia Fermi-Dirac. Dacă electronii sunt liberi rezultă că:

,unde: h este constanta lui Planck şi

m este masa electronului.

Celule Solare (versiunea expunerea la radiaţie semiconductorul p)

Sistemele fotovoltaice sunt sisteme ce produc energie electrică direct din radiaţia solara.

Sistemele fotovoltaice sunt sisteme ce produc energie electrică fără a consuma combustibili

fosil.

Joncţiunea p-n poate fi folosită pentru a converti radiaţia solară în energie electrică. Celula

solară este formată în aşa fel încât materialul de tip p să poată fi expus la radiaţia solară

incidenţă, de exemplu prin depunerea unui strat subţire de material de tip p pe un

semiconductor de tip n. în întuneric, curentul total dat de joncţiune este zero.

Numărul de electroni în banda de conducţie poate fi determinat astfel;

34

Structura celulelor solare se realizează în aşa mod încât să absoarbă cât mai multă lumină

şi să apară cât mai multe sarcini in joncţiune. Pentru aceasta electrodul de suprafaţă trebuie să

fie transparent,contactele la acest strat să fie pe cât posibil de subţiri, pe suprafaţă se va aplica

un strat antireflectorizant pentru a micşora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat

antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albăstruie a celulelor solare care fără aceasta ar

avea o culoare gri-argintie.

Grosimea stratului influenţează culoarea celulei (culoarea de interferenţă). Grosimea

stratului trebuie să fie cât se pote de uniformă, deoarece abateri de câţiva nanometri măresc

gradul de reflexie. Celulele îşi datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce

corespunde lungimii de undă a culorii roşii, culorea cea mai bine absorbită de siliciu. În

principiu însă în acest mod se pot realiza celule roşii, galbene, sau verzi la cerinţe

arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu şi a

bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are şi un rol de a reduce viteza de

recombinare superficială. Atomii de siliciu au 4 legaturi. In conditii stabile devin perfect

izolatoare. Prin impurificarea unui numar mic de atomi de bor cu 5 legaturi (surplus de

electroni), aceasta va avea o sarcina negativa. Razele solare, fotonii, misca surplusul de

electroni, care sunt captate si conduse catre circuitul exterior., ea fiind numit semiconductor

de tip negativ, avand aplicata pe suprafata un strat subtire din bor. Asemanator, prin

impurificarea siliciului cu un numar mic de 3 atomi de fosfor, rezulta lipsa de 1 electron (gol,

gaura) care va avea sarcina pozitiva, ea fiind numita semiconductor de tip pozitiv.

La fabricarea celulelor solare se folosesc cristale de siliciu de inalta puritate, care se obtine

prin aplicarea tehnologiei “topirii zonale”, dupa care se “toarna” in forma de “cuburi”, apoi

taiate in blocuri, care sunt foliate in straturi subtiri numite

“wafers”

35

.

Etapele de realizare a celulelor solare

Fabricarea celulelor solare

Celulele solare obisnuite pot fi confecţionate după mai multe metode de fabricaţie. Materia

primă siliciu este al doilea element chimic din compoziţia scoarţei terestre în privinţa

cantitatăţii. Se regăseşte în compuşi chimici cu alte elemente formând silicate sau cuarţ.

Siliciul brut numit şi siliciu metalurgic se obţine din quarţ prin topire în furnal.Reducera

siliciului se petrece cu ajutorul carbonului la o temperatura de cca 1700 °C, rezultând la

fiecare tonă de siliciu metalurgic de puritate de cca 98-99 % în jur de 1,5 T de CO2. Prin acest

procedeu în 2002 s-au produs 4,1 T siliciu. Mare parte din acesta este utilizat de industrie la

fabricare a oţelului şi în industria chimică şi numai o mică parte în microelectronică şi la

fabricarea de celule fotovoltaice.

Din siliciul brut printr-un proces de fabricaţie în trepte bazat pe triclorsilan se obţine

siliciul policristalin de cea mai mare puritate.

În microelectronică cerinţele de calitate sunt total diferite de cele din fabricarea de celule

fotovoltaice. Pentru fabricarea de celule solare este foarte importantă puritatea plăcii de siliciu

în toată masa ei pentru a asigura o cât mai mare durată de viaţă pentru purtătorii de sarcină, pe

când în microelectronică cerinţa de foarte înaltă puritate se rezumă în principiu la stratul

superior până la o adâncime de 20-30 µm. Deoarece între timp consumul de siliciu de înaltă

puritate pentru fabricarea de celule fotovoltaice a întrecut pe cel pentru microelectronică,

actualmente se fac cercetări intense pentru elaborarea de procedee de fabricare speciale mai 36

ieftine optimizate pentru celule solare. Cu toate că procesul de producţie a siliciului pur este

foarte energofag, energia consumată la fabricareaa celulelor solare, în funcţie de tehnologia

utilizată, se poate recupera în 1,5 până la 7 ani. Dacă se ia în considerare că durata de viaţă a

panourilor solare este de peste 20 ani bilanţul energetic rezultat este pozitiv. Siliciul pur în

continuare poate fi prelucrat în mai multe feluri. Pentru celule policristaline amintim

procedeele de turnare Bridgman şi EVG, pe când pentru cele monocristaline procedeul

Czochralski. În fiecare din acestea în procesul fabricare a blocurilor sau barelor se face

simultan şi impurificare cu Bor .

Procedee de fabricatie

1. Procedeul de turnare

Acesta se utilizează la fabricarea siliciului policristalin. Siliciul pur se topeşte într-un

cuptor cu inducţie după care se toarnă într-un recipient de formă pătrată în care se supune la

un proces de răcire cât mai lent posibil în cursul căruia vor apare cristale cât mai mari posibil.

Recipientul are dimensiunile 50×50 cm, masa solidificată având înălţimea de 30 cm. Blocul

astfel solidificat se taie în mai multe blocuri mai mici cu lungimea de 30 cm. Un alt mod

reprezintă turnare continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la

dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere. Un alt mod

reprezintă turnarea continuă, procedeu prin care materialul este turnat direct pe support la

dimensiunile cerute. Avantajul constă în eliminare pierderilor rezultate din tăiere.

2. Procedeul Bridgman

Procedeul numit după Percy Williams Bridgman este aplicat tot în procesul de fabricare a

siliciului policristalin. Siliciul pur se topeşte tot într-un cuptor cu inducţie dar procesul de

răcire în urma căruia în masa topită se formează mari zone ocupate de câte un cristal are loc

chiar în cuptor. Materialul se supune unei încălziri progresive pornind de la bază astfel încât

în momentul topirii stratului superior, la bază deja se produce întărirea materialului.

Dimensiunile blocurilor obţinute sunt mai mari (60×60 cm ÷70×70 cm) cu înălţimea de 20-25

cm, şi se procedează la tăierea lor în blocuri mai mici având lungimea de 20-25 cm.

3. Procedeul Czochralski

Este utilizat la fabricarea de bare lungi monocristaline. Înainte de tăierea plăcilor necesare

celulelor, barele cilindrice rezultate se ajustaează astfel încât să prezinte o secţiune pătrată.

37

4. Procedeul de topire zonală

Se mai numeşte şi procedeu Float-Zone şi se aplică tot la producerea monocristalelor de

siliciu sub formă de bară. Puritatea materialului obţinut fiind superioară celei necesitate în

confecţionarea celulelor solare, şi costurile fiind mari, prodedeul este rar utilizat. Singura

firmă ce utilizează acest procedeul este SunPower din Statele Unite.

5. Fabricare de waferi (discuri/plăci subţiri de siliciu)

Din barele de cristal vor fi secţionate plăcuţe(wafer) cu un fierăstrău special constând

dintr-o sârmă lungă pe care s-au aplicat particule de diamant şi care este înfăşurată pe cilindri

ce se rotesc. Un bloc este complet secţionat în plăcuţe de cca 0,18…0,28 mm la o singură

trecere. Praful rezultat în urma debitării este inutilizabil şi reprezintă până la 50 % din

material. Pentru obţinerea de plăcuţe de siliciu la început se utiliza materia primă excedentară

rezultată din fabricarea de circuite integrate, care nu corespundea calitativ dar era potrivită

pentru fabricarea celulelor solare. Datorită cererii mult crescute a producţiei de panouri solare,

această sursă are o importanţă nesemnificativă. Celulele monocristaline prezintă o suprafaţă

omogenă, pe când la celulele policristaline se pot deosebi zone distincte cu cristale având

orientări diferite, ceea ce creează o imagine asemănătoare florilor de gheaţă. În stadiul de

plăcuţă(wafer) faţa şi reversul plăcuţei nu se deosebesc.

6. Procedeul EFG

EFG este prescurtarea de la Edge-defined Film-fed Growth. Prin acest procedeu dintr-o

cadă de grafit încălzită electric se trag în sus tuburi octogonale de cca 6 până la 7 m cu o

viteză de cca 1 mm/s. Lăţimea unei feţe este de 10-12.5 cm, iar grosimea peretelui atinge cca

280 µm. Apoi tuburile vor fi tăiate de-a lungul canturilor cu un laser NdYAG, după care

fiecare faţetă pe baza unei grile de-a latul. Astfel se pot realiza celule cu diferite dimensiuni

(de exemplu 12.5×15 cm sau 12.5×12.5 cm). În acest fel se obţine o întrebuinţare de 80 % a

materialului disponibil. Celulele astfel realizate sunt deobicei policristaline, care la vedere se

deosebesc clar de cele debitate, printre altele suprafaţa lor este mai ondulată. Acest procedeu

se mai numeşte şi procedeu octagonal sau de extrudare.

7. Procedeul String-Ribbon

Mai există un procedeu dezvoltat de firma Evergreen Solar din Statele Unite care constă în

tragerea cu ajutorul a două fire a unei pelicule din siliciul topit. În cursul acestui proces

rezultă mai puţine deşeuri (şpan ce trebuie înlăturat) ca la procedeele uzuale.38

8. Procedeul cu transfer de strat

La acest procedeu direct pe un substrat (corp subţire solid, deobicei cu o orientare

cristalină predefinită) se creşte un monocristal de siliciu sub forma unui strat de cca 20 µm

grosime. Ca material purtător se pot utiliza substraturi ceramice, sau siliciu supus unui

tratatament superficial. Placa(wafer) formată ca fi deprinsă de stratul purtător care în

continuare va putea fi reutilizată. Avantajele procedeului constau în consumul de siliciu

semnificativ redus datorită grosimii mici, şi lipsa deşeurilor din debitare (pas ce nu mai mai

apre în acest procedeu). Randamentul atins este mare şi se situează în domeniul celulelor

monocristaline.

9. Fabricarea de celule din siliciu „murdar“

Procesul de topire şi impurificare zonală se poate aplica şi în cazul suprafeţelor

plate/straturi. Principiul constă în faptul că impurificarea, prin tratamentul termic (multiplă

retopire prin deplasare laterală de exemplu cu ajutorul unui fascicol laser) al siliciului, poate fi

concentrată în câteve locuri.

Prelucrarea plăcilor de siliciu

Plăcile debitate vor fi trecute prim mai multe băi de spălare chimică pentru a înlătura

defectele de debitare şi a pregăti o suprafaţă potrivită captării luminii. Pentru aceasta s-au

elaborat diferite procedee utilizate de fabricanţi.

În mod normal în această fază plăcile sunt deja impurificate cu bor. Aceasta înseamnă că se

găseşte deja un surplus de goluri care pot capta electroni deci avem o impurificare tip “p”. Pe

parcursul procesului de fabricare a celulei solare pentru crearea unei joncţiuni “p-n” este

necesar să impurificăm suprafaţa ei cu impurităţi de tip “n” ceea ce se poate realiza într-un

cuptor într-o atmosferă de fosfor. Atomii de fosfor pătrund în suprafaţă şi vor crea o zonă de

cca 1 µm cu un surplus de electroni.Pasul următor va consta în adăugarea unui electrod

transparent din SiNx sau TiO2 .Urmează imprimarea zonelor de conact şi a structurii necesare

pentru colectarea curentului generat. Faţa celulei este prevăzută de cele mai multe ori cu două

benzi pe care ulterior se vor fixa legăturile dintre mai multe celule. În afară de aceasta se va

aplica o grilă conductoare foarte subţire , care pe de o parte deranjează foarte puţin intrarea

luminii, pe de altă parte micşorează rezistenţa electrică a electrodei. Reversul plăcii de regulă 39

este complet acoperit cu un material bun conductor de electricitate.După procesare, celulele

vor fi clasificate după proprietăţile lor optice şi electrice, mai apoi sortate şi asamblate în

panouri solare.

Celule solare cu strat subţire

Celule solare cu strat subţire din siliciu amorf pe sticlă, 4 celule pe rând

Vedere din spate (din partea stratului, lăcuit maro)

Celulele solare cu strat subţire se găsesc în diferite variante după substrat şi materialul

condensat având o varietate a proprietăţilor fizice şi a randamentului pe măsură. Celulele

solare cu strat subţire se deosebesc de celulele tradiţionale (celule solare cristaline bazate pe

plăci de siliciu) înainte de toate în tehnologia de fabricaţie şi grosimea stratului materialului

întrebuinţat. Proprietăţile fizice ale siliciului amorf, care se deosebesc de cele ale siliciului

cristalin determină proprietăţile celulelor solare. Anumite proprietăţi nu sunt încă pe deplin

clarificate din punct de vedere teoretic.

Chiar şi la celulele solare cristaline lumina este absorbită deja într-un strat superficial (de o

adâncime de cca 10 µm). Ar fi deci de preferat să se fabrice celulele solare cu un strat foarte

subţire. În comparaţie cu celulele din plăci de siliciu cristalin celule cu strat subţire sunt de

100 de ori mai subţiri. Celulele cu strat subţire se obţin de cele mai multe ori prin condensarea

din fază gazoasă direct pe un material purtător care poate fi sticlă, folie metalică, material

sintetic, sau alt material. Procesul costisitor de debitare a blocurilor de siliciu descris în

capitolul anterior poate fi deci eliminat.

40

Cel mai întrebuinţat material pentru celulele cu strat foarte subţire este siliciul amorf (a-

Si:H). Modulele cu celule de acest tip au o durată de viaţă lungă. Testele confirmă un

randament stabil pe o perioadă de mai mult de 10 ani.

Alte materiale ce se mai pot întrebuinţa sunt siliciul microcristalin (µc-Si:H), arseniura de

galiu (GaAs), teluriura de cadmiu (CdTe) sau legături cupru-indiu-(galiu)-sulf-seleniu, aşa

numitele celule CIS, respective celule CIGS unde în funcţie de tip S poate însemna sulf sau

seleniu. Modulele pe bază de celule cu strat subţire CIS au atins deja un randament de 11-12

% vezi egal cu cel al modulelor multicristaline cu siliciu. Pentru producerea de curent electric

este de dorit un randament mai mare, pe care parţial îl pot oferi şi celulele cu strat subţire. Se

pot atinge randamente în jur de 20 % (de exemplu 19,2  % cu cellule CIS). Totuşi

randamentul nu este singurul criteriu în alegere, de multe ori mai importante sunt costurile la

care se poate produce curent cu ajutorul panourilor solare, iar acestea sunt determinate de

procedeul de fabricaţie utilizat şi de preţul materiei prime. Una din proprietăţile avantajoase a

celulelor cu strat subţire constă în fapul că nu necesită un substrat rigid ca de exemplu sticlă

sau aluminiu. La celulele solare flexibile ce pot fi fixate pe rucsac sau cusute pe haină, se

acceptă un randament mai scăzut deoarece factorul greutate este mai important decât

transformarea optimă a luminii în energie electrică. O altă proprietate avantajoasă a celulelor

cu strat subţire, mai ales al celor din siliciu amorf este că ele au un mod de fabricaţie mai

simplu şi pot avea o suprafaţă efectivă mai mare. Din acest motiv ele au un segment de piaţă

semnificativ. Utilajele de fabricaţie parţial sunt identice cu cele utilizate în fabricarea de

ecrane plate, şi se pot obţine straturi cu o suprafaţă de peste 5 m². Cu procedeul de fabricaţie

bazat pe siliciu amorf se pot produce şi straturi subţiri din siliciu cristalin, aşa numitul siliciu

microcristalin combinînd proprietăţile siliciului cristalin ca material pentru celule solare cu

avantajele metodelor utilizate în tehnica filmului subţire. Prin combinarea siliciului amorf şi a

celui microcristalin au fost obţinute măriri substanţiale de randament în ultimul timp. Un

procedeu de producere a celulelor cu strat subţire din siliciu este CSG (Crystalline Silicon on

Glass); prin acesta se depune un strat subţire de mai puţin de 2 µm direct pe o suprafaţă de

sticlă; după un tratament termic se obţine structura cristalină. Circuitele pentru curentul

electric se aplică cu ajutorul tehnicii laser şi celei utilizate în imprimantele cu jet de cerneală.

Celule cu concentrator

La acest tip de celulă se economiseşte suprafaţă de material semiconductor prin faptul că

lumina este concentrată pe o suprafaţă mai mică prin utilizarea lentilelor, acestea fiind mult

mai ieftine decât materialul semiconductor. În mare parte la acest tip de celule se utilizează 41

semiconductori pe bază de elemente din grupa III-V de multe ori aplicate în tandem sau pe

trei straturi. Din cauza utilizării lentilelor, panourile cu acest tip de celule trebuie orientate

incontinuu perpendicular pe direcţia razelor solare.

Celule solare electrochimice pe bază de pigmenţi

Acest tip ce cellule se mai numesc şi celule Grätzel. Spre deosebire de celulele prezentate

pînă acum la celule Grätzel curentul se obţine prin absorbţie de lumină cu ajutorul unui

pigment, utilizându-se oxidul de titan ca semiconductor. Ca pigmenţi se utilizează în principiu

legături complexe al metalului rar ruthenium, dar în scop demonstrativ se pot utiliza şi

pigmenţi organici, de exemplu clorofila, sau anthocian (din mure) (dar au o durată de viaţă

foarte redusă). Modul de funcţionare al acestui tip de celule nu este încă pe deplin clarificat;

este foarte probabilă utilizarea comercială, dar tehnologia de producţie nu este pusă la punct.

Celule solare din compuşi organici

Celule solare din compuşi organici utilizează legături carbon-hidrogen care au proprietăţi

semiconductoare. În aceşti semiconductori lumina excită goluri/electroni din legăturile de

valenţă, care însă au un spectru de lungime de undă destul de restrâns. De aceea deseori se

utilizează două materiale semiconductoare cu nivele de energie puţin diferite pentru a

împiedica dispariţia acestor purtători. Randamentul pe o suprafaţă de 1cm² se cifrează la

maximal 5 % .

Celule bazate pe fluorescenţă

Este vorba de celule solare, care mai întâi produc lumină de lungime de undă mai mare

prin fenomenul de fluorescenţă, ca mai apoi să o transforme la marginile plăcii.

Forme şi mărimi de celule solare.

La începutul comercializării panourilor solare, celulele aveau o formă rotundă, păstrând

forma barelor de siliciu din care au fost debitate. Această formă azi este rar utilizată locul ei

fiind preluat de formele dreptunghiulare de cele mai multe ori pătrate având colţurile mai mult

sau mai puţin teşite. Până la sfârşitul anilor 1990 celulele solare aveau cel mai des mărimea de

fabricaţie de 100×00 mm (în jargonul de specialitate numite celule de 4 ţoli). După aceea au

fost introduse pe scară tot mai largă celulele cu latura de 125 mm, şi de prin anul 2002 şi

celulele cu latura de 150 mm se utilizează tot mai des în modulele standard şi se prevede că

nici celulele de 200×200 nu vor fi o raritate în viitor.42

Îmbătrânirea celulelor solare

Prin îmbătrânire înţelegem modificarea parametrilor de funcţionare a elementelor

semiconductoare a celulelor solare în timp. În cazul de faţă în special scăderea randamentului

pe parcursul vieţii acestora.

Perioada luată în considerare este de cca 20 ani, În condiţii de utilizare terestră,

randamentul scade cu cca 10 %, pe când în spaţiu acest procent se atinge într-un timp mult

mai scurt datorită câmpurilor de radiaţii mult mai puternice.

Pierdere de randament în utilizare se datorează în multe cazuri unor cause banale

independente de celulele solare. Aici enumerăm murdărirea suprafeţelor sticlei de protecţie a

modulelor, mucegăirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetaţia

din jur crescută între timp, ingălbirea polimerilor care constituie materialul de contact între

celulă şi sticlă.

Îmbătrânirea Celulelor solare cristaline

La celulele solare actuale randamentul este de cca 12 - 17  %. Adesea fabricantul acordă o

garanţie la randament de 80 - 85  % (la puterea de vârf) după 20 ani.Rezultă deci după un

timp de utilizare îndelungat pierderi destul de limitate, ceea ce îndreptăţeşte utilizarea

sistemelor cu panouri solare. Pentru îmbătrânirea propriu-zisă a celulelor solare răspunzător

sunt defecte provenite din recombinare, ceea ce reduce durata de viaţă a purtătorilor de

sarcină cu cca 10 % faţă de valoarea iniţială. În celulele fabricate după procedeul Czochralski

îmbătrânire este produsă de crearea de compuşi complecşi cu bor-oxigen.

Îmbătrânirea Celulelor solare amorfe

Aceste celulea ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25 % în primul an de

funcţionare de aceea pentru acest tip de panouri solare în caracteristicile tehnice din

documentele de însoţire nu se dă puterea atinsă la fabricaţie ci puterea de după procesul de

îmbătrânire. Ca urmare acest tip de panouri au caracteristici mai bune la cumpărare decât cele

din documente. Îmbătrânirea se produce sub acţiunea luminii şi este rezultatul aşa numitului

effect Staebler-Wronski(SWE). În cadrul acestuia siliciul hidrogenat amorf (a-Si:H)

metastabil trece printr-o fază de creştere concentraţiei defectelor cu un ordin de mărime,

paralel cu scăderea conductivităţii şi deplasarea nivelului Fermi către mijlocul distanţei dintre

banda de valenţă şi banda de conducţie. După cca 1000 ore de expunere la soare, celulele de

siliciu amorf ating un grad de saturare stabil.43

Caracteristici tehnice ale celulelor solare

Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt daţi pentru condiţii standard (STC, Standard Test

Conditions).:

Intensitate luminoasă de 1000 W/m2 în zona panoului,

Temperatura celulei solare constant 25 °C,

AM 1,5 global- Spectrul luminii; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904.

AM 1,5 global indică slăbirea luminii solare la suprafaţa pământului în funcţie de latitudine

datorită parcurgerii unei mase mai mari de aer proporţional cu latitudinea (în acest caz se

consideră latitudinea de 50°). Aceasta corespunde condiţiilor de vară din Europa centrală din

nordul Italiei până în centrul Suediei. În iarnă condiţiile corespund unor valori de AM 4 până

la AM 6. Prin absorbţie atmosferică şi spectrul luminii ce cade pe panou se deplasează. Global

indică faptul că lumina este compusă atât din lumina difuză cât şi din cea directă. Este de

remarcat că în realitate îndeosebi vara la prânz, temperatura celulelor solare (în funcţie de

poziţie, condiţii de vânt etc.) poate atinge 30 până la 60 °C ceea ce are ca urmare o scădere a

randamentului. Din acest motiv se ia în calcul un alt parametru, PNOCT care indică puterea la

temperatura de funcţionare normală (normal operating cell temperature).

furnizează curentul la valori nominale.

Caracteristicile unei celule solare sunt:

Tensiunea de mers în gol UOC (auch VOC)

Curentul de scurtcircuit ISC

Tensiunea în punctul optim de funcţionare UMPP

Curentul în punctual de putere mazimă IMPP

Puterea maximă estimatăPMPP

Factor de umplere. FF

Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei η

Randamentul celulei solare la o suprafaţă iluminată A şi intensitate luminoasă Popt

Celulele solare deci pot ceda o putere de 160 W/ m². Incluse în module puterea pe

suprafaţă va fi mai scăzută pentru că între celule şi marginea modulului este o distanţă. 44

Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou şi putere conţinută în lumina

incidentă totală. 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 theoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reacţionează la

toate lungimile de undă a luminii solare este de 85 %.

45

Arseniura de galiu (trei

straturi)

25 % (30% la

AM0)>20 ani

Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 20 %, iar modulele construite cu

acestea ating un randament de cca 17 %. Recordul pentru celulele fabricate în condiţii de

laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-au

confecţionat panouri cu un randament de 22 %. Preţul acestor module fabricate prin procedeul

de topire zonală este de cca 200 Euro pe celulă la o suprafaţă a celulei de 21,6 cm2,

corespunzând unui cost de 5-10 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri de 5 până la 10 ori mai

mari.

Îmbătrânirea conduce la scăderea randamentului cu cca 10 % în 25 ani. Fabricanţii dau

garanţii pe cel puţin 80 % din puterea maximă în 20 ani.

În spaţiu constanta solară este mai mare decât iluminarea globală pe pămînt, totodată

celulele solare îmbătrânesc mai repede. Panourile pentru sateliţi ating momentan (2005) un

randament de 25 % la o durată de viaţă de 15 ani.

Scheme de conectare.

Semnul convenţional pentru o celulă solară indică asemănător unei diode sau fotodiode

prin interediul unei săgeţi sensul curentului pentru conectare. Caracteristica unei cellule solare

se deosebeşte totuşi de cea a unei fotodiode ideale. Pentru a modela aceste diferenţe, există

mai multe scheme echivalente.

Schemă echivalentă simplificată

Schemă de conectare şi schemă echivalentă a unei celule solare.

Schema este compusă dintr-o sursă de curent legată în paralel cu o diodă ideală. Această

sursă produce un curent dependent de intensitatea luminii şi este modelat de fotocurentul IPh.

La valoare curentului total contribuie şi curentul prin diodă ID .

46

.

Schemă echivalentă extinsă (Model cu una sau două diode)

1. Model cu o diodă

Model de celululă solară cu o diodă

Schema extinsă ţine cont de parametrii reali ai elementelor componente care apar în

procesul de fabricaţie. Prin aceasta se încearcă modelarea cît mai exactă din punct de vedere

electric a celulei solare.

Faţă de schema echivalentă simplificată la cea extinsă cu o diodă, schema se întregeşte cu

o rezistenţă legată în parallel şi una legată în serie.

Rezistanţa în paralel Rp ia în considerare defectele de cristal, impurificări neomogene

şi defecte de material prin care apar curenţi de pierdere care traversează joncţiunea p-n. La

celule solare bine construite această rezistenţă este relativ mare.

Cu rezistenţa în serie Rs se iau în considerare efectele în urma cărora creşte rezistenţa

totală a elementelor componente. Acestea sunt în principal rezistenţa semiconductorului,

rezistenţa contactelor şi a legăturilor. La celulele solare această rezistenţă trebuie să fie cât se

poate de mică.

Formula pentru curentul total în acest model este o funcţie recursivă şi arată astfel:

2. Model cu două diode

47

Model cu două diode cu sursă cu limitare de tensiune la efectul de avalanşă la tensiune

inversă.

Faţă de cea anterioară aceastei scheme i se mai adaugă o diodă cu alţi parametri pentru a

evidenţia funcţionarea în regim de tensiune inversă. Formulele pentru această schemă conţin

referiri la conductivitatea gb, tensiunea de străpungere Ub şi coeficientul exponenţial de

avalanşă şi arată astfel: nb:

CAPITOLUL4PANOURI SOLARE

4.1. Panouri solare fotovoltaice

48

Panourile solare fotovoltaice transforma lumina zilei in curent electric. Un panou solar

fotovoltaic spre deosebire de un Panou solar termic 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 independenţi sau pentru generarea de curent electric ce se livrează în reţeaua

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 condiţiile impuse de producerea de energie electrică, celulele solare se

vor asambla în panouri solare utilizând diverse materiale, ceea ce va asigura:

protecţie transparentă împotriva radiaţiilor şi intemperiilor

legături electrice robuste

protecţia celulelor solare rigide de acţiuni mecanice

protecţia celulelor solare şi a legăturilor electrice de umiditate

asigurare unei răciri corespunzătoare a celulelor solare

proteţia împotriva atingerii a elementelor componente conducătoare de electricitate

posibilitatea manipulării şi montării uşoare

Se cunosc diferite variante de construcţie a modelelor existente de panouri solare.

Panouri fotovoltaice solare

49

Functionarea unui panou fotovoltaic solar

Panouri solare fotovoltaice sunt, de obicei, combinarea in module care detin aproximativ

40 de celule. Un numar mai mare din aceste module pot forma unitati de cativa metri. Aceste

panouri sunt plate si pot fi montate la un unghi de expunere sud-fix sau ele pot fi montate pe

un dispozitiv de urmarire a soarelui care sa le permita sa capteze cele mai lumina soarelui in

decursul unei zile. Mai multe panouri interconectate poat furniza suficienta pentru o putere de

uz casnic.

Pentru utilajele electrice de mare putere sau pentru aplicatii industriale sau de utilitate

publica sunt necesare sute de panouri ce vor fi interconectate pentru a forma un singur sistem.

Celulele solare utilizeaza straturi de materiale semiconductoare doar cativa microni grosime.

Saltul de tehnologie a facut posibil ca aceste sa poata fi integrate in fatade , acoperisuri etc.

Unele celule solare sunt proiectate pentru a functiona cu lumina soarelui concentrata. Aceste

celule sunt construite bazandu-se pe concentrare folosind o lentila de lumina solara . Aceasta

abordare are atat avantaje si dezavantaje in comparatie cu panourile plate. Principala idee este 50

de a folosi foarte putin costisitoarea parte de semiconductor din panourile fotovoltaice in timp

ce colectarea de lumina soara sa fie cat mai mult posibila. Dar, pentru ca lentilele trebuie sa

fie orientate spresoare, utilizarea de colectoare solare concentrate este putin raspandita.

Performanta unei celule fotovoltaice este masurata in curentul electric produs. Din acest motiv

panourile solare fotovoltaice au in cel mai buna caz oeficienta de 15%. O eficienta atat de

mica pe un panou conduce la un numar mare de panouri si deci inseamna costuri mai mari.

Imbunatatirea celulelor solare este principalul obiectiv al industriei fotovoltaice. Primele

celule aveau 4% eficienta si au fost produse in anul 1950. Astazi a treia generatie de panouri

fotovoltaice contin celulde o eficienta de 20% si se spera ca in cativa ani aceasta sa creasca.

Constructia unui panou solar obisnuit

•    Un geam (de cele mai multe ori geam securizat monostrat) de protectie pe fata

expusa la soare,

•    Un strat transparent din material plastic (etilen vinil acetat, EVA sau cauciuc

siliconic) in care se fixeaza celulele solare,

•    Celule solare monocristaline sau policristaline conectate intre ele prin benzi de

cositor,

•    Caserarea fetei posterioare a panoului cu o folie stratificata din material plastic

rezistent la intemperii fluorura de poliviniliden (Tedlar) si Polyester,

•    Priza de conectare prevazuta cu dioda de protectie respectiv dioda de scurtcircuitare

(vezi mai jos) si racord,

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

montare, pentru fixare si rigidizarea legaturii

Partile component ale unui panou fotovoltaic solar

Fabricarea panoului solar

51

Fabricarea incepe intotdeauna de pe partea activa expusa la soare. La inceput se pregateste

si se curata un geam de marime corespunzatoare. Pe acesta se aseaza un strat de folie de etilen

vinil acetat, EVA adaptat profilului celulelor solare utilizate. Celulele solare vor fi legate cu

ajutorul benzilor de cositor in grupe (siruri - strings) care mai apoi se aseaza pe folia de EVA

dupa care se face conectarea grupelor intre ele si racordarea la priza de legatura prin lipire. in

final totul se acopera cu o folie EVA si peste aceasta o folie tedlar. Pasul urmator consta in

laminarea panoului in vacuum la 150 °C. in urma laminarii din folia EVA plastifiata, prin

polimerizare, se va obtine un strat de material plastic ce nu se va mai topi si in care celulele

solare sunt bine incastrate si lipite strans de geam si folia de tedlar. Dupa procesul de

laminare, marginile se vor debavura si se va fixa priza de conectare in care se vor monta

diodele de bypass. Totul se prevede cu o rama metalica, se masoara caracteristicile si se

sorteaza dupa parametrii electrici dupa care se impacheteaza.

Caracteristici technice

Parametrii unui panou solar se stabilesc, la fel ca si cei pentru celule solare, pentru conditii de

test standard.

Caracteristicile unui panou solar sunt:

•   Tensiunea de mers in gol UOC

•   Curent de scurtcircuit ISC

•  Tensiunea in punctul optim de functionare UMPP

•    Curentul in punctual de putere maxima IMPP

•    Putere maxima PMPP

•    Factor de umplere FF

•    Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei

•    Randamentul celulei solare η

Incapsulare durabila a elementelor componente are o importanta foarte mare deoarece

umiditatatea ce ar putea patrunde ar afecta durata de viata a panoului solar prin coroziune si

prin scurtcircuitarea legaturilor dintre elementele prin care trece curent electric.

Dioda pentru mers in gol (Bypass)

Daca se conecteaza mai multe module in serie, este necesar sa montam cate o dioda

antiparalel cu fiecare panou. Curentul maxim si tensiunea de strapungere ale diodei trebuie sa

fie cel putin egale cu curentul si tensiunea panoului. De multe ori se utilizeaza diode de

redresare de 3 Amper / 100 Volt. Dioda pentru mers in gol este conectata la bornele de 52

legatura ale fiecarui panou astfel incat in regim normal de functionare (panoul debiteaza

curent) are la borne tensiune inversa (catodul diodei legat la polul pozitiv al panoului). Daca

panoul ar fi umbrit sau s-ar defecta nu ar mai debita curent, polaritatea tensiunii la borne s-ar

schimba si acesta s-ar defecta, sau in cel mai bun caz randamentul acelui lant de module ar

scadea. Acest lucru este impiedicat de dioda bypass care preia curentul in acest caz.

Alte tipuri de panouri

•    panouri laminate sticla-sticla

•    panouri sticla-sticla utilizand rasini aplicate prin turnare

•    panouri cu strat subtire (CdTe, CIGSSe, CIS, a-Si) pe suprafete de sticla sau aplicate ca

folie flexibila

•    panouri concentrator

Lumina solara se concentreaza cu ajutorul unui dispozitiv Optic pe celule solare de

dimensiuni mai mici. Astfel utilizand lentile comparativ mai ieftine pentru a crea un fascicol

de lumina mai subtire, se economiseste material semiconductor care este mai scump.

Sistemele cu concentrator sunt utilizate de cele mai multe ori la celule solare din

semiconductori pe baza de elemente din grupa III-V. Pentru ca utilizarea lentilelor impune ca

razele solare sa cada perpendicular pe acestea, va fi nevoie de un sistem de orientare mecanica

in functie de pozitia soarelui.

•    Colector cu fuorescenta

Acest tip deosebit de panou solar transforma lumina incidenta, prin intermediul unui strat de

material sintetic, in radiatie de o lungime de unda acordata pe frecventa de absorbtie maxima

din celula solara. in acest scop materialul sintetic este impurificat cu un pigment fluorescent.

Lumina solara este absorbita de pigment si reemisa cu o lungime de unda mai mare. Aceasta

lumina generata paraseste stratul de material sintetic doar pe o anumita directie bine

determinata pe toate celelalte directii fiind reflecteta si astfel retinuta in material. Pe directia

emisie se aseaza celulele solare ce sunt optimizate pe lungimea de unda emisa de pigment.

Prin aplicare mai multor straturi de material sintetic si celule solare acordate pe lungimi de

unda diferite, se poate mari randamentul deoarece se poate acoperi un spectru mai larg decat

cu panourile solare obisnuite.

Exportatori, Importatori

Tarile cu cea mai mare productie de module solare sunt Japonia, Germania si China. in timp

53

ce Japonia si China exporta de ani de zile mai mult de jumatate din productie, Germania

import a cca. 2/3 din instalatiiele sale, in cea mai mare parte din China si Japonia.

4.2.Panouri solare termice

Marele avantaj al utilizarii panourilor solare este ca se foloseste drept sursa de energie

soarele. Reactiile termonucleare care au loc in interiorul acestuia genereaza o imensa cantitate

de energie care este livrata in toate directiile, in Sistemul Solar. Distanta fata de soare face ca,

din aceasta energie, Pamantul sa beneficieze la nivelul superior al atmosferei exterioare, de o

putere radianta echivalenta cu aproximativ 1400 W / m2. La trecerea prin atmosfera

intensitatea radiatiei se diminueaza (prin absorbtie la nivelul particulelor de aer, apa, corpuri

solide, prin reflexie si / sau prin difuzie), astfel incat la nivelul scoartei terestre putem conta

pe aproximativ 1000 W / m2. In mod normal aceasta radiatie este absorbita de scoarta terestra,

transformata in caldura, rezultatul fiind printre altele si incalzirea atmosferei pamantului.

Mare parte din aceasta caldura se pierde, prin atmosfera, in exterior. Ideea utilizarii panourilor

solare consta in recuperarea acestei radiatii si transformarea ei in caldura utilizabila in

instalatii domestice (cea mai raspandita utilizare fiind obtinerea apei calde menajere).

Panourile solare au aparut din nevoia de a avea alternative la metodele limitate de

producere a energiei si problemelor odata aparute cu folosirea acelor metode. Cand vine

vorba de probleme, ne referim in principal la poluarea rezultata in urma arderii de orice tip.

Panouri solare nu contribuie la incalzirea globala, deoarece nu contamineaza aerul prin

eliberarea de dioxid de carbon sau alti poluanti. De exemplu combustibili fosili, cum ar fi

carbunele, petrolul si gazele naturale, ce sunt folositi pentru a produce energie, emit circa 10.3

milioane tone de dioxid de sulf, 3.9 milioane de tone oxizi de azot, 2.4 miliarde de tone de

dioxid de carbon, şi peste 50 de tone de mercur, intr-un singur an. Nu numai ca acest lucru

este periculos pentru mediu, dar este un pericol pentru sanatatea populatiei, deoarece aceste

emisii sunt toxice. In fiecare an, aceste emisii de gaze cresc considerabil. 

Rezumand, panourile solare nu au facut decat sa ne ajute sa depasim aceste probleme.

Pentru tara noastra, solutiile sunt mai limitate, dar nu foarte mult. Potentialul de utilizare a

energiei solare in Romania este relativ important, existand zone in care fluxul energetic solar

anual, ajunge pană la 1600 kWh/m²/an. In majoritatea regiunilor tarii, fluxul energetic solar

anual, se situeaza intre 1250÷1350 kWh/m²/an. Din cauza perioadei tot mai mici in care

efectiv nu se pot folosi panourile solare, tot mai multi se gandesc sa faca o astfel de investitie,

ce se poate rambursa in cativa ani.54

Panourile solare termice mai sunt denumite: captatori, colectoare sau incalzitoare solare

si sunt utilizate pentru producerea de agent termic, sau incalzirea directa a apei, prin captarea

unei anumite parti din spectrul radiatiei solare.  

Pentru prepararea apei calde menajere si aport la incalzirea locuintelor se comercializeaza

mai multe tipuri de panouri solare. Intalnim frecvent trei tipuri principale de panouri solare (in

ordinea aparitiei pe piata):

panouri solare plane,

panouri solare cu tuburi vidate

panouri solare cu tuburi vidate termice, in diverse variante tehnologice.

Comportarea fiecarui tip de panouri este diferita, in functie de intensitatea radiatiei solare

si diferenta de temperatura dintre mediul ambiant si agentul termic din elementul activ al

panoului. Acest fapt este determinat de materialele utilizate si in special de forma geometrica

a suprafetei de captare, in conditii similare de pozitionare.

 

Graficele de mai jos evidentiaza sintetic rezultatele unor cercetari de prestigiu asupra

modului in care se corecteaza randamentul optic in functie de tipul panoului.

Se observa o foarte buna comportare a panourilor solare cu tuburi vidate si termice, la orice

intensitate a radiatiei solare si diferente mari de temperatura intre agentul termic si mediul

exterior.

55

In functie de modul in care se face transferul termic, se disting trei tipuri de panouri solare:

1. Cu schimbator de temperatura si descarcare intr-un boiler la distanta,

denumite colectoare solare cu tuburi vidate termice.

2. Cu rezervor nepresurizat, atasat la panou, denumite incalzitoare solare nepresurizate

cu tuburi vidate.

3. Cu rezervor presurizat, atasat la panou, denumite incalzitoare solare presurizate cu

tuburi vidate termice.

Fiecare element din instalatie este format din doua tuburi concentrice sudate intre ele,

construite din sticla speciala (foarte rezistenta si transparenta). Partea dintre cele doua tuburi

este vidata iar suprafata interioara a tubului din mijloc este acoperita cu o substanta cu

proprietati absorbante foarte bune. Apa nu intra in tuburi iar transferul de energie termica se

face prin intermediul unor schimbatoare de caldura: bare din cupru cu aripioare aflate in

mijlocul tubului interior.

Cele mai bune performante ale unui panou solar le obtinem de la tuburile vidate.

Tehnologia avansata de fabricatie a sticlei tubului cat si vidarea lui fac din acestea "regele"

energiei solare termice. La randul lor, tuburile, sunt vopsite cu substante speciale care

amplifica absorbtia radiatiei soarelui pe metru patrat de-a lungul unei zile. In functie de tija

interioara, materialul tubului si a absorberului acestea se impart in

1. conductoare,

56

2. superconductoare

3. ultraconductoare .

Fiecare are o anumita forta de colectare si de transformare a energiei in apa calda folosita

menajer sau ca aport la incalzire.

Componenta de bază a colectoarelor si incalzitoarelor solare (panourilor solare) o

constituie

tubul vidat de sticla. Fiecare tub vidat este compus din două tuburi de sticlă, introduse

unul in interiorul celuilalt.    

- tubul exterior este confecţionat din sticlă borosilicată transparentă, extrem de

rezistentă, care este capabilă să reziste impactului cu grindină de până la 30 mm diametru.

    - tubul interior este fabricat din sticlă borosilicată cu un înveliş special selectat (Al-

N/Al), ce absoarbe foarte bine căldura solară şi are coeficient de reflexie foarte mic.

Stratul vidat dintre tuburi impiedica pierderile de energie solara captata de tubul interior.

Astfel, utilizarea acestui sistem este viabila si in caz de temperaturi foarte scazute, spre

deosebirile de colectoarele solare. In conditii de temperaturi ridicate, diferentele dintre ele

doua tipuri de panouri solare se diminueaza, insa panourile cu tuburi vidate raman

superioare, agentul termic produs cu ajutorul acestora ridicandu-se la temperaturi mai

mari.Pentru a menţine vidul dintre cele două straturi de sticlă este folosit un degazor cu bariu.

În timpul fabricaţiei acest degazor este expus la temperaturi înalte ceea ce face ca partea de

jos a tubului vidat sa fie protejată de un strat pur de bariu. Stratul de bariu reprezintă totodată

un indicator vizual al stării vidului. Stratul de bariu colorat argintiu se va albi dacă tubul este

fisurat.Astfel este uşor de observat dacă tubul funcţionează corect sau nu.

57

Tuburile vidate au si alte avantaje. Datorita profilului circular al tubului, razele solare cad

perpendicular pe suprafata de absorbtie in orice moment al zilei, astfel randamentul panoului

nu scade in functie de unghiul sub care raza solara. In plus, in conditiile in care unele dintre

tuburi sufera daune sau se sparg, panoul poate functiona in continuare, dar cu un randament

mai scazut,

Tuburi vidate conductoare (Heat Pipe)

Sunt tuburi vidate de sticla în interiorul cărora sunt introduse tuburi termice conductoare.

Tubul termic conductor, transferă căldură de la un corp cald la un corp rece si este format

dintr-o ţeavă din cupru, închisă la ambele capete, care conţine o substanţă non-toxică. Această

substanţă, în anumite condiţii de presiune, fierbe la o temperatura joasă (25...30°C), trecând

din faza lichidă în fază gazoasă. Pentru a trece în fază gazoasă, fluidul absoarbe o anumită

cantitate de căldură numită căldură latentă de vaporizare. Această cantitate de căldură va fi

cedată la trecerea inversă din faza gazoasă în faza lichidă. La tubul termic schimbarea

inversă de fază are loc la un capăt al său numit condensator. Aici substanţa condensează şi

cedează căldura absorbită la evaporare. În timpul funcţionării tubului termic, acest ciclu are

loc continuu, căldura fiind transferată de la corpul cald la corpul rece. 

58

La colectoarele, sau incalzitoarele solare, condensatorul este introdus într-o teacă din

corpul colectorului imersată în agent termic sau apa de încălzit. Agentul termic sau apa de

încălzit reprezintă corpul rece, iar partea tubului vidat cu depunere selectivă care se încălzeşte

de la soare este corpul cald.

Tuburi vidate superconductoare

  Sunt tuburi vidate în interiorul cărora sunt introduse tuburi termice pe care sunt

prinse plăci de colectare a căldurii. Tubul este special asamblat cu ţeava de căldură din sticlă

borosilicată, plăci de colectare a căldurii, învelişul de metal, degazor, terminaţia

schimbătorului de căldură şi siguranţa de protecţie din aluminiu, etc. Învelişurile de absorbţie

pe plăcile colectoare de căldură au un coeficient de absorbţie mai mare de 95 % şi coeficientul

de emisie sub 8 %.

Tuburile termice transferă căldură de la un corp cald la un corp rece.Tubul termic este o

ţeavă din cupru, închisă la ambele capete, care conţine o substanţă non-toxică. Această

substanţă, în anumite condiţii de presiune, fierbe la o temperatura joasă (25...30°C), trecând

din faza lichidă în fază gazoasă. Pentru a trece în fază gazoasă, fluidul absoarbe o anumită

cantitate de căldură numită căldură latentă de vaporizare. Această cantitate de căldură va fi

cedată la trecerea inversă din faza gazoasă în faza lichidă.

 

59

La tubul termic schimbarea inversă de fază are loc la un capăt al său numit condensator.

Aici substanţa condensează şi cedează căldura absorbită la evaporare. În timpul funcţionării

tubului termic, acest ciclu are loc continuu, căldura fiind transferată de la corpul cald la corpul

rece

4.3 Tipuri de panouri solare

4.3.1 Panouri Solare Nepresurizate

          Acest tip de colector solar se utilizeaza pentru prepararea apei calde in perioada

martie - octombrie. Este construit din tuburi vidate individuale ce transfera radiatia solara,

prin convectie, in masa apei din rezervor. Din acest motiv rezervorul de acumulare este

montat in partea superioara a panoului solar. Apa din tuburile vidate se incalzeste, isi reduce

densitatea si se ridica in rezervor, fiind inlocuita de un volum echivalent de apa rece, cu

densitate mai mare. Vidul din tuburile de sticla asigura o termoizolare eficienta, pierderile de

caldura spre exterior fiind extrem de mici. Tuburile sunt introduse in orificiile care

traverseaza peretii rezervorului, fixarea lor facandu-se cu ajutorul suportului inferior .

Etansarea este asigurata cu garnituri speciale. Vasul de acumulare este conectat la reteaua de

alimentare cu apa rece printr-un rezervor de alimentare cu flotor si cu reteaua de consumatori

de apa calda menajera printr-un stut de la partea inferioara. Pe peretele lateral al vasului se

poate monta un senzor de temperatura, intr-un racord filetat.

60

Acestea sunt compuse compuse din:

tuburi de sticlă (borisilicat 3.3) cu pereţi dubli, vidate de tip termos care au două

funcţii importante: asigură izolaţia termică a sistemului şi măreşte puterea de absorbţie a

radiaţiei termice solare;

rezervor (boiler) montat pe suportul metalic, deasupra tuburilor de sticlă vidate;

flotor pentru umplerea automată a rezervorului;

suportul metalic.

Principiul de Functionare :

Tuburile vidate capteaza radiatia solara si o transforma in energie termica, incalzind astfel

apa din tubul interior. Pe masura ce apa se incalzeste, densitatea ei scade. Apa incalzita in tub

se va ridica in rezervorul de acumulare si va fi inlocuita de un volum echivalent de apa rece.

Circuitul natural se va realiza in continuare si apa din rezervor se va incalzi.

Principiul de transfer a energiei termice în masa agentului termic se face prin fenomenul de

termosifonare în interiorul tuburilor de sticlă vidate şi a rezervorului de stocare. Extragerea

agentului termic (apei calde) din rezervorul de stocare, către zona de consum, se realizează

gravitaţional. Din această cauză, panourile solare nepresurizate integrate se montează

întotdeauna deasupra locului de consum, de preferinţă pe acoperişul clădirii. În momentul

consumului, umplerea rezervorului de stocare este controlată automat de către flotorul care

este montat în partea superioară a rezervorului de stocare. Acest tip de panou nu consum

enegie electrică.

Instalarea panourilor solare nepresurizate

     Panourile solare nepresurizate se monteaza deasupra celui mai de sus consumator, de

obicei pe acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o inclinatie de 61

aproximativ 45 de grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe tuburi.

     Partea acoperisului, unde se va monta panoul trebuie sa aiba o orientare sudica. Daca

aceasta conditie nu este indeplinita, soarele nu isi va trimite razele pe panou pe tot parcursul

zilei. Daca orientarea este sud-estica, atunci soarele va bate mai mult dimineata si dupa-

amiaza, iar daca orientarea este sud-vestica, soarele va bate mai mult dupa-amiaza si seara.

     In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi metalice, iar

etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.

     Presiunea minima a coloanei de apa calda este data doar de inaltimea la care este montat

panoul.

Avantajele folosirii panourilor solare nepresurizate:

•    Sunt cele mai ieftine dispozitive pentru captarea energie solare termice;

•    Daca utilizarea apei calde se face numai prin cadere libera, sistemul nu este dependent

de reteaua electrica, in schimb trebuie sa fie amplasat la o inaltime superioara celui mai de sus

consumator;

•    Energia pe care o produce este complet gratuita si ecologica;

•    Vara acopera 100% necesarul de apa calda menajera, iar primvara si toamna, de la 60

la 80% din necesar;

•    Este usor de montat si de intretinut.

4.3.2. Panouri Solare Presurizate Separate

Panouri solare presurizate sunt realizate pe baza cele mai noi şi moderne tehnologii, având

cel mai eficient transfer energetic dintre toate echipamentele care produc energie termică in

mod GRATUIT. Pierderile termice ale panourilor solare cu tuburi vidate sunt practic

inexistente, în schimb pot absorbi căldura şi în cazul radiaţiei solare difuze (soare acoperit de

nori), sau la temperaturi foarte scăzute ale mediului extern.

Tuburile vidate superconductoare din panouri sunt cele mai eficiente dispozitive de captare

a energiei solare datorita folosirii tehnologiei cu heat-pipe din cupru.

     Tuburile vidate din panouri capteaza radiatii solare si o transforma in energie termica,

incalzind heatpipe-urile. Caldura este transmisa in capatul superior al heatpipe-ului, care

incalzeste agentul termic (antigel).

62

Acestea sunt compuse din:

tuburi de sticlă (borisilicat 3.3mm) cu pereţi dubli, vidate, de tip termos care au două

funcţii importante: asigură izolaţia termică a sistemului şi măreşte puterea de absorbţie a

radiaţiei termice solare;

pipe termice (tuburi superconductoare) din cupru, în interiorul cărora are loc

fenomenul de trasformare a radiaţiei termice solare în energie termică;

schimbător de căldură din cupru;

suportul metalic.

rezervor (boiler) montat pe suportul metalic, deasupra tuburilor de sticlă vidate.

Rezervorul rezită la presiunea de 6 atm.;

supapă de siguraţă la suprapresiune;

Caracteristici si parametrii de functionare ale Panourilor Solare Presurizate Separate

ENERGIEI

CONVER FOTOVOLTAICA

CELULA FOTOVOLTAICA

63

NVERA

Principiu de functionare:

Schimbatorul de caldura (colectorul) este constituit dintr-o teava de cupru in care sunt

introduse un numar de 15, 18, 21, 24 sau 30 teci sudate printre care circula antigelul (agentul

termic) sub presiune. Tot ansamblul este izolat cu spuma poliuretanica si inchis intr-o carcasa

exterioara din tabla de aluminiu.

 Tuburile se introduc in decuparile cilindrice practicate in carcasa, etansarea facandu-se

prin intermediul garniturilor de silicon. Bulbul superior al heap-pipe-ului de cupru patrunzand

in teaca colectorului astfel incat sa se asigure un contact termic cat mai bun. Rigidizarea

tubului pe pozitia de functionare se face prin fixarea acestuia cu bride metalice, pe latura

inferioara a cadrului. Cadrul este apoi fixat pe suprafata de instalare prin intermediul

picioarelor de fixare. Aria de contact dintre piciorul suportului si suprafata de instalare se

etanseaza cu o garnitura de cauciuc sau silicon.

Principiul de functionare al panourilor solare presurizate separate

    Energia solara este captata in interiorul tubuliu vidat, unde este transferata heat-pipe-

ului de cupru. Caldura ajunge apoi in capatul superior al sau, fiind preluata de catre agentul

termic(antigel). Antigelul o transporta la schimbatorul de caldura si este preluata de catre apa

din boiler. Apa incalzita poate fi apoi folosita ca apa calda menajera sau agent termic de

incalzire. Operarea acestui tip de panou este asigurata de controllerul electronic care comanda

pornirea si oprirea pompei de recilculare.

     Panourile solare presurizate separate nu pot functiona independent. Deoarece nu au un

rezervor de stocare, ele trebuiesc conectate la un boiler montat in zona de consum (in casa).

Varianta de utilizare recomandata este cea cu boiler bivalent, pompa de circulatie si panou

electronic de comanda (regulator electronic dedicat). Toate acestea formeaza un sistem

complet.

Instalarea panourilor solare presurizate separate

Panourile solare presurizate separate se pot monta atat pe o suprafata plana (cu suportul

din imagine), cat si pe acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o

inclinatie de aproximativ 45 de grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe

tuburi.

Partea acoperisului, sau suprafata plana, unde se va monta panoul trebuie sa aiba o

64

orientare sudica. Daca aceasta conditie nu este indeplinita, soarele nu isi va trimite razele pe

panou pe tot parcursul zilei. Daca orientarea este sud-estica, atunci soarele va bate mai mult

dimineata si dupa-amiaza, iar daca orientarea este sud-vestica, soarele va bate mai mult dupa-

amiaza si seara. In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi

metalice, iar etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.

Avantajele folosirii panourilor presurizate separate:

•    Functioneaza indiferent de temperatura exterioara, chiar si iarna;

•    Tuburile vidate ofera performate bune si pe timp innorat, fiind capabile sa apteze

radiatiile infrarosii care patrund prin nori;

•    Datorita izolatiei foarte buna oferita de vid, panourile functioneaza chiar pana la -

20 grade Celsius;

•    Panoul functioneaza in continuare chiar daca unul sau mai multe tuburi se sparg;

•    Tuburile avariate sunt usor de schimbat;

•    Ofera eficienta energetica tot timpul anului si asigura costuri zero cu combustibili

conventionali pentru cel putin 5 luni pe an;

•    Energia oferita de panouri este energie ecologica si nu polueaza mediul

inconjurator;

•    Au cel mai bun raport calitate pret de pe piata.

Sisteme Solare CompleteSistemele solare complete sunt compuse din mai multe componente: unul sau mai multe

panouri presurizate, statia de lucru (controller-ul electronic), manometru, debimetru, pompa

de recilculare, supapa de siguranta, robineti, supape de sens, aerisitoare, vas de expansiune si

boiler. Boilerul poate fi fara serpentina, cu o serpentina, sau cu 2 serpentine de cupru.

Alegerea comonentelor optime si a numarului acestora se face in functie de aplicatia pe

care dorim sa o realizam. Ex: apa calda pe toata perioada anului (este necesar un boiler cu o

singura serpentina); apa calda si aport la incalzire(calorifere sau in pardoseala) ( este necesar

un boiler cu 2 serpentine). Incalzirea apei din piscine se poate realiza cu sisteme ce contin

boilere fara serpentina sau cu o serpentina.

     In imagine aveti un sistem solar compus din panou solar de 18 tuburi vidate, work

station, boiler de 200L si vas de expansiune

65

Principiul de functionare al sistemelor solare complete

Energia solara este captata in interiorul tubului vidat, unde este transferata heat-pipe-ului

de cupru. Caldura ajunge apoi in capatul superior al sau, fiind preluata de catre agentul

termic(antigel). Antigelul o transporta la schimbatorul de caldura si este preluata de catre apa

din boiler. Apa incalzita poate fi apoi folosita ca apa calda menajera sau agent termic de

incalzire. Operarea sistemelor solare complete este asigurata de controllerul electronic care

comanda pornirea si oprirea pompei de recilculare.

 La o diferenta de temperatura de 8 grade Celsius intre temperatura indicata de senzorul din

panou si temperatura indicata de senzorul din boiler, este pusa in functiune pompa de

recilculare, care functioneaza pana cand diferenta ajunge la 4 grade Celsius.

Instalarea sistemelor solare complete

Panourile solare presurizate separate se pot monta atat pe o suprafata plana, cat si pe

acoperisul casei, folosind panta acoperisului pentru a obtine o inclinatie de aproximativ 45 de

grade necesara pentru ca razele sa pice perpendicular pe tuburi.

     In cazul montarii pe acoperis, fixarea se face prin intermediul unor talpi metalice, iar

etansarea se face cu garnituri de cauciuc si silicon.

Montarea boilerului se face in casa, la subsol, la etaj, in camera cu centrala termica,

depinde de fiecare situatie in parte. Sistemul se poate racorda la instalatia existenta sau se

poate crea un proiect nou, care sa includa atat montajul panourilor solare cat si al centralei

termice.

Avantajele folosirii sistemelor solare complete:

•    Functioneaza indiferent de temperatura exterioara, chiar si iarna;

•     Tuburile vidate ofera performate bune si pe timp innorat, fiind capabile sa capteze

radiatiile infrarosii care patrund prin nori;

•    Datorita izolatiei foarte buna oferita de vid, panourile functioneaza chiar pana la -20

grade Celsius;

66

•    Panoul functioneaza in continuare chiar daca unul sau mai multe tuburi se sparg;

•    Tuburile avariate sunt usor de schimbat;

•    Ofera eficienta energetica tot timpul anului si asigura costuri zero cu combustibili

conventionali pentru cel putin 5 luni pe an;

•    Energia oferita de panouri este energie ecologica si nu polueaza mediul inconjurator;

•    Au cel mai bun raport calitate pret de pe piata.

CAPITOLUL VUTILIZAREA PANOURILOR SOLARE PENTRU PREPARAREA APEI CALDE

Utilizarea energiei solare pentru furnizarea apei calde menajere s-a dovedit a fi o soluţie

perfect viabilă. Principiul de funcţionare al sistemului de încalcălzire a apei cu energie solară

este simplu, iar tehnologia este deja bine cunoscută şi fiabilă. Energia solară este nepoluantă,

67

inepuizabilă, ecologică şi sigură. Aceasta facilitează economisirea resurselor energetice, fără a

produce deşeuri sau a emite gaze poluante, precum dioxidul de carbon. Mai presus de

problemele poluării şi de impactul gazelor de seră, furnizarea de apă caldă menajeră

reprezintă o parte considerabilă a facturii la energie a clădirilor, care poate fi redusă prin

folosirea energiei solare. Condiţiile necesare pentru o bună şi durabilă exploatare a sistemului

trebuie stabilite în etape în cadrul principiului „GRS” (Rezultate Garantate prin Folosirea

Energiei Solare). Garanţiile ce vor fi oferite pentru aplicaţiile colective sunt semnificative.

Radiaţia solară este o formă de radiţie termică ce este difuzată sub forma undelor

electromagnetice. În afara atmosferei terestre radiaţia solară furnizează o sursă de energie cu

potenţial nelimitat egală cu 1.370 W/m2.

Pentru a atinge suprafaţa terestră radiaţia solarătrece prin atmosferă, unde o parte din

energia sa este disipată prin:

Difuzie moleculară (în mod special razele U.V.)

Reflecţie difuză pe aerosolii atmosferici (picături de apă, praf…)

Absorpţie selectivă în gazele atmosferice.

Radiaţia globală asupra suprafeţei terestre este suma:

■ Radiaţiei directe, după ce aceasta a trecut prin atmosferă,

■ Radiaţiei difuze, care provine din toate direcţiile.

Astfel, o suprfaţa expusă primeşte atât radiaţii directe, difuze cât şi o parte din radiaţiile

globale reflectate de obiectele din apropiere, în special pământul, pentru care coeficientul de

reflexie este denumit „albedo”.

Radiaţia solară în ROMANIA

68

Radiaţia solară medie anuală în România variază între 1,100 şi 1,300 kWh/m2 pentru mai

mult de jumătate din suprafaţa ţării. Potenţialul termic al energiei solare este estimat la 60

PJ/an (1400 ktoe/an). De aceea radiaţia solară pe suprafaţă orizontală pentru România este de

aproximativ 200 milioane de GWh pe an (de exemplu potenţialul teoretic pentru energia

solară).

O hartă a radiaţiei solare a fost întocmită de Institutul Naţional de Meteorologie şi

Hidrologie. Există bune posibilităţi pentru dezvoltarea utilizării energiei solare, iar experienţa

anterioară poate fi exploatată. In Evaluarea Resurselor Energiilor Regenerabile, EBRD

estimează că sistemele bazate pe utilizarea energiei solare pentru încălzirea apei calde

menajere pentru clădiri publice şi hoteluri, sistemele pe bază de energie solară pasivă, precum

şi sistemele individuale pentru locaţiile izolate, sunt cele mai promiţătoare aplicaţii.

Caracteristicile climaterice de temperatură ale aerului exterior sunt un rezultat al

intensităţii radiaţiei solare şi depind de cantitatea de energie termică radiată de suprafaţa

pământului pe parcursul ciclurilor de zilnice şi respectiv anuale.

Temperatura aerului ambiant influenţează parametrii termici ai structurilor înconjurătoare

(prin valorile sale extreme şi medii), reglajele sistemelor de încăzire si condiţionare a aerului

ale construcţiilor, cât şi sistemele de încălzire ce utilizează energia solară. De aceea spre

exemplu, capacitatea de încălzire depinde de temperaturile calcul pentru regiunile respective

(N.B: temperaturile hibernale cele mai scăzute).

Temperaturile reprezintă de asemenea factorul principal pentru calculul necesarului de

izolaţie termică pentru fiecare clădire în parte.

69

Intensitatea radiaţiei solare prezintă un caracter foarte variabil, atât în timpul anului, cât

şi zilnic, astfel încât este evident că şi sarcina termică realizată de colectorii solari va fi la fel

de variabilă.

Curbă tipică de variaţie a intensităţii radiaţiei solare

În figura este prezentată o variaţie tipică a intensităţii radiaţiei solare, într-o zi foarte

călduroasă de vară, în condiţii de cer perfect senin, manifestată pe o suprafaţă unitară, plană şi

orizontală. Se observă că la ora 12, când intensitatea radiaţiei solare este maximă, valoarea

acesteia depăşeşte 800W/m2, ceea ce reprezintă o valoare foarte ridicată, chiar şi faţă de media

din timpul verii, în timp ce pe durata nopţii, valoarea intensităţii radiaţiei solare este evident

nulă. Dimineaţa şi după-masa, intensitatea radiaţiei solare, variază rapid între 0 şi valoarea

maximă, respectiv între valoarea maximă şi 0. Pentru curba de variaţie a intensităţii radiaţiei

solare reprezentate în figura 1, valoarea medie a intensităţii radiaţiei solare, pe durata zilei,

este uşor superioară valorii de 500W/m2.

În zilele anului, caracterizate prin radiaţie solară mai puţin intensă decât cea prezentată în

figura 2.25, de exemplu primăvara sau toamna, valorile maxime şi medii ale intensităţii

radiaţiei solare, chiar şi în cele mai însorite zile din aceste perioade, pot să scadă mult sub

valorile prezentate anterior.

70

Ca şi radiaţia solară, sarcina termică asigurată de colectorii solari, prezintă un caracter

variabil, astfel încât se poate vorbi despre valoarea maximă şi medie a acestei mărimi. Pentru

calcule termice de dimensionare, prezintă importanţă cunoaşterea valorii medii a sarcinii

termice a colectorilor solari.

Cu cât randamentul colectorilor solari este mai ridicat, cu atât fiecare suprafaţă unitară de

colector solar, va furniza o sarcină termică unitară medie, mai apropiată de valoarea medie a

intensităţii radiaţiei solare.

Direcţia şi forţa vântului sunt două caracteristici care descriu un vânt orizontal. În

meteorologie, se vorbeşte întotdeauna despre direcţia din care bate vântul în funcţie de

punctele cardinale (Nord, Est, Sud, Vest) sau în funcţie de diferenţa de unghi faţa de Nord (de

exemplu, un vant din Sud este în sectorul 180°, un vânt din Vest este în sectorul 270°).

Figura 5: Roza vânturilor

Figura 4: Histograma vitezelor vântului

2.1.3.2 Zăpadă

Zăpada poate afecta clădirile în mai multe moduri, în special acoperişul. O cădere

semnificativă de zăpadă poate face acoperişul să se prăbuşească. Barierele de gheaţă pot duce

la infiltraţii în zona şindrilelor sau a îmbinărilor. Zăpadă care alunecă pe un acoperiş tip

71

şarpantă sau pe un luminator poate fi periculoasă pentru pietoni. Apa poate pătrunde într-o

clădire din cauza infiltraţiilor de zăpadă suflate de vânt.

Sarcina dată de zăpada de pe acoperiş variază în funcţie de climatele regionale. Aceasta

depinde de asemenea de caracteristicile mecanice si forma acoprişului.

Analiza necesarului

Producţia de apă caldă menajeră se numără printre cele mai eficiente aplicaţii ale utilizării

energiei solare, în special pentru sistemele colective din clădirile rezidenţiale şi terţiare, acolo

unde cererea de apă caldă menajeră este semnificativă şi constantă; în special pentru

locuinţele colective şi instituţiile de sănătate.

Cerinţele actuale pentru locuinţele colective (clădiri de locuit, hoteluri, spitale,...) arată o

cerere crescândă pentru apă caldă, nu numai pentru nevoile sanitare, dar şi pentru sarcinile

domestice. Utilitatea unui sistem de alimentare cu apă caldă menajeră este caracterizată de

disponibilitatea apei calde, intr-o cantitate suficientă, la o temperatură dată, atunci cand este

necesar şi la un preţ cât mai mic posibil.

Având în vedere că de regulă, producătorii panourilor solare nu indică valorile sarcinilor

termice asigurate de echipamentele pe care le comercializează, este interesant de realizat o 72

evaluare a acestei mărimi, pentru că scopul acestor echipamente este tocmai de a asigura

sarcina termică necesară diverselor aplicaţii.

În continuare, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari, va fi determinată

utilizând informatiile privind selecţia acestor echipamente, furnizate de diverşi producători.

Se vor considera cazurile în care panourile solare sunt utilizate pentru încălzirea apei calde

menajere, respectiv a apei din piscine, acestea fiind cele mai importante aplicaţii pentru

panourile solare. Încălzirea clădirilor cu ajutorul energiei solare este mai dificil de realizat, în

primul rând pentru că în perioadele reci ale anului, când necesarul de sarcină termică pentru

încălzire este important, intensitatea radiaţiei solare prezintă valori foarte reduse şi este dificil

de captat şi de utilizat în aceste condiţii. Chiar dacă există şi numeroase realizări interesante în

care încălzirea clădirilor este realizată cu ajutorul energiei solare, aceste aplicaţii nu vor fi

abordate în continuare, deoarece reprezintă situaţii speciale.

Încălzirea apei calde menajere

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei calde menajere Q acm , se poate calcula cu

relaţia:

unde:

- n este numărul de persoane;

- m [kg] este cantitatea de apă caldă menajeră considerată ca şi consum zilnic;

- cw [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar

pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;

- tb [°C] este temperatura apei din boiler;

- tr [°C] este temperatura apei reci, la intrarea în boiler;

- τ [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanţă

deosebită pentru valoarea sarcinii termice.

Se va considera n=1, deci se va calcula sarcina termică necesară pentru încălzirea apei

calde menajere necesare unei persoane, m=50kg - valoare medie recomandată de literatura de

specialitate, tb=45°C - valoare recomandată pentru temperatura apei calde din boiler; tr=10°C -

valoare medie a apei reci, care vara este ceva mai caldă, dar iarna ceva mai rece şi τ=8h -

73

valoare care coincide aproximativ şi cu durata medie în care se manifestă radiaţia solară, deci

cu durata medie în care poate fi captată aceasta.

Înlocuind valorile numerice considerate, se obţine pentru sarcina termică necesară în

vederea preparării apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană:

Pentru prepararea apei calde menajere, firmele producătoare recomandă utilizarea unor

suprafeţe diferite ale colectori solari în funcţie de tipul colectorilor şi de procentul din

necesarul anual de căldură care urmează să fie asigurat de acei colectori solari, ca în tabelul 1.

Se observă că suprafeţele de colectori solari, recomandate ca necesare, sunt aceleaşi în

cazul colectorilor cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice, chiar dacă performanţele

colectorilor solari cu tuburi termice sunt ceva mai ridicate decât cele ale colectorilor solari cu

tuburi vidate. Acest fapt poate fi explicat prin faptul că diferenţele de performanţă sunt totuşi

reduse, iar avantajul colectorilor solari cu tuburi termice, faţă de cei cu tuburi vidate nu se va

concretiza printr-o suprafaţă mai redusă de colectori solari, ci printr-un procent ceva mai

ridicat de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare, decât în cazul

colectorilor cu tuburi vidate.

Având în vedere că suprafeţele de colectori solari, recomandate în tabelul 1, au ca scop

tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a

colectorilor solari

Qacm , în regim de preparare a apei calde menajere, este:

unde:

74

- S1 reprezintă suprafaţa colectorilor solari recomandată în tabelul 1.

Analizând valorile din tabelul 2, se constată că sarcina termică unitară a colectorilor solari

este mai mare în cazul în care procentul de asigurare a apei calde menajere cu ajutorul

energiei solare este mai redus, ceea ce reprezintă un fapt normal, deoarece aceşti colectori

sunt prevăzuţi să funcţioneze mai ales în perioada de vară, când intensitatea radiaţiei solare

este mai mare.

În tabelul 3 sunt prezentate valori particulare ale sarcinilor termice unitare, mai uşor de

utilizat pentru calcule rapide de predimensionare, determinate pentru anumite valori ale

supraţelor de colectori solari, destinaţi preparării apei calde menajere.

Tabelul 3. Sarcini termice unitare particulare ale colectorilor solari pentru

prepararea a.c.m.

Este evident că dacă panourile solare sunt utilizate doar vara, sarcina termică unitară medie

a acestora poate fi considerată mai mare decât dacă sunt utilizate din primăvară până în

toamnă, caz în care valoarea medie a sarcinii termice unitare este mai redusă, pentru că şi

valoarea medie a intensităţii radiaţiei solare este mai redusă. Din acest motiv şi suprafaţa

necesară a colectorilor solari care sunt utilizaţi doar vara, este mai redusă decât cea necesară

pentru o utilizare din primăvară până în toamnă, dar şi procentul de asigurare a apei calde

menajere cu ajutorul energiei solare este mai redus, dacă aceste panouri sunt dimensionate

pentru a funcţiona doar pe durata sezonului cald.

Considerând valorile particulare ale sarcinor termice unitare Q acm1 , prezentate în tabelul 3,

se pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizaţi pentru

prepararea apei calde menajere.

75

Cu ajutorul acestei relaţii pot fi calculate suprafeţele necesare de colectori solari, pentru

orice tip de aplicaţie în care este necesară prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiei

solare. Exemple de asemenea situaţii pot fi reprezentate de: restaurante, hoteluri, moteluri,

vile pentru agroturism, sisteme industriale de preparare a apei calde, etc.:

Suprafeţele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această

manieră trebuie să verifice şi valorile recomandate în tabelul 1.

Necesarul zilnic de apă calda menajeră pentru hoteluri

În funcţie de categoria hotelului, consumul zilnic de apa caldă menajeră variază între 70 şi

160 litri pe cameră şi între 8 şi 15 litri în bucătărie pe porţie.

Clientela este din ce în ce mai ataşată de protecţia mediului, iar un sistem care utilizează

energia solară contribuie la buna imagine a hotelului. Cu toate acestea, valoarea unui sistem

care utilizează energia solară depinde în mare măsură de gradul de ocupare al hotelului.

Necesarul zilnic de apă caldă menajeră în litri / zi / cameră la 60 °C

Co

efi cie

nt de corecţie care urmează a fi aplicat

Tip de stabiliment fara 1stea 2stele 3stele 4stele0,65 0,75 1,00 1,35 1,50

zona Munte Mare Rural Urban1,35 1,00 1,00 1,00

prezenta spalatoriei da nu1,25 1,00

Instituţii de sănătate şi sanatorii pentru vârstnici

Aceste instituţii au necesaruri importante de apă caldă menejeră, acestea fiind relativ

constant de-a lungul anului. Consumul zilnic este de aproximativ 60 de litri pe pat, la care

76

Utilizare Ian Feb Mar Apr Mai Iun Iul Aug Sept Oct Nov Dec4 anotimpuri

vacante de varavacante de iarna

66039

6110 100

60 12 50

57 56 100

61 6450

82 81 75

97 92 94

9810094

100 77 56

100460

7800

77012

Tip de stabiliment Echipament consum de apa la 60°CHotel 1 * Dusuri colective (1la

4 camere)

70 l / zi /camera

Hotel 2/3 * Baie 100 -140 l / zi /cameraHotel 4/5 * Baie + dus 160 l / zi /cameraHotel 2 * pe zapada Baie 160 l / zi /camera

trebuie adăugat necesarul pentru bucătărie (de 8 la 15 litri pe porţie) şi pentru spălătorie (6

litri pe kg de rufărie).

Tip de stabiliment Echipament Consum de apa la 60°CSpitale si clinici Fara restaurant sau

spalatorie

60 l / zi / pat

Azile de batrini Fara restaurant sau

spalatorie

60 l / zi / pat

(Sursa: Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes)

Sursa: Calculs pratiques de plomberie sanitaire. Editions Parisiennes)

Procentul lunar al numărului de mese servite într-un restaurant

Perioada de

utilizare

Jan Feb Mar Apr May Iun Jul Aug Sept Oct Nov Dec

Tot timpul anului

Vacanta de vara

Vacanta de iarna

0,85

0

0,70

0,78

0,23

1,79

0,7 ,

27

0,9

0,73

1,24

,79

0,78

1,43

0,9

1,05

1,8

1,34

1,24

2,05

1,68

1,25

2,23

1,68

1,28

1,72

1,00

1,28

1,03

0

1,00

0

0

0,99

0

0,22

(Sursa EDF: Eau chaude électrique Résidentiel et Tertiaire )

Încălzirea apei din piscine

77

Tip de stabiliment echipament Consum de apa la 60°C

Gimnaziu Functie de sportul practicat (Fotball sau rygby: (+ - 50 %)

30 l / utilizator

Restaurant Masa normalaMasa festivaMic dejun

8 l / masa12 - 20 l / masa2 l / masa

Cantina Bucatarie de reincalzit Masa normala

3 l / masa5 l / masa

Spalatorie Hotel 4/5 *Ciclu scurtCiclu automat

7 l / kg rufe6 l / kg rufe5 l / kg rufe

Scoli Majoritatea la

masa de prinz

5 l / zi /student

Cazarme,internate Fara restaurant si

Spalatorie

30 l /zi /persoana

Tabere 4 * Bai collective +

spalatorii de vase

60 l / zi / locatie

Fabrici (vestiare) Apa calda pentru

angajati

20 l / zi / persoana

Birouri 5 l / zi / persoana

(Sursa: Calculs prat iques de plomberie e. Editions

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine, necesită un calcul complex,

care să ţină seama de temperatura apei din piscină şi de o serie de pierderi de căldură, între

care o importanţă deosebită este reprezentată de următoarele pierderi: evaporarea apei,

transferul termic prin convecţie de la suprafaţa apei la mediul ambiant, stropirea cu apă în

afara piscinei, reîmprospătarea apei, etc.,.

Cu toate acestea, producătorii captatorilor solari, dimensionează sistemul solar de încălzire

a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat, considerând

doar, că toate tipurile de pierderi de căldură care se manifestă în condiţii reale în piscine, duc

la răcirea apei, iar această răcire trebuie compensată de sistemul de încălzire.

În acest paragraf, în vederea determinării sarcinii termice unitare a colectorilor solari

pentru încălzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare, pentru a

se putea valorifica recomandările producătorilor privind utilizarea diferitelor tipuri de

colectori solari.

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine Qp , se poate calcula cu relaţia:

unde:

m = [kg] este cantitatea de apă din piscină;

cw = [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar

pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;

∆t = [°C] este variaţia temperaturii apei din piscină în 24h, datorată diverselor pierderi de

căldură;

τ = [h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importanţă

deosebită pentru valoarea sarcinii termice.

Producătorii de panouri solare recomandă valori diferite pentru suprafeţele colectorilor

solari, destinaţi încălzirii apei din piscine, pentru diferite condiţii de exploatare a piscinelor,

indicând aceste suprafeţe, dar nu precizează adâncimea considerată a apei din piscine.

Lipsa acestui element în tabelele de alegere a colectorilor solari, reprezintă o deficienţă

importantă a sistemului de dimensionare propus de producători, care a fost eliminată în

continuare, prin considerarea unei valori medii a adâncimii apei din piscine, de 1,3m. În urma

finalizării calculelor efectuate cu ajutorul algoritmului prezentat în continuare şi în urma

comparării valorilor sarcinilor termice unitare, rezultate pentru diferitele tipuri de colectori

solari, cu valorile sarcinilor termice unitare ale aceloraşi colectori, utilizaţi la prepararea apei

78

calde menajere, s-a dovedit că această ipoteză este corectă şi că probabil aceeaşi valoare

medie a adâncimii apei din piscine a fost considerată şi de producătorii panourilor solare, la

întocmirea tabelelor de selecţie a colectorilor.

Cantitatea de apă din piscine se determină cu relaţia:

unde:

Sp [m2] este suprafaţa piscinei;

H [m] este adâncimea medie a apei din piscină;

ρ [kg/m3] este densitatea apei, mărime care depinde de temperatură, dar pentru care se

poate considera valoarea ρ=1000kg/m3.

În continuare, calculele se vor efectua pentru suprafaţa unitară a piscinei, deci se va

considera Sp=1m2.

Valoarea sarcinii termice necesare pentru încălzirea suprafeţei unitare a piscinei,

considerând că datorită pierderilor de căldură, temperatura apei scade într-o zi cu 1°C şi că

durata perioadei de încălzire a apei este de 8h, rezultă:

În cazul în care variaţia temperaturii apei datorită pierderilor de căldură ar fi de 0,5°C,

situaţie posibilă în cazul piscinelor realizate în spaţii închise, sarcina termică unitară pentru

încălzirea apei, sar reduce şi aceasta la jumătate.

Acoperirea suprafei apei din piscine, în perioadele de neutilizare, atât în cazul celor închise

cât şi în cazul celor aflate în aer liber, pe lângă faptul că previne producerea accidentelor,

permite şi reducerea substanţială a pierderilor de căldură prin convecţie şi prin evaporarea

apei, ceea ce contribuie la reducerea considerabilă a sarcinii termice necesare pentru

încălzirea apei.

Pentru calcule rapide de predimensionare, se poate considera că acoperirea suprafeţei apei,

în perioadele de neutilizare, reduce cu cca. 20% valoarea sarcinii termice necesare pentru

încălzirea apei.

În tabelul 4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru

încălzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafaţă a piscinei, pentru diferite condiţii

de lucru, considerând adâncimea medie a apei, de 1,3m.

79

Pentru încălzirea apei din piscine, firmele producătoare recomandă utilizarea unor

suprafeţe diferite de colectori solari, în funcţie de tipul piscinelor, de tipul colectorilor şi de

perioada prevăzută pentru funcţionarea sistemului de încălzire cu energie solară, aşa cum se

observă în tabelul 5.

Tabelul 5. Suprafaţa necesară de colectori solari, pentru încălzirea apei din piscine [m2/m2 piscină]

În cazul piscinelor închise s-a considerat că temperatura apei este de 24°C şi gradul de

răcire a apei datorită pierderilor de căldură este de 0,5°C/24h, iar în cazul piscinelor în aer

liber, s-a consideră temperatura apei este de 22°C şi gradul de răcire a apei datorită pierderilor

de căldură este de 1°C/24h.

Se observă că pentru încălzirea piscinei pe timp de vară, este recomandată aceeaşi suprafaţă

de colectori solari, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoarece în condiţiile

în care intensitatea radiaţiei solare este mare, performanţele tuturor tipurilor de colectori sunt

relativ apropiate.

Având în vedere că suprafeţele de colectori solari recomandate în tabelul 5, au ca scop

tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a

colectorilor solari Q p , în regim de încălzire a apei din piscine, este:

unde:

80

- S1 reprezintă suprafaţa colectorilor solari recomandată în tabelul 5.

Rezultatele acestui calcul sunt prezentate în tabelul 6, considerându-se pentru sarcinile

termice necesare încălzirii apei din piscină, valorile indicate în tabelul 4. Faptul că valorile

obţinute pentru sarcinile termice unitare, sunt foarte apropiate pentru aceleaşi condiţii de

lucru, confirmă că ipotezele considerate sunt sunt corecte şi în nici un caz nu introduc erori

semnificative.

Tabelul 6. Sarcinile termice unitare ale colectori solari, pentru încălzirea apei din

piscine [W/m2 colector]

Considerând valorile particulare ale sarcinor termice unitare Qp1 , prezentate în tabelul 6, se

pot efectua calcule rapide pentru predimensionarea colectorilor solari utilizaţi pentru

prepararea apei calde menajere.

Suprafeţele colectorilor solari adoptate prin rotunjirea valorilor determinate în această

manieră trebuie să verifice şi valorile recomandate în tabelul 5.

În tabelul 7 sunt prezentate valorile comparative ale sarcinilor termice unitare obţinute

pentru diverse tipuri de colectoare solare, considerând funcţionarea acestora în regim de

preparare a apei calde menajere, respectiv în regim de încălzire a apei din piscine situate în

aer liber fără acoperire, ca şi valorile medii obţinute pentru sarcina termică unitară a

colectorilor solari utilizaţi pentru încălzirea piscinelor.

Tabelul 7. Valori comparative ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, utilizaţi în diferite

regimuri de

lucru [W/m2 colector]

81

Valorile obţinute pentru sarcina termică unitară a colectorilor plani, utilizaţi la încălzirea

piscinelor în aer liber fără acoperire, respectiv valoarea medie, pentru utilizarea numai în

lunile iunie-iulie este semnificativ mai mare decât în cazul preparării apei calde menajere.

Acest lucru poate fi explicat prin faptul că la prepararea apei calde menajere nu s-a considerat

o perioadă atât de scurtă de funcţionare, ci una care să asigure totuşi acoperirea a 40…50%

din necesarul anual de apă caldă, cu ajutorul energiei solare, ceea ce reprezintă mult mai mult

decât doar două luni de funcţionare. În cele două luni, intensitatea radiaţiei solare este

maximă şi atunci se pot atinge valori mai ridicate pentru sarcina termică unitară a colectorilor.

În afara acestei situaţii, se observă că aşa cum era normal, indiferent de tipul aplicaţiei,

preparare apă caldă menajeră sau încălzirea apei din piscine, fiecare tip de colector solar

asigură aproximativ aceleaşi valori ale sarcinilor termice unitare medii pe care le realizează.

În consecinţă pot fi recomandate valori medii pentru sarcinile termice unitare ale

colectorilor solari, indiferent de tipul de aplicaţie, preparare apă caldă menajeră sau încălzirea

apei din piscine, iar aceste valori sunt indicate în tabelul 8.

Tabelul 8. Valori medii ale sarcinilor termice unitare ale colectorilor solari, în funcţie de perioada de

exploatare [W/m2

colector]

Aceste valori ale sarcinilor termice unitare medii, pot fi utilizate cu uşurinţă în calcule

orientative de predimensionare rapidă a diverselor tipuri de colectori solari, fiind cu atât mai

utile cu cât, de regulă, asemenea valori nu sunt indicate de firmele producătoare.

Considerând pentru perioada iunie - iulie, o valoare medie zilnică a intensităţii radiaţiei

solare, de 500W/m2, cea ce reprezintă o valoare de vârf pentru cele mai calde zile ale anului şi

nu o medie, nici măcar pentru cele mai calde luni ale anului, cel puţin raportat la condiţiile

82

climatice din România, se obţin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale

diferitelor tipuri de colectori solari:

η=60% pentru colectori plani;

η=76% pentru colectori cu tuburi vidate şi pentru colectori cu tuburi termice

Considerând tot pentru perioada iunie - iulie, o valoare medie zilnică a intensităţii radiaţiei

solare de 450W/m2, ceea ce reprezintă o valoare mai apropiată de condiţiile medii din

Romania, se obţin următoarele valori ale randamentelor medii zilnice ale diferitelor tipuri de

colectori solari:

- η=67% pentru colectori plani;

- η=84% pentru colectori cu tuburi vidate şi pentru colectori cu tuburi termice.

Valorile conforme cu realitatea, ale acestor randamente, confirmă încă odată în plus, că

ipotezele considerate în calculele prezentate, ca şi valorile obţinute pentru sarcinile termice

unitare medii ale diverselor tipuri de colectori solari sunt corecte.

CONCLUZII

 Specialistii prevad un viitor stralucitor pentru energia solara. Considerat mult timp

neprofitabil, acest tip de energie incepe sa castige teren, datorita imbunatatirii tehnologiilor si

costului tot mai ridicat al resurselor energetice traditionale. Chiar si fara subventii

guvernamentale, in maximum cinci ani, estimeaza specialistii McKinsey, energia solara ar

putea costa la fel ca electricitatea produsa din combustibili fosili pentru consumatorul final

din multe zone, cum ar fi California sau Italia.

 Pana in 2020, energia solara totala exploatata ar putea creste de 20-40 de ori fata de

nivelul actual. Cu toate acestea, sectorul este abia la inceput. Chiar daca luam in calcul cele 83

mai optimiste previziuni pe termen lung, in 2020, doar 3-5% din electricitatea folosita la nivel

global va proveni din energie solara. In plus, industria solara se confrunta cu toate greutatile

specifice sectoarelor emergente. Mai multe companii duc o batalie acerba pentru dezvoltarea

celei mai ieftine tehnologii, si inca nu e clar cine este castigatorul. Dezvoltarea rapida a

sectorului a adus cu ea probleme pentru competitori, care s-au trezit ca preturile scad peste

masura si piata de componente devine saturata. In aceste conditii, multi au fost nevoiti sa-si

mute productia in tari cu mana de lucru mai ieftina, sa investeasca mai multi bani in cercetare

si dezvoltare si sa faca orice pentru a reduce costurile. Mai ales ca este vorba despre o piata in

care fiecare jucator conteaza. Mai este mult pana cand pretul energiei solare va fi egal sau mai

mic decat cel al energiei electrice "de retea". Dar fara investitii pe termen lung si politici

guvernamentale adecvate, nu se poate face nimic.

Subventiile guvernamentale au jucat un rol important in dezvoltarea sectorului de energie

solara. In Statele Unite ale Americii, de exemplu, producatorii de energie regenerabila

primesc scutiri de impozit. In Germania, distribuitorii de energie sunt obligati sa plateasca mai

mult pentru fiecare MW de energie curata. Fara asemenea politici, costurile de productie a

energiei solare ar fi atat de mari, incat nici nu ar putea fi vorba despre o concurenta cu energia

din surse clasice. Dar situatia tinde sa se schimbe.

In ultimii 20 de ani, costul de fabricatie si instalare a sistemelor fotovoltaice a scazut cu 20

de procente. Costul electricitatii generate de surse conventionale a crescut in schimb, din

cauza cresterii preturilor la gaze naturale. In zonele cu potential solar, precum California,

Italia, Spania sau Japonia acest lucru s-a vazut imediat. Autoritatile au luat masuri, incepand

cu subventionarea productiei de energie solara.

In California, de exemplu, consumatorii beneficiaza de electricitate din energie solara la un

cost sub pretul mediu de 36 de centi. Datorita subventiilor, localnicii platesc doar 27 de centi

pe kWh. Dar sa nu uitam ca acest stat american este scaldat din plin de soare. In plus, aici

energia solara poate concura cu cea conventionala, care isi mentine costurile ridicate din

cauza reglementarilor privind reducerea emisiilor de carbon si a pretului mare al gazelor

naturale.  Expertii prognozeaza ca in regiuni insorite precum California, pretul energiei solare

va scadea in cel mult zece ani sub pretul electricitatii conventionale, cu conditia ca investitiile

sa creasca.

 Tehnologii in plina dezvoltare

Deocamdata, trei tipuri de tehnologii duc batalia pentru suprematie. Este vorba despre

celulele fotovoltaice pe baza de silicon, cele cu film subtire si centralele termo-solare. Fiecare 84

are avantaje si dezavantaje, astfel incat niciuna nu a reusit sa fie lider. Cum in ultimii s-a

investit masiv in cercetare, este de asteptat ca aceste tehnologii sa se dezvolte in continuare.

Companiile care utilizeaza celule fotovoltaice, ce transforma direct energia solara in

electricitate, sunt acum intr-o cursa nebuna de reducere a costurilor. Eficienta in acest caz

inseamna folosirea unei cantitati mai mici de materie prima, care este scumpa, si reducerea

considerabila a celulelor care, astfel, ar fi mai usor de instalat si de transportat. Toate acestea

duc la o reducere a costurilor si, implicit, la o scadere a pretului unui kWh. La ora actuala,

90% din energia solara este captata cu ajutorul panourilor care au devenit depasite tehnologic.

Panourile, facute sa fie instalate pe acoperisuri, sunt mari, inghit multa materie prima scumpa

(in acest caz-silicon) si au o eficienta scazuta. Cercetatorii se concentreaza sa elimine toate

aceste neajunsuri, in special, prin marirea eficientei si prin folosirea unor materiale noi.

Filmele subtiri fotovoltaice sunt urmatorul pas in captarea energiei solare. Tehnologia a

iesit pe piata si are un real succes, cu toate ca este mai scumpa decat panourile solare.

Eficienta, care a crescut cu 10%, este cea care face diferenta. Expertii prevad ca in termen

scurt, aceasta tehnologie va fi folosita pe scara larga. Pe masura ce tot mai multe companii vor

apela la aceasta tehnologie, costurile de productie vor scadea. Deocamdata, specialistii mai au

de rezolvat cateva probleme. Celulele cu film subtire se preteaza la instalarea pe acoperisuri

plate, de suprafata mare. In plus, durata lor de viata este inca nesigura, in timp ce panourile

solare cu silicon si-au demonstrat fiabilitatea pe 25 de ani. Mai mult, un singur material

folosit pentru celulele cu film subtire este intr-adevar eficient. Este vorba de teluridul de

cadmiu care, insa, este o substanta toxica.

A treia tehnologie, cea folosita de centralele termo-solare, este eficienta si ieftina, dar are

doua mari dezavantaje. Astfel de sisteme pot fi instalate aproape de consumatorii finali, ceea

ce reduce costul distributiei energiei. Dar au nevoie de spatii foarte mari si de conditii de

clima deosebite. In plus, in constructii, sistemele au nevoie de tevi si de oglinzi, al caror cost

nu va scadea semnificativ in viitorul apropiat. Oricum, nu la fel de mult ca pretul materialelor

semiconductoare utilizate in metoda clasica de captare a energiei solare.

 Producatorii de componente, mai importanti ca niciodata

Expertii spun ca tehnologia cu film subtire va castiga din ce in ce mai mult teren, in ciuda

dezavantajelor de acum. De aceea, producatorii de panouri pe baza de silicon trebuie sa-si

regandeasca strategiile pe termen lung si sa se concentreze asupra reducerii costurilor de

productie, cresterii eficientei si, nu in ultimul rand, asupra scaderii preturilor la materia prima.

Deocamdata, polisiliconul este materialul rege din domeniu. Unii dintre specialisti prevad ca 85

productia se va tripla pana in 2010, mai ales ca materialul a devenit mai ieftin decat

semiconductorii. De aceea, multi dintre producatori au facut modificari tehnologice insemnate

in fabricile lor, pentru a face fata cererii.

Pe de alta parte, companiile de echipamente vad in producatorii de celule solare parteneri

pretiosi in incercarea de a scoate de pe piata pe cei din sectorul semiconductorilor. O asociere

cu un producator de tehnologii noi nu poate fi decat avantajoasa, dar costisitoare.

O alta metoda de a reduce costurile este mutarea productiei in regiuni cu mana de lucru

ieftina. De exemplu, celule facute in Germania sunt mai scumpe cu 5% fata de cele fabricate

in China. Asa ca este inevitabil ca piata sa fie castigata de India sau China, iar tarile cu costuri

mari cu mana de lucru trebuie sa monitorizeze atent ce se intampla in economiile emergente.

Si, eventual, dupa o analiza atenta a raportului dintre costuri si eficienta, sa-si mute fabricile.

Energia solara pune probleme legate de distributie si transport catre consumatorii finali. De

aceea, furnizorii de utilitati incep sa renunte la gandirea "centralizata". Panourile solare

instalate pe acoperisuri, de exemplu, pot furniza electricitate in retea, in multe locatii. Cheia

succesului este asocierea cu producatorii de componente si incheierea de contracte clare cu

consumatorii, contracte care sa fie reciproc avantajoase.

Deocamdata, tehnologia cea mai atractiva pentru furnizorii de utilitati este cea a centralelor

termo-solare pentru ca implica o captare centralizata a energiei, comparabila cu producerea

electricitatii  din surse hidro, nucleare sau cu ajutorul carbunelui. Furnizorii trebuie sa decida

asadar daca pariaza pe energia solara, calculand, pe cat posibil, cat de repede se va

tehnologiza domeniul si cat de mari vor fi subventiile.

Tendinta generala este de a amana investitiile in acest sector pana cand tehnologiile vor fi

sigure, eficiente si competitive din punct de vedere al costului. Pe masura ce aceste costuri vor

scadea, tot mai multe companii se vor implica in acest domeniu, intrand, cel mai probabil mai

intai pe piata consumatorilor casnici si pe cea a micilor oameni de afaceri. Acestia sunt cei

care platesc la ora actuala electricitatea la preturi mari si vor fi incantati sa treaca pe alt tip de

alimentare, mai ieftin. O alta abordare implica obtinerea de reglementari speciale. Atat pentru

producatori cat si pentru furnizori si consumatori. Aici intra subventii, scutiri de taxe, chiar si

recompensarea furnizorilor pentru ca distribuie energie curata care duce la scaderea emisiilor

de carbon.

In concluzie, energia solara tinde sa devina atractiva si din punct de vedere economic.

Producatorii de componente, furnizorii de utilitati si factorii de decizie hotarasc in acesti ani

structura, performantele si marimea acestui sector. Limitarile tehnologice fac ca deciziile sa

fie dificile, dar oportunitatile, atat pentru profitul companiilor implicate cat si pentru sanatatea 86

planetei, care are nevoie de o eliberarea din dependenta de combustibilii fosili, sunt demne de

luat in seama.

 Cateva principii :

• Revolutia tehnologica in acest domeniu va veni, fara indoiala, dinspre producatorii de

componente. Progresul rapid va depinde insa de cererea din partea consumatorilor, la care,

producatorii au deocamdata un acces limitat.

• O parte a ecuatiei o reprezinta asadar consumatorii casnici, industriali si comerciali. Dar

acestia nu vor putea fi convinsi sa foloseasca mai multa energie solara atat timp cat nu exista

o analiza solida a costurilor pentru fiecare tehnologie in parte.

• In unele regiuni, ca Germania sau California, exista reglementari in domeniu. Dar acestea

nu pot reduce costurile pana la o paritate cu energia conventionala. Totusi, acolo unde nu

exista reglementari, diferentele vor fi si mai mari, ceea ce va face ca energia solara sa fie

inaccesibila din cauza costurilor.

BIBLIOGRAFIE

1. Dale, E , Utilizarea energiei solare in instalatii fotovoltaice, Conferinţa Naţională şi

Expoziţia de Energetică, Sinaia, 21-23 Octombrie 2009

2..Dale. E.-Tehnologii de valorificare a energiei solare. Aplicatii fotovoltaice, note de curs,

Univ din Oradea, 2010

3. Energy for the future: Renewable sources of energy – White paper for a community

strategy and action plan, COM (97) 599 final, 27 Nov. 1997, European Commission

4. From sunray to solar power (In Dutch: „Van Zonnestraal tot zonnestroom”), ECN, The

Netherlands, 200687

5. Mihet Popa, L şi Nicoara D. – Principalele configuraţii ale sistemelor solare şi topologii de

invertoare fotovoltaice, Buletinul AGIR nr.3/2007, pag. 79-82

6. Renewable energy in European Union Policies, G. Hanreich, European Commission DG

TREN, 2002

link-uri net

http://www.lpelectric.ro/ro/systems/solarsys/solarsys_acdc_ro.html

http://www.ibcoenerg.ro/fonduri/fonduri.html

http://www.lpelectric.ro

http://www.ecovolt.ro

http://www.energie-verde.ro

http://www.energeia.ro

http://www.energiesolara.ro

http://www.leonardo-energy.org

http:// www.iea-pvps.org

http://www.wikipedia.org

88