Filioreanu CristianSAEA

Sisteme neconventionale de producere a energiei electrice

Panouri Fotovoltaice

Datorita cresterii consumului energiei din ce in ce mai mult la nivel global si tinand cont ca majoritatea combustibililor folositi pentru producerea energiei este o resursa epuizabila, cercetatorii au fost nevoiti sa exploreze alte posibilitati de producere a energiei, dar care sa protejeze atat mediul inconjurator dar si sa faca apel la o energie considerata inepuizabila: „energia solara”. Primele celule fotovoltaice au fost produse inca din anii 1950-1960, ele fiind utilizate prima data pentru producerea curentului electric pentru satelitii care graviteaza pe orbita. Odata cu trecerea anilor acestea au devenit din ce in ce mai utilizate, crescand astfel si gama de produse ce se puteau folosi de energia produsa de aceste celule. Incepand cu anii 1980 fotovoltaicele au devenit o sursa de alimentare populara pentru dispozitivele consumatoare de curent (ceasuri, radiouri, laterne).

Efectul fotovoltaic, descoperit de fizicianul francez Alexandre Becquerel inca din 1839, sta la baza producerii curentului electric de catre aceste celule. Pentru ca aceste celule sa poata furniza o energie electrica rezonabila ele trebuie sa fie legate in serie, intr-un numar cat mai mare, alcatuid astfel panourile fotovoltaice. Celulele fotovoltaice pot fi realizate din materiale semiconductoare dar cele mai multe sunt realizate din siliciu (peste 95 %) datorita disponibilitatii lui in cantitati mari si pretului redus al acestuia.

O celula fotovoltaica de silicon e compusa din o foita subtire de un strat foarte subtire de silicon de tip N, deasupra unui strat gros de silicon de tip P. Un camp electric este creat deasupra suprafetei de sus a acelei celule unde cele doua materiale intra in contact, numita juctia P-N. Cand razele solare ajung la suprafata unei celule fotovoltaice, campul electric produce momentul si directia la electronii stimulati de lumina, rezultand fluxul de curent cand celulele solare sunt conectate la un incarcator electric.

Procesul de fabricare conventional singular si policristalin al celulelor de silicon fotovoltaic incepe foarte simplu, cu aplicarea semiconductorului in polisilicon – un material produs din quart si folosit mult in industria electronica.

1Ianuarie, 2015

Filioreanu CristianSAEA

Polisiliconul este pe urma incalzit pana la temperature de topire , si sunt adaugate in polisiliconul topic bucati mici de bor pentru a creea un material semiconductor de tip P. Pe urma blocuri de silicon sunt formate, deobicei folosind una din cele doua metode:

1) Formand un bloc pur de silicon cristalizat din seminte de cristal facute din polisiliconul topit , sau

2) turnand polisiliconul topit intr-un cazan, formand un material de silicon policristalin.

Bucati individuale de wafere sunt feliate din blocurile de silicon folosind un fierastrau de sarma si pe urma sunt supuse gravurarii suprafetei. Dupa ce waferele sunt curatate, ele sunt asezate intr-un cuptor de difuzie de fosfor, creand un strat subire de semiconductor de tip N in jurul intregii suprafetei exterioare a celulei. Pe urma, un invelis antireflexiv este aplicat deasupra suprafetei celulei, si contactele electrice sunt imprimate deasupra suprafetei celulei (negativ). Un material conductor de aluminiu este asezat dedesubtul subrafetei fiecarei celule (pozitiv), reatribuindui proprietatile de tip P a partii de jos, deplasand stratul difuz de fosfor. Fiecare clula este pe urma verificata electric, sortata dupa curentul electric de iesire, si electric conectate la celelalte celule pentru a creea circuite de celule pentru asamblare in module fotovoltaice.

Principalele caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt: tensiunea utila, intensitatea curentului electric si puterea electrica generata.

Tensiunea utila a celulelor ca si intensitatea curentului electric asigurat depind semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricatie, dar si de dimensiunile acestor celule. Un exemplu de celula fotovoltaica realizata din siliciu si avand dimensiunile de 10x10cm este urmatorul:

2

Filioreanu CristianSAEA

Se poate observa din acest grafic ca tensiunea maxima ce poate fi furnizata de o singura celula este de 0.5V, ea depinzand foarte putin de intensitatea radiatiei solare, insa intensitatea curentului debitat depinde sensibil de acest parametru, pe grafic observandu-se o variatie intre 0.4A in cazul une radiatii de 200W/m2 pana la 2.2A in cazul unei radiatii de 5 ori mai puternice.

Puterea electrica se calculeaza ca un produs intre tensiune si intensitatea curentului avand in vedere ca aceste echipamente genereaza un curent continuu. Avand valorile mai sus exprimate pentru celula de 10x10cm putem observa ca aceasta poate asigura cel mult 1W-1.1W (pentru cazul exprimat in grafic), deci apare necesitatea conectarii acestor celule in serie sau paralel, rezultand astfel puteri ceva mai semnificative. Celulele fotovoltaice sunt conectate electric in circuite in serie sau in paralel, pentru a produce voltaj, curent si nivele de putere mai mari. Modulele fotovoltaice consista in circuite fotovoltaice sigilate intr-un mediu de protectie laminat, si sunt blocurile fundamentale construite din sisteme fotovoltaice.

Panourile fotovoltaice includ una sau mai multe module fotovoltaice asamblate ca unitati de domeniu instalabil. O matrice fotovoltaica este unitatea generatoare de putere completa, constand in orice numar de module si panouri fotovoltaice.

Din cauza ca aceste conditii nu sunt intodeauna tipice pentru cum opereaza modulele si panourile fotovoltaice, performanta actuala este de obicei cuprinsa intre 85-90% din eveluarea in conditii standarde de testare. Performantele panourilor fotovoltaice sunt dependente de temperatura, astfel cu cat creste temperatura cu atat scade si eficienta panoului de a converti radiatia in curent electric.

Astazi modulele fotovoltaice sunt produse extrem de sigure si de nadejde, cu sanse minime de esec si garantie de functionare intre 20-30 de ani. Cea mai mare parte din

3

Filioreanu CristianSAEA

producatori ofera garantie de 20 sau mai multi ani pentru a pastra un procentaj ridicat din puterea de iesire evaluata initial.

Functionarea sistemelor fotovoltaice:

Sistemele fotovoltaice sunt ca si restul sistemelor generatoare de electricitate, doar ca echipamentul e diferit decat cel folosit in mod conventional de alte sisteme generatoare electromecanice. Oricum, principiile de operare si interferare cu alte sisteme electrice, raman aceleasi, si sunt ghidate de un corp electric, coduri si standarde  bine stabilite.Desi un matrice fotovoltaic produce putere cand este expus la lumina solara, un numar de alte componente sunt necesare sa conduca,

controleze, converteasca, distribuie si stocheze corect energia produsa de matrice.

In functie de cerintele de functionare si operare a sistemului, este nevoie de componente specifice, si pot include componente majore cum ar fi un invertor de putere CC-CA ( Curent continuu – Curent alternativ), controloare de sisteme si baterii, surse de energie auxiliara si cateodata incarcarea curentului specificat (aparatul). In plus, un asortiment de sistem de balansare (SDB) a obiectelor

de metal, inclusiv cabluri, protectie de val si deconectarea aparatelor,si alt echipament de procesare a puterii.

Sistemele de putere fotovoltaice sunt in general clasificate dupa resursele necesare de functionare si operare, configuratia componentelor si in functie de cum este conectat echipamentul lor la alte surse de putere si sarcini electrice. Cele doua principii de clasificare sunt conectate in retea sau sisteme de utilitate interactive si sisteme de sine statatoare. Sistemele fotovoltaice pot fi create pentru a produce serivicii de putere de curent continuu si/sau curent alternativ, pot opera interconectat sau independente fata de grila de utilitate, si

4

Filioreanu CristianSAEA

pot fi conectate cu alte surse de energie si sisteme de stocare de energie , sisteme fotovoltaice conectate in retea ( utilitate-interactive ). Un sistem care poate produce si curent electric alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice se poate integra si intr-o retea locala de alimentare cu energie electrica.

Componenta principala in sistemele fotovoltaice conectate in retea este invertorul, sau unitatea de putere conditionata (UPC). Unitatea de putere conditionata converteste puterea din curentul continuu produs de matricele fotovoltaice in putere de curent alternativ consistenta cu voltajul si resursele necesare de calitate a puterii a grilei de utilitate, si opreste automat furnizarea cu energie a grilei de utilitate cand aceasta nu este alimentata. O interfata bidirectionala e facuta intre sistemul fotovoltaic, circuitele de iesire a curentului alternativ si a retelei electrice de utilitate, tipic la site-ul de pe panoul de distributie sau intrarea

de serviciu. Aceasta permite productiei de putere de curent alternativ de sistemul fotovoltaic fie de pe site-ul incarcarii electrice , fie inapoi la reteaua de alimentare cand iesirea de la sistemul fotovoltaic este mai mare decat cel de incarcare cerut. 

In concluzie folosirea acestor mijloace de producere a energiei electrice nevonventionale, se vor utiliza din ce in ce mai mult deoarece asigura atat o reducere a poluarii cat si o sursa de energie inepuizabila. Pe langa aceste doua aspecte cred ca si posibilitatea de a le integra si utiliza in diferite scopuri le mareste gradul de folosire la nivel mondial

5