L8 Studiul caracteristicilor celulelor fotovoltaice

1. Scopul lucrăriiLucrarea are ca scop studiul caracteristicilor celulelor fotovoltaice.

2. Noţiuni teoretice

Celulele fotovoltaice Principiul de funcţionarea celulelor fotovoltaice se bazează pe efectul fotovoltaic. Efectul

fotovoltaic este procesul de transformare a energiei solare în energie electrică, mai precis a radiaţiilor solare într-un curent continuu de electroni.

Acest proces implică fenomenul fizic al interacţiunii dintre un foton (radiaţia solară) cu electroni externi ai unor materii (semiconductoare) care datorită energiei primite de la foton se eliberează de atomul originar lăsând un gol; electronii atomilor vecini ocupă astfel golurile atomilor adiacenţi, creând astfel un adevărat flux de electroni (curentul electric) (fig.1).

Fig. 1. Explicativă privind apariţia curentului electric

Ca material iniţial pentru fabricare se utilizează semiconductor, de obicei siliciu cristalin sau policristalin, pe suprafaţa căruia prin diverse metode tehnologice se formează straturi, care conţin impurităţi pentru a obţine joncţiunea p-n.

În figura 2 este prezentată schema constructivă simplificată a celulei fotovoltaice, având la bază material semiconductor de tip p.

Fig. 2. Schema constructivă simplificată a unei celule fotovoltaice

O celulă fotovoltaică constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 si 0,2 mm și sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncţiuni „p” şi „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitaţie” a electronilor din material şi va fi generat un curent electric

Celulele fotovoltaice, au de obicei o suprafaţă foarte mică si 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 rezistentă mecanică şi la intemperii.

La începutul comercializării panourilor fotovoltaice, celulele aveau o formă rotundă, păstrând forma barelor de siliciu din care au fost debitate.

Fig. 3. Forme constructive ale celulelor PV:a - rotundă; b - cvasipătrată; c - cvasirotundă

Această formă azi este rar utilizată locul ei fiind preluat de formele dreptunghiulare de cele mai multe ori pătrate având colturile mai mult sau mai puţin teşite. Până la sfârşitul anilor 1990 celulele PV aveau cel mai des mărimea de fabricaţie de 100x100 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.

Celulele fotovoltaice de construcţie modernă produc energie electrică de putere ce nu depăşeşte cu puţin un watt la tensiuni de 0,5÷0,6V. Pentru a obţine tensiuni şi puteri necesare consumatorului celulele PV se conectează în serie şi/sau în paralel.

Tipuri de celule fotovoltaice

a) Celule cristaline La celulele fotovoltaice actuale randamentul este de cca 12 - 17  %. Adesea fabricantul acordă o garanţie la randament de 80 - 85  % (la puterea de vârf) după 20 ani..

a1) Celule cu siliciu monocristalinÎn urma răcirii sale, siliciul cristalizează, dând naştere unui singur cristal. Acesta se

decupează în fâşii subţiri pe care sunt aplicate apoi celelalte straturi componente ale unei celule PV. Culoarea lor este în general albastru uniform.

Avantajul principal al acestui tip de celule este randamentul lor foarte bun aprox. 17%.Dezavantajele constau în costul ridicat de producţie şi randament scăzut în cazul unei slabe

iluminări.

a2) Celule cu siliciu policristalinÎn timpul cristalizării se formează mai multe cristale. Decuparea în fâşii conduce la

realizarea de celule compuse din mai multe cristale. Acestea sunt de asemenea albastre, dar se pot distinge diversele motive formate în urma cristalizării.

Avantajele acestei tehnologii sunt: randament bun al celulelor aprox. 13%, preţ de producţie mai scăzut.

Dezavantaje: randament scăzut în cazul unei slabe iluminări.Sunt cele mai utilizate celule la nivel industrial, pentru producerea de panouri PV, având cel

mai bun raport calitate-preţ.

b) Celulele amorfe Aceste celule ating un grad avansat de îmbătrânire de până la 25 % în primul an de funcţionare de aceea pentru acest tip de panouri PV 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 După cca. 1000 ore de expunere la soare, celulele de siliciu amorf ating un grad de saturare stabil. Pierdere de randament în utilizare se datorează în multe cazuri unor cauze banale independente de celulele PV. Aici se enumeră murdărirea suprafeţelor sticlei de protecţie a

modulelor, mucegăirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de către vegetaţia din jur crescută între timp, îngălbenirea polimerilor care constituie materialul de contact între celulă şi sticlă.

Fig. 4. Celule PV din siliciu: monocreistalin, policristalin, amorf

c) Celule tandemCelulele tandem se realizează prin asocierea tipurilor de celule prezentate mai sus, sub formă

de straturi. Această combinaţie conduce la absorbirea unui spectru mai larg al radiaţiei electromagnetice pentru producerea de energie electrică. În acest fel se ameliorează randamentul de conversie, faţă de o celulă simplă. Costul de producţie în acest caz este evident mai ridicat.

d) Celule cu film subţireAceastă tehnologie presupune reducerea cantităţii de material folosită la producerea de

celule PV, dar poate conduce şi la o scădere a randamentului de conversie. Acest tip de celule a devenit des utilizat din prisma costurilor scăzute de fabricaţie, greutăţii reduse a panoului şi flexibilităţii lor. Din această categorie fac parte celulele CdTe, CIGS şi GaAs.

e) Celule din polimeriAcest tip de celule se fabrică din polimeri organici şi reprezintă una dintre cele mai noi

tehnologii PV. Celulele sunt în general realizate în film (10 nm) din polifenilen-vinil şi fulerene de carbon.

Conectarea celulelor într-un modul fotovoltaic Tensiunea generata de o celula PV - cca 0.5 V - nu este suficientă pentru aplicaţiile uzuale.

Pentru a obţine tensiuni mai mari se leagă în serie mai multe celule fotovoltaice identice (fig. 5-a). Dacă sunt necesari curenţi mai mari celulele PV se conectează în paralel. În anumite aplicaţii se folosesc conexiuni mixte (serie - paralel) de celule PV (fig. 5-b). În mod uzual generatoarele PV sunt formate prin interconectarea mixtă a mai multor module PV. Un modul PV este format prin conectarea serie a unui număr corespunzător de celule PV identice. Spre exemplu, modulul BP 585 al firmei British Petroleum constă într-o conexiune serie de 36 de celule PV, în timp ce modulul M220 al firmei Solarwat, din 60 de celule înseriate. Generatoarele PV de mică putere se realizează prin interconectarea serie a mai multor module PV, configuraţie numită şir sau string de module PV (fig. 5-c).

Fig. 5. Conectarea celulelor fotovoltaice

Generatoarele PV de putere mai mare sunt constituite din mai multe şiruri conectate în paralel. Pentru o grupare mixta de celule sau module PV se mai folosesc si denumirile de arie, tablou sau matrice fotovoltaică, sau generator PV.

a) Conexiunea serie a celulelor fotovoltaiceÎn cazul conexiunii serie, conform primei teoreme a lui Kirchhoff, curentul debitat de fiecare

celulă PV este același, egal totodată cu cel de la bornele grupării. Tensiunea la bornele grupării, conform teoremei a doua a lui Kirchhoff, este egală cu suma algebrică a tensiunilor la bornele fiecărei celule individuale. În consecință, un punct al caracteristicii I-U rezultante se obține alegând arbitrar o valoare a curentului și însumând tensiunile pe celule.

Chiar dacă celulele sunt constructiv identice, datorită faptului că curentul debitat de ele depinde esenţial de iradiaţia G poate crea, în cazul conexiunii serie, unele probleme. Se va examina, pentru început, cazul mai multor celule constructiv identice, iluminate identic. Pentru simplitatea expunerii celulele se presupun ideale. În acest caz curentul debitat în circuitul exterior este egal cu cel al oricăreia din celule, iar tensiunea la bornele grupării este de Ns ori mai mare decât a uneia din celule (Ns fiind numărul celulelor înseriate), (fig. 6. -a).

Fig.6. Conexiunea serie a celulelor: a) celule cu caracteristici identice; b) celule cu caracteristici diferite;

O situație specială poate apare dacă celule PV, constructiv identice, sunt iluminate diferit, fig. 6 b. Această situație apare dacă una din celule este umbrită, sau este murdărită. În acest caz curenții de scurtcircuit ai celulelor sunt diferiți, ceea ce înseamnă curenți la bornele fiecărei celule diferiți. Conexiunea serie impune însă acelașii curent la bornele fiecărei celule. Drept urmare, o parte din curentul de scurtcircuit mai mare (cel al celulei mai iluminate) se va închide prin dioda paralel, asigurând diferenţa dintre curentul la bornele acesteia și cel de la bornele celulei umbrite. Curentul grupării serie va fi deci impus de celula care are curentul de scurtcircuit cel mai mic (celula umbrită). În acest fel o singură celulă umbrită limitează curentul întregii grupări și implicit a puterii generate de aceasta.

Se observă un lucru extrem de important: pentru tensiuni la borne mici (sub 0.54 V în exemplul considerat) puterea debitată de celula umbrită este negativă, adică, cu sensurile de referință adoptate pentru U și I, este de fapt absorbită. Pe de altă parte puterea totală este pozitivă. Prin urmare, în acest interval de tensiuni celula umbrită consumă putere de la celula mai iluminată. Nu numai că nu produce energie, celula umbrită consumă și o parte din energia produsă de celelalte celule. Inversarea semnului puterii debitate de celula umbrită, la valori mici ale tensiunii de la bornele grupării (în particular în scurtcircuit) este determinată de inversarea polarității tensiunii de la bornele celulei umbrite.

Fig. 7. Dioda bypass

Dioda bypassPentru a evita supraîncălzirea celulei umbrite, în paralel cu fiecare celulă se conectează o

diodă, numită dioda bypass, fig. 7. care în regim normal este polarizată invers și deci nu intervine în funcționarea celulei. Considerând cazul cel mai defavorabil, adică bornele grupării scurtcircuitate, observăm că tensiunea care polarizează invers celula umbrită polarizează direct dioda bypass conectată pe aceasta. În acest mod, curentul grupării, care altfel ar fi fost strangulat de celula umbrită, o ocolește prin dioda bypass. În plus, dioda bypass limitează și tensiunea pe dioda umbrită și implicit puterea disipată de aceasta.

b) Conexiunea paralel a celulelor fotovoltaiceÎn cazul conexiunii paralel toate celulele au aceeași tensiune la borne, iar curentul grupării

este suma curenților la bornele fiecărei celule individuale. Umbrirea sau defectarea uneia din celulele grupării nu scoate din funcțiune gruparea, așa cum se întamplă în cazul conexiunii serie. Nu sunt așadar necesare măsuri de protecție suplimentare.

Un punct al caracteristicii I-U a grupării se obține alegând arbitrar o valoare pentru tensiunea la borne și apoi însumând curenții corespunzători ai celulelor individuale. Deși efectul umbririi unora din celulele conexiunii paralel nu are efectul dramatic ca în cazul grupării serie, pierderile de putere în rezistențele serie și paralel influențează modul în care este distribuită puterea generată pe celulele grupării.

A. Module fotovoltaice Cea mai mică instalaţie electrică formată din celule PV interconectate în serie şi/sau în paralel, încapsulate pentru a obţine o rezistenţă mecanică mai mare şi a proteja celulele împotriva mediului se numeşte modul fotovoltaic. Un modul fotovoltaic este un dispozitiv capabil sa transforme energia solară în energie electrică mediind efectul fotovoltaic, şi se foloseşte ca generator de curent într-un sistem fotovoltaic.

Există două tipuri principale de module PV: modulul plat, în care aria iradiată este acoperită cu celule PV şi care recepţionează atât

radiaţia solară directă, cât şi cea difuză; modulul concentrator cu elemente optice (oglinzi, lentile), care concentrează

lumina incidentă într-o arie mică, acoperită cu celule PV.Pentru a lucra efectiv, acest modul necesită urmărirea Soarelui şi să avem radiaţie

directă. Fiind mai scumpe şi mai puţin fiabile, modulele concentratoare nu au obţinut o răspândire largă

Construcţia modulului PV plat (fig. 8) este, de obicei, dreptunghiulară, suportul este din aluminiu anodizat şi separat de structura laminată a celulelor cu căptuşeală, care nu permite pătrunderea umezelii. Celulele PV sunt protejate de acţiunea condiţiilor nefavorabile, care pot interveni pe parcursul exploatării: ploaie, grindină, zăpadă, praf etc, de un sistem ce constă dintr-un strat de sticlă şi minimum din două straturi (din faţă şi din spate) din etilen vinil-acetat EVA sau polivinil butirol PVB (fig. 8).

Tehnologia modernă asigură un înalt nivel de fiabilitate a modulelor PV plane, în prezent, timpul de viaţă este de la 20 la 30 ani, rata de înlocuiri pe an este de 0,2 % - din cauza fisurilor, acţiunilor de natură mecanică.

Fig. 8. Schema constructivă a modulului PV (a) şi încapsularea celulei PV (b):1 - suport din aluminiu anodizat; 2 - găuri pentru asamblare în panouri; 3 - cutie de borne.

În majoritatea aplicaţiilor, celulele fotovoltaice se asamblează pentru a forma module fotovoltaice având tensiuni nominale standardizate. Aceste module sunt materialul constructiv de bază al oricărei aplicaţii. Modulele se obţin prin formarea unui sandviş având rolul de a proteja celulele fotovoltaice propriu-zise, conferind rigiditate ansamblului, fig. 9.

Fig. 9. Secţiune printr-un modul fotovoltaic

Geamul protector. Este din sticla simplă având grosimea de 2 mm; el are rolul de a proteja celulele PV de contactul direct cu agenţii atmosferici şi de a conferi rigiditate modulului.

Rama de aluminiu. Este confecţionată din laminate de aluminiu având diferite profile; rolul ei este de a asigura rigiditatea modulului şi de a permite fixarea modulelor atât între ele cât şi pe structura suport.

Materialul de etanşare. Acest material este de regulă un cauciuc sau mastic siliconic; el trebuie sa asigure etanşeitatea modulului împiedicând apa sa pătrundă la celule şi, în acelaşi timp să rămână elastic pe toata durata de viaţa.

Placa protecţie spate modul. Protecţia părţii inferioare este necesară pentru toate modulele PV care lucrează numai pe o singură faţă.

Materialele folosite sunt: sticla, tabla de aluminiu, poliesterii armaţi cu fibră de sticla.

Folia intermediară. Alături de celulele PV, folia intermediară este un element component esenţial ai modulului. Aceasta folie este fabricată în diferite variante (PVB, EVA etc.) dar are în principal aceleaşi proprietăţi şi anume, în urma laminarii devine transparentă şi aderă perfect la cele trei straturi învecinate, materialul de protecţie al spatelui modulului, geamul protector şi celulele PV, fig. 10.

În cele două reprezentări schematice (fig. 9 şi 10) se poate evidenţia faptul că celulele PV sunt încapsulate într-un material de protecţie, etil+vinil+acetat (EVA). caracteristicile materialului de protecţie EVA poate avea valorile din tabelul 1.

Tabelul 1. Caracteristicile EVATransmitanţă 91 %

Densitate 0,96 g/cm3

Căldură specifică 2,3 J/oCxg

Capacitate de căldură 0,3 W/mxK

Fig. 10. Modulul PV pregătit pentru laminare

Tehnologia de fabricare a modulelor constă în următoarele operaţiuni: formarea sandvişului, prin aşezarea straturilor în ordine succesivă, ca în fig. 10; introducerea acestuia într-un laminor, instalaţie care asigură încălzirea sandvişului la

circa 115oC, şi o presiune uşor negativă pentru a permite ieşirea aerului dintre componente;

menţinerea sandvişului la parametrii prescrişi un timp de ordinul minutelor până la polimerizarea completă a foliei intermediare;

înrămarea şi etanşeizarea sandvişului.

B. Panouri fotovoltaice Un număr de module

PV asamblate mecanic ca o unitate mai mare şi conectate electric, se numeşte panou sau câmp de module. În acord cu standardele Comisiei Internaţionale de Electrotehnică (IEC) se utilizează termenul "array" - ceea ce înseamnă sistem, reţea. Expresiile "modul fotovoltaic", "panou fotovoltaic " sau "câmp de module " uneori au una şi aceeaşi semnificaţie.

În figura 11 este reprezentat un panou PV, constituit din trei module M-l, M-2, M-3, conectate în paralel şi separate cu diode de protecţie. Pentru exemplificare se prezintă trei variante de conexiuni ale celulelor PV în componenţa unui modul. Fiecare modul PV conţine acelaşi număr de celule PV conectate în serie - în cazul dat 12 - constituind o coloană. Punţile de conexiuni ale celulelor PV în paralel asigură diferite variante de scheme. Partea încercuită a modulului PV şi cuprinsă între două punţi vecine se numeşte bloc. Astfel, modulele din figura 11 conţin corespunzător câte 12, 4 şi 12 blocuri.

Randamentul panourilor fotovoltaice Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou si putere continută în lumina incidentă totală.

unde:

Pmax -puterea maximă estimată A- Suprafaţa iluminată Ga -iradiaţia solară

Semiconductoare cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins în acest caz este de 33 %, pe când randamentul teoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reactionează la toate lungimile de undă a luminii solare este de 85 %.

Randamentul celulelor PV 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 confectionat panouri cu un randament de 22 %. Preţul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonală este de cca 200 Euro pe celulă la o suprafată 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. Fabricantii dau garantii pe cel putin 80 % din puterea maximă în 20 ani.

Eficienţa panourilor PV reprezinta procentul de energie solară, ce este captată şi transformată în energie electrică. Este dificil de a da un număr exact, aşa că valorile de mai jos sunt un procent mediu de eficienţă.

Fig. 11. Schema de conexiuni a unui panou PV compus din trei module.

Mai jos sunt procentele aproximative pentru fiecare tip de panou PV, în cazul transformării energiei captate în energie electrică:

- Monocristalin - 18%- Policristaline - 15%- Amorf (thin-film) - 10%Cifrele de mai sus se referă mai mult la eficienţa data de celulele folosite ca un unitar, însă

un sistem PV este mult mai complex. Rezultatul (energia finală produsă) depinde de mai mulţi factori, cei mai importanţi sunt: tipul panourilor folosite, intensitatea radiaţiei solare, temperatura, orientarea şi condiţiile atmosferice. Orientativ o matrice de 1kW [1000W], instalată într-o poziţie insorită, va produce în medie, într-o zi obişnuită după cum urmează:

- Matrice policristaline - 4.0kWh/zi- Matrice monocristalina - 4.2kWh/zi- Matrice amorfa - 4.9kWh/zi

C. Elemente de protecţie. Dioda de ocolire se conectează în paralel cu fiecare modul sau cu un grup de module

conectate în paralel , în regim de funcţionare normală ea nu consumă energie. Această diodă limitează încălzirea celulelor PV şi nu permite micşorarea intensităţii curentului dacă un modul din circuitul consecutiv este mai puţin performant sau este umbrit. Evident tensiunea circuitului în serie se va micşora.

Dioda antiretur se conectează în serie cu sarcina. Această diodă evită situaţia, când modulul PV poate deveni receptor, dacă tensiunea generată va fi mai mică decât a acumulatorului. Este evident că ea introduce o cădere de tensiune de circa 0,5V şi corespunzător pierderi de energie. Dacă sistemul PV se utilizează pentru pomparea apei, unde acumulatoarele de obicei lipsesc, se recomandă excluderea acestei diode din circuit.

D. Cablajul - totalitatea cablurilor şi a firelor izolate care constituie conexiunile sistemului PV - trebuie să fie dimensionat astfel încât să fie reduse la minimum pierderile de tensiune şi energie. În particular, este important ca si căderile de tensiune să fie minime în conexiunile intermediare şi în circuitul de încărcare - descărcare a acumulatoarelor, deoarece aici tensiunea operaţională este mică, dar curenţii relativ mari. Această cerinţă impune utilizarea cablurilor cu secţiuni mai mari decât cele recomandate în echipamentele electrice tradiţionale.

E. Structurile de susţinere a modulelor PV trebuie să fie fabricate din material rezistent la coroziune, cu o durată de viaţă nu mai mică de 30 de ani. Fiecare element de structură trebuie să fie testat pentru a evita reacţiile galvanice între structură şi modulele PV. De obicei, se utilizează aliaje de aluminiu anodizat cu nichel – acetat.

3. Chestiuni de studiatSe vor studia elementele componente ale unei celule fotovoltaice, principiul de funcţionare,

tipuri de celule, moduri de interconectare.