Termice

Sisteme fotovoltaice

Efectul de apariţie a unei tensiuni electromotoare, sub acţiunea energiei solare, denumit efect fotovoltaic, a fost descoperit de fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel, în anul 1839.

Denumirea acestui efect provine din grecescul phos, care înseamnă lumină şi din numele fizicianului Allesandro Volta, realizatorul primei baterii electrice din lume. Efectul fotovoltaic este datorat eliberării de sarcini electrice negative (electroni) şi pozitive (goluri), într-un material solid, atunci când suprafaţa acestuia interacţionează cu lumina. Datorită polarizării electrice a materialului respectiv, care se produce sub acţiunea luminii, apare o tensiune electromotoare, care poate genera curent electric într-un circuit închis. Dispozitivele care funcţionează pe baza acestui fenomen, sunt denumite celule fotovoltaice, sau celule electrice solare. Pentru a permite furnizarea unei puteri elctrice rezonabile, celulele fotovoltaice nu funcţionează individual ci legate în serie într-un mumăr mai mare, alcătuind panouri fotovoltaice, sau panouri electrice solare (a nu se confunda cu panourile solare pentru producerea energiei termice, denumite şi colectori solari sau panouri solare termice).

Fig. 1 Structura energetică a materialeor semiconductoare

 Joncţiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă fotovoltaică sau o celulă electrică solară având construcţia de tipul celei reprezentate în figura 2.

Fig. 2. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice

Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar grosimea stratului n, este decca. 0,002mm. Uzual, deasupra electrodului negativ al celulei fotovoltaice, se amplaseaza un strat antireflexie, cu rolul de a împiedica reflexia radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei electrice solare, astfel încât o cantitate cât mai mare de energie să fie transferată electronilor de valenţă din cele două straturi semiconductoare. Celulele fotovoltaice au dimensiuni uzulale de 10x10cm şi mai recent de 15x15cm. Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul Vanguard I, prezentat în figura 3. Eficienţa de conversie a energiei radiaţiei solare în electricitate era de 10%, iar puterea totală a acelor celule fotovoltaice a fost de cca. 0,1W. Până în 2005, puterea totală instalată pe planetăa panourilor fotovoltaice, depăşea 1.000.000.000W=1GW.

Fig.3. Primele panouri solare, montate pe Vanguard I

În prezent, construcţiile de celule fotovoltaice au eficienţe în jurul valorii de 15%, ceea ce reprezintă o valoare destul de scăzută. Din acest motiv, panourile fotovoltaice sunt amplasate preponderent în zone caracterizate prin radiaţie solară intensă. Cu toate acestea, ţări ca Germania sau Austria reprezintă exemple de utilizare pe scară largă a acestei tehnologii, cu toate că nu sunt

favorizate din punct de vedere al intensităţii radiaţiei solare.

 

CARACTERISTICI ALE CELULELOR FOTOVOLTAICE

 

Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca şi în cazul bateriilor:

Tensiunea;

Intensitatea curentului electric;

Puterea electrică.

 

Tensiunea utilă a celulelor fotovoltaice, ca şi intensitatea curentului electric asigurat, depind semnificativ de natura materialului semiconductor utilizat la fabricaţie, ca şi de dimensiunile acestorcelule. În figura 16 este reprezentată variaţia tensiunii şi a intensităţii curentului electric asigurate de o celulă fotovoltaică realizată din siliciu şi având dimensiunile de 10x10cm.

Fig. 4Tensiunea şi intensitatea curentului electric

asigurate de o celulă fotovoltaică din Si, la diferite intensităţi ale radiaţiei solare

Se observă că tensiunea maximă care poate fi asigurată de celulele fotovoltaice rtealizate din acest material este de aproximativ 0,5V. Valoarea tensiunii maxime care poate fi asigurată, depinde foarte puţin de intensitatea radiaţiei solare, dar valoarea intensităţii curentului electric, depinde sensibil de acest parametru, prezentând o variaţie între 0,4A în cazul unei radiaţii solare de 200W/m² şi 2,2A în cazul unei radiaţii solare de 1000W/m².

 

Puterea electrică a celulelor fotovoltaice se calculează ca produs dintre tensiunea U şi intensitatea curentului electric I, având în vedere că aceste echipamente generează curent continuu. P=U·I

Considerând că tensiunea este de U=0,5V şi intensitatea curentului electric este I=2A, se poate calcula puterea asigurată de o celulă din Si de 100cm²: P=0,5·2=1W. Această valoare redusă a puterii, arată că este evidentă necesitatea de a lega mai multe celule fotovoltaice în serie, pentru a se obţine panouri fotovoltaice capabile să asigure o putere electrică semnificativă. Din acest motiv şi dimensiunile panourilor sunt semnificative. Considerând un panou realizat din 10x10 celule fotovoltaice de tipul celor prezentate anterior, dimensiunile acestuia vor fi 100x100cm=1m², iar acest panou va putea să asigure o putere de 10x10=100W.

Pornind de la curbele de variaţie a intensităţii curentului electric, cu intensitatea radiaţiei solare, şi calculând valoarea puterii ca produs dintre tensiune şi intensitate, se pot trasa curbe de variaţie a puterii furnizate de celulele fotovoltaice, de tipul celei din figura 5.

Fig.5. Curba de variaţia puterii electrice a celulelor fotovoltaice

 

Analizând această curbă se observă că valoarea maximă a puterii se obţine în punctul în care intensitatea curentului electric generat de celula fotovoltaică începe să scadă. Acel punct de pe curbade variaţie a intensităţii curentului electric, este numit punct de putere maximă PPM, iar putereamaximă corespunzătoare, poartă denumirea de putere în punctul de putere maximă PPPM. Se observă că şi în condiţiile în care s-a considerat că intensitatea curentului electric este de 3A, ceea ce corespunde unei intensităţi foarte mari a radiaţiei solare şi unei construcţii foarte performante a celulei fotovoltaice, puterea maximă pe care o poate atinge celula fotovoltaică este de cca. 1,35W, ceea ce sugerează din nou necesitatea legării în serie a mai multor celule în vedrea obţinerii unor panouri fotovoltaice, ca cel din figura 19, asemenea panouri fiind capabile să asigure puteri de cca. 10…250W.

 

Fig. 6.Panou fotovoltaic

Trebuie menţionat şi faptul că performanţele panourilor fotovoltaice sunt dependente de temperatură. Astfel cu cât creşte temperatura, cu atât scade şi eficienţa panourilor fotovoltaice de a converti energia radiaţiei solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o reducere a eficienţei panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creştere a temperaturii. De regulă performanţele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie electrică este realizată în spaţiul cosmic, unde temperatura este apropiată de 0K.

 

SISTEME DE UTILIZARE A ENERGIEI ELECTRICE OBŢINUTE

PRIN EFECT FOTOVOLTAIC

Posibilităţile de utilizare a energiei electrice obţinute prin conversia energiei solare, folosind

efectul fotovoltaic sunt multiple, iar în continuare sunt prezentate câteva asemenea sisteme tehnice care înglobează panouri fotovoltaice.

 

Sistem pentru producerea şi utilizarea curentului continuu

În figura 7 este prezentat un sistem de producere şi utilizare a curentului continuu cu

ajutorul panourilor fotovoltaice

Fig. 7.Sistem cu panou fotovoltaic pentru producerea curentului continuu

Acest tip de aplicaţie poate să permită de exemplu asigurarea iluminatului electric, cu becuri de curent continuu, în imobile situate în zone izolate şi neelectrificate.

Se observă că panoul fotovoltaic nu este singurul component al sistemului. Deoarece momentul în care este nevoie de energie electrică, nu coincide cu cel în care este prezentă radiaţia solară, energia electrică furnizată de panou este acumulată într-una sau mai multe baterii pentru a fi utilizată la nevoie. Între panoul fotovoltaic şi baterie este intercalat un regulator de încărcare deoarece parametrii curentului electric la ieşirea din panou sunt variabili, în funcţie cel puţin de intensitatea radiaţiei solare, iar parametrii curentului electric utilizat la încărcarea bateriei trebuie să fie constanţi.

 

Consumatorii alimentaţi cu curent continuu, sunt conectaţi tot la bornele de ieşire ale ale regulatorului, pentru a fi alimentaţi cu curent electric având parametrii constanţi.

 

Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu şi altenativ

În figura 8 este prezentat un sistem de producere şi utilizare simultană a curentului

continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Fig. 8. Sistem cu panouri fotovoltaice pentru producerea simultană a

curentului continuu şi alternative

 

Având în vedere că un asemenea sistem are nevoie de o putere electrică mai mare, specifică de

regulă consumatorilor de curent continuu, este nevoie de utilizarea unui număr mai mare de panouri fotovoltaice, iar numărul bateriilor este de asemenea mai mare, pentru ca sistemul să poată asigura puterea electrică maximă, pentru un timp cât mai lung, înainte ca bateria să se descarce.

Trebuie menţionată prezenţa obligatorie într-un asemenea sistem a unui echipament denumit

invertor, care transformă curentul continuu în curent alternativ.

 

Sistem fotovoltaic hibrid

În figura 9  este prezentat un sistem hibrid pentru producerea şi utilizarea simultană a

curentului continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice.

Fig. 9.Sistem hibrid cu panouri fotovoltaice pentru producerea

simultană a curentului continuu şi alternative

Faţă de sistemul prezentat anterior, acest sistem hibrid are în componenţă şi un generator electric acţionat de un motor cu ardere internă de tip Diesel. Acest generator, care poate să producă atât curent continuu cât şi curent alternativ, are rolul de a asigura puterea electrică necesară în perioadele de vârf de sarcină, sau în perioadele în care radiaţia solară nu este suficient de intensă.

 

Sistem fotovoltaic racordat la reţea

În figura 10  este prezentat un sistem pentru producerea şi utilizarea curentului alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice, racordat la reţeaua locală de alimentare cu energie electrică.

Fig.10. Sistem fotovoltaic pentru producerea curentului electric alternativ,

racordat la reţea

 

Un asemenea sistem pentru producerea curentului electric alternativ, cu ajutorul panourilor

fotovoltaice, permite utilizarea directă a curentului electric produs de sistemul fotovoltaic, dar şi

furnizarea acestuia în reţeaua locală de alimentare cu energie electrică, acest sistem fiind furnizor de energie electrică. Este evident că imobilele prevăzute cu un asemenea sistem de alimentare cu energie electrică, trebuie să fie prevăzute cu câte un dispozitiv de măsură care să contorizeze energia electrică furnizată în reţea, dar şi cu un contor pentru măsurarea consumului de energie electrică absorbită din reţea.

De regulă, în ţările în care se încurajeaă utilizarea energiilor regenerabile, cum este Germania

de exemplu, preţul cu care este cumpărată energia electrică furnizată de acest sistem este mult mai mare decât preţul de vânzare a energiei electrice.

 

S.C. CLIMA THERM CENTER SRL IASI ofera  sisteme  care folosesc   sursele de energie regenerabilă, nepoluante si anume :

• Captatoare fotovoltaice
  • VITOVOLT 100 ,200 – producator VIESSMANN GERMANIA – vezi fisa tehnica nr. 10

 

 

 

 

 

VITOVOLT 100