proiectarea unui system cu cellule solare pentru aliment area unei pompe de apa
TRANSCRIPT
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 1/14
Proiectarea unui sistem cu celule solare pentru
alimentarea unei pompe de apa
Cuprins:
1) Efectul fotovoltaic
2) Tipuri de celule fotovoltaice(caracteristicile electrice ale celulelor:
exemplu)
3) Structura sistemelor solare3.1) Sistem autonom
3.1.1) Sistem cu celule solare – consummator
3.1.2) Sistem cu celule solare – regulator de incarcare si baterii de
acumulatoare + consummator
3.1.3) Sistem cu celule solare si convertoare c.c-c.a, c.c-c.a. si baterii de
acumulatoare
3.2) Sistem fotovoltaic pentru alimentarea unei pompe de apa
3.3) Sisteme cuplate la retea – structura
4) Model experimental de sistem
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 2/14
4.1) Alegerea configuratiei sistemului sursa electrica - pompa – apa. Celula -
regulator incarcare – baterie – invertor – pompa apa
4.2) Calcularea si alegerea componentelor
4.3) Prezentarea standului4.4) Date experimentale
5) Proiectarea unui sistem fotovoltaic pentru alimentarea unei pompe
actionate electric
1) EFECTUL FOTOVOLTAIC
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 current electric într-un circuit închis.
Dispozitivele care funcţionează pe baza acestui fenomen, sunt denumitecelule 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
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 3/14
solare pentru producerea energiei termice, denumite şi colectori solari sau
panouri solare termice).
Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale
semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu(Si), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarţa terestră,
reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantităţi suficiente,
fiind astfel şi ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu
sunt agresive pentru mediul ambiant.
În figura 1.1 este prezentată structura energetică a materialelor
semiconductoare, deci şi a siliciului.
Fig. 1.1. Structura energetică a materialeor semiconductoare
Analizarea acestei scheme energetice este utilă în vederea înţelegerii
condiţiilor în care semiconductorii pot deveni materiale conductoare de
curent electric. În situaţii normale, electronii ocupă în jurul nucleelor
atomilor materialului respectiv, diferite nivelele energetice denumite şi
straturi sau benzi energetice. Aceste nivele energetice accesibile pentru
electroni, sunt separate debenzi energetice interzise, reprezentând adevărate
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 4/14
“bariere energetice” pentru electroni. Nivelul energetic cel mai ridicat dintre
cele ocupate de electroni, este denumit şi bandă energetică de valenţă, sau
mai simplu bandă de valenţă. Următorul nivel energetic accesibil
electronilor, dar neocupat de aceştia, este denumit bandă energetică de
conduţie, sau mai simplu bandă de conducţie. Este evident că pentru
materiale diferite, nivelele energetice ale benzii de valenţă şi ale benzii de
conducţie sunt diferite. Diferenţa de potenţial energetic ΔE, dintre banda de
conducţie şi banda de valenţă, reprezentând şi valoarea “barierei energetice”
dintre cele două straturi, este diferenţa dintre nivelurile energetice Ec al
benzii de conducţie şi Ev al benzii de valenţă ΔE=Ec-Ev. În cazul siliciuluimonocristalin, valoarea acestei bariere energetice este ΔE≈1eV, iar în cazul
siliciului amorf poate să ajungă la ΔE≈1,7eV. Aceste valori ale barierei
energetice, reprezintă cuante de energie care trebuie să fie transmise
electronilor de pe stratul de valenţă pentru ca aceştia să devină liberi, adică
pentru a putea trece pe banda de conducţie. Prin supunerea materialelor
semiconductoare de tipul siliciului la radiaţia solară, fotonii, sau cuantele de
lumină cum mai sunt numiţi aceştia, sunt capabili să transmită electronilor
de pe banda de valenţă, energia necesară pentru a depăşi “bariera energetică”
şi a trece pe banda de conducţie. Acest fenomen se produce în celulele
fotovoltaice.
În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat)
cu diferite elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini
electrice negative (electroni) sau pozitive (goluri). Se obţin astfel straturi desiliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcţie de tipul
sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două asemenea straturi
de material semiconductor, caracterizate prin predominanţa diferită a
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 5/14
sarcinilor electrice, în zona de contact, se obţine o aşa numită joncţiune de
tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în figura 1.2.
Fig. 1.2. Joncţiune p-n
Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de
contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migraţie în
stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p,
prezintă tendinţa de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electrică
pozitivă. Această tendinţă de deplasare a sarcinilor electrice este
reprezentată în figura 1.3.
Fig. 1.3. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncţiunii
p-n
Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii
p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 6/14
sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul
sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă
superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative
(electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcinielectrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor
electrice în zona joncţiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 1.4.
Fig. 1.4.. Apariţia unei diferenţe de potenţial electric în zona joncţiunii p-n
Se observă că efectul acestei redistribuiri este reprezentat de apariţia
unei diferenţe de potenţial locale, la nivelul joncţiunii. Această diferenţă
internă de potenţial reprezintă o barieră care împiedică o eventuală deplasare
ulterioară a sarcinilor electrice negative din stratul n spre stratul p şi a celor
pozitive din stratul p spre stratul n. Sarcinile electrice libere din cele două
straturi sunt respinse din zona joncţiunii spre suprafeţele acestor straturi,
opuse joncţiunii p-n.
Este cunoscut faptul că lumina prezintă un caracter dual, având atât
caracteristici de undă, conform teoriei ondulatorii a luminii, cât şicaracteristici corpusculare, conform teoriei corpusculare, sau fotonice a
luminii. Din punctul de vedere al efectului fotovoltaic este mai util ca
lumina să fie considerată ca având caracter corpuscular.
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 7/14
Dacă joncţiunea p-n este supusă radiaţiei solare, fotonii având un
nivel energetic suficient de ridicat (cu atât mai ridicat cu cât radiaţia solară
prezintă o intensitate mai mare), sunt capabili să transfere suficientă energie
electronilor aflaţi pe straturile de valenţă ale atomilor, pentru a treace pestraturile de conducţie şi să devină electroni liberi. Sub acţiunea diferenţei
interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n,
electronii liberi care se formează în stratul n, sunt respinşi spre suprafaţa
stratului n al joncţiunii, iar electronii liberi care se formează în stratul p, sunt
atraşi spre zona de joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul
n, sunt respinşi spre suprafaţa acestui strat. Fiecare electron liber, înmomentul trecerii sale pe stratul de conducţie, lasă în urmă un gol (sarcină
electrică pozitivă) în structura atomului pe care l-a părăsit, astfel că sub
acţiunea radiaţiei solare nu apar doar electroni liberi ci perechi de sarcini
electrice negative (electroni) şi positive (goluri). Sub acţiunea diferenţei
interne de potenţial, care se manifestă local la nivelul joncţiunii p-n, golurile
care se formează în stratul p sunt respinse spre periferia stratului p al
joncţiunii, iar golurile care se formează în stratul n, sunt atrase spre zona de
joncţiune, pe care o vor traversa şi odată ajunşi în stratul p, sunt respinşi spre
suprafaţa acestui strat.
În urma deplasării sarcinilor electrice în cele două straturi şi în zona
joncţiunii p-n, conform mecanismului prezentat, se produce o polarizare
electrică la nivelul suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n, aşa cum se
observă în figura 1.5.
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 8/14
Fig. 1.5. Polarizarea suprafeţelor exterioare ale joncţiunii p-n
Dacă suprafeţele exterioare ale joncţiunii p-n sunt acoperite cu câte un
strat metalic, reprezentând fiecare câte un electrod, între aceştia se va
manifesta o diferenţă de potenţial, care într-un circuit închis va produce
manifestarea unui curent electric. Diferenţa de potenţial şi curentul electric
se pot menţine la un nivel constant atâta tip cât se manifestă radiaţia solară.
Este evident că variaţia intensităţii radiaţiei solare va produce şi variaţii ale
diferenţei de potenţial, dar mai ales ale intensităţii curentului electric aşa
cumse va arăta ulterior.
Joncţiunea p-n, împreună cu cei doi electrozi, alcătuieşte o celulă
fotovoltaică sau o celulă elctrică solară având construcţia de tipul celei
reprezentate în figura 1.6.
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 9/14
Fig. 1.6. Elementele constructive ale unei celule fotovoltaice
Grosimea totală a unei celule fotovoltaice este ce cca. 0,3mm, iar
grosimea stratului n, este de cca. 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.
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 10/14
Primele celule fotovoltaice, au fost utilizate în 1958, pe satelitul
Vanguard I, prezentat în figura 1.7. 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 planetă a panourilor fotovoltaice, depăşea 1.000.000.000W=1GW.
Fig. 1.7. Primele panouri solare, montate pe Vanguard I
Eficienţa celulelor fotovoltaice depinde de doi factori:
Intensitatea radiaţiei solare incidente pe suprafaţa celulei;
Eficienţa procesului de conversie a energiei radiaţiei solare în energieelectrică.
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.
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 11/14
2) TIPURI DE CELULE FOTOVOLTAICE
În funcţie de natura cristalină a materialului semiconductor utilizat lafabricarea acestora (de regulă siliciul, aşa cum s-a arătat anterior), se disting
trei tipuri de celule fotovoltaice:
- monocristaline;
- policristaline;
- amorfe.
Monocristalele se obţin sub formă de baghetă sau vergea, prin
turnarea siliciului pur. Aceste baghete se taie ulterior în plăci foarte subţiri
care se utilizează la fabricaţia celulelor fotovoltaice. Acest proces tehnologic
asigură cel mai ridicat nivel de eficienţă a conversiei fotoelectrice, dar este şi
cel mai costisitor.
Policristalele se obţin în urma unui proces de producţie mai puţin
ieftin, constând din turnarea siliciului lichid în blocuri, care ulterior sunt
tăiate în plăci subţiri. În procesul de solidificare, se formează cristale dediferite dimensiuni şi forme, iar la marginea acestor cristale apar şi unele
defecte de structură. Ca urmare a acestor defecte, celulele fotovoltaice
fabricate prin această metodă sunt mai puţin eficiente.
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 12/14
Structura amorfă se obţine prin depunerea unui film extrem de
subţire de siliciu pe o suprafaţă de sticlă, sau pe un substrat realizat dintr-un
alt material. În acest caz, solidificarea atomilor nu se realizează într-o
structură cristalină ci sub forma unei reţele atomice cu dispunere neregulată,denumită structură amorfă. În această reţea atomică apar şi numeroase
defecte, care diminuează performanţele electrice ale materialului. Grosimea
stratului amorf de siliciu, obţinut prin această metodă este mai mică de1μm.
Pentru comparaţie grosimea unui fir de păr uman este de 50…100μm.
Costurile de fabricaţie ale silicului amorf sunt foarte reduse, datortă cantităţii
extrem de reduse de material utilizat, dar eficienţa celulelor fotovoltaice careutilizează siliciu amorf este mult mai redusă decât a celor care utilizează
structuri cristaline de material. Datorită costului redus, celulele fotovoltaice
cu siliciu amorf se utilizează preponderent la fabricarea echipamentelor cu
putere redusă, cum sunt ceasurile sau, calculatoare de buzunar.
În tabelul alăturat sunt prezentate performanţele celor trei tipuri de
celule fotovoltaice din punct de vedere al conversiei energiei radiaţiei solare
în energie electrică.
Performanţele diferitelor tipuri de celule fotovoltaice
Material
Eficienţă în condiţii
de laborator
Eficienţă în condiţii
de producţie în serie
Siliciu monocristalin 24 % 14…17 %Siliciu policristalin 18 % 13…15 %
Siliciu amorf 13 % 5…7 %
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 13/14
În continuare sunt prezentate câteva dintre fenomenele care limitează
creşterea eficienţei celulelor fotovoltaice:
O parte semnificativă din fotonii care alcătuiesc radiaţia solară, au unnivel energetic insuficient pentru a determina trecerea electronilor de pe
stratul de valenţă pe cel de conducţie;
Energia fotonilor cu nivel energetic prea scăzut, se transformă în
căldură şi nu în energie electrică;
Apar pierderi optice datorate reflexiei dadiaţiei solare, pe suprafaţa
celulelor fotovoltaice;Apar pierderi datorate rezistenţei electrice a materialului
semiconductor sau cablurilor electrice de legătură;
Defectele de structură a materialelor din care este realizată celula
fotovoltaică înrăutăţesc performanţele acestora.
În figura 2.1 sunt prezentate eficienţele maxime teoretice, ale
conversiei fotovoltaice care pot fi atinse în condiţii optime, pentru diferite
tipuri de materiale semiconductoare, împreună cu valoarea “barierei
energetice” adică diferenţa dintre nivelul energetic al benzii de conducţie şi
al benzii de valenţă.
8/6/2019 Proiectarea Unui System Cu Cellule Solare Pentru Aliment Area Unei Pompe de Apa
http://slidepdf.com/reader/full/proiectarea-unui-system-cu-cellule-solare-pentru-aliment-area-unei-pompe-de 14/14
Fig. 2.1. Eficienţa teoretică şi nivelul “barierei energetice”,
pentru diferite materiale semiconductoare
Se observă că de exemplu pentru Si monocristalin, valoarea efcienţei
teoretice este de cca. 28%, dar valorile acestui parametru sunt situate pentru
toate materialele sub 30%.