UTILIZAREA ENERGIEI SOLARE N PRODUCEREA DE ENERGIE ELECTRIC. DETALII TEHNICE I ECONOMICE PRIVIND PANOURILE FOTOVOLTAICECiritel Ctlin IonUniversitatea Politehnica din Timioara,Facultatea de Construcii, MasterandOMSI, An II

AbstractThis lecture gives an overview of photovoltaics: the direct conversion of light intoelectricity, the origin of devices which produce electricity is much more recent: it is closely linked to modern solid-state electronics. Indeed, the first usable solar cell was invented at Bell Laboratories the birthplace of the transistor - in the early 1950s.

1.Scenarii tehnico-economice

nfiinarea unui sistem de obinere a energiei electrice utiliznd energia solar va asigura alimentarea consumatorilor publici de energie electric existeni i de perspectiv care sunt racordai n prezent la sistemul de distribuie. Producerea energiei electrice din surse regenerabile (E-SRE) este motivat de cteva considerente eseniale : protecia mediului, creterea independenei energetic fa de importuri i/sau de productorii clasici de energie prin diversificarea surselor de aprovizionare cu energie.La alegerea sistemului s evor lua n considerare att scopul n care se dorete utilizarea sistemului, condiiile de impact asupra mediului, ct i aspectele tehnico-economice.Necesitatea optimizrii costurilor este elementul principal avut n vedere la alegerea sistemelor. Astfel pentru configurarea unei soluii optime din punct de vedere tehnico-economic vom analiza trei variante posibile privind realizarea sistemului solar-fotovoltaic cu celule semiconductoare de siliciu:a) Sistem solar-fotovoltaic pentru obinerea energiei electrice cu acumularea energiei electrice n baterii de acumulatoare si apoi transferarea acesteia direct ctre consumatorib) Sistem solar-fotovoltaic pentru obinerea energiei electrice i cuplarea acestuia cu sursa suplimentar de producerea energiei electrice ( generator electric cu motor pe combustibil lichid).c) Sistem solar-fotovoltaic pentru obinerea energiei electrice i conectarea acestuia la reeaua electric de distribuie existent.n prima variant, soluia tehnic cu acumularea energiei electrice n baterii de acumulatoare i apoi transferarea acesteia direct ctre consumatorii vizai prin intermediul unor reele proprii urmrete asigurarea unui transfer de energie electric direct i total independent ctre consumatori, n modul cel mai eficient, nu este viabil deoarece acest tip de sistem nu se poate folosi pe tot parcursul anului, datorit faptului c intensitatea radiaiei solare este diferit iar pentru stocarea unei cantiti mari de energie este necesar a se realiza un sistem costisitor i greoi n exploatare, de baterii de acumulatoare. De asemenea ar fi necesr a se realiza i un sistem independent de distribuie a energiei electrice prin reele separate, ceea ce nseamn costuri de invetiie i exploatare foarte ridicate.n varianta a doua, soluia tehnic (hibrid) prin cuplarea cu o sursa suplimentar de producerea energiei electrice (generator electric cu motor pe combustibil lichid) are avantajul creterii independenei n asigurarea continuitii alimentrii cu energie electric, dar nu o cosiderm viabil deoarece n ceea ce privete investiia costurilor sunt mai mari att prin introducerea generatorului ct i a instalailor suplimentare de racordare la reelele de distribuie. De asemenea ar fi necesare rezervoare de stocare a combustibilului lichid i instalaii pentru alimentarea generatorului ct i instalaii speciale pentru protecie antiincendiu. Un dezavantaj moral ar putea fi considerat i faptul c prin funcionarea generatorului electric s-ar produce emisii de substane poluante ceea ce ar contrazice flagrant spiritul conceptul de energie verde.Astfel, n configurarea unei soluii viabile privind producerea de energie electric prin conversia direct a radiaiei solare, propunem s se opteze pentru varianta a treia, datorit faptului c energia electric este produs mai aproape de locul unde se consum i nu numai n termocentrale sau hidrocentrale mari. n timp, sistemele conectate, vor reduce necesitatea creterii capacitii liniilor de transport i distribuie. Un sistem conectat la reea asigur necesarul local de energie electric, iar eventualul excedent l debiteaz n reea; acest transfer, elimin necesitatea achiziionrii i ntreinerii unui sistem cu baterii de acumulatoare i aduce avantaje suplimentare prin accesul direct la piaa certificatelor verzi. De asemenea transferul energiei de putere n acest caz este optim, se face mult mai rapid i fr investiii suplimentare pentru realizarea unor reele electrice separate.

2. Metode de captare a energiei solare

Captarea direct a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectate s capteze energia, uneori prin focalizarea direct a razelor solare. Energia, odat captat, este folosit n procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. n procesele termice, energia solar este folosit pentru a nclzi un gaz sau un lichid, care apoi este nmagazinat sau distribuit. n procesele fotovoltaice, energia solar este transformat direct n energie electric, fr a folosi dispozitive mecanice intermediare. n procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care capteaz razele solare ntr-un receptor, unde cldura solar este transferat ntr-un fluid care pune n funciune un sistem de conversie a energiei electrice convenionale.n cazul generrii solare fotovoltaice, energia electric este produs direct, prin intermediul celulelor semiconductoare de siliciu, pe baza energiei coninute de radiaia solar. Convertoarele statice de putere sunt n general utilizate pentru a asigura optimizarea conversiei energetice.

RADIATIE >>> PANOURI SOLARE >>> CONVECTOR STATIC >>> ELECTRICITATESOLARA FOTOVOLTAICE DE PUTEREFigura 1. Modalitatea solar fotovoltaic de producere a energiei electrice.

3. Tehnologii ale celulelor fotoelectrice

Cel mai utilizat material pentru realizarea fotopilelor sau a celulelor solare este siliciul, un semiconductor de tip IV. Acesta este tetra-valent, ceea ce nseamn c un atom de siliciu se poate asocia cu ali patru atomi de aceiai natur. Se mai utilizeaz arseniur de galiu i straturi subiri de CdTe (telur de cadmiu), CIS (cupruindiu-diseleniu) i CIGS.

Exist mai multe tipuri de celule solare: Celule monocristaline; Celule policristaline; Celule amorfe; Celule CdTe, CIS, CIGS.

a) Celule monocristalineAcest tip de fotopile sunt primele care au fost realizate, pe baza unui bloc de siliciu cristalizat ntr-un singur cistal.

Figura 2. Celul monocristalin

Ele se prezint sub form de plachete rotunde, ptrate sau pseudo-ptrate. Randamentul lor este de 12-16 %. Totui, ele au dou dezavantaje: Preul ridicat Durat mare de amortizare prin energia furnizat.

b) Celule policristalineAcest tip de cellule se realizeaz pe baza unui bloc de siliciu cristalizat n mai multe cristale, care au orientri diferite. Randamentul lor este de 11-13%, dar presupun un cost de producie mai redus dect cel al celulelor monocristaline.

Figura 3. Celul policristalin

c) Celule amorfe

Aceste cellule sunt realizate dintr-un support de sticl sau material sintetic, pe care se depune un strat subire de siliciu (organizarea atomilor nu este regulat, ca n cazul unui cristal). Randamentul lor este de 5-10%, mai mic dect al celulelor cristaline, dar preul este bun. Ele sunt utilizate n mici produse comerciale (ceasuri,calculatoare0, dar pot fi utilizate i n instalaiile solare.Ele au avantajul de a se comporta mai bine la lumina difuz i la cea fluorescent, fiind mai performante la temperaturi mai ridicate.

d) Celule CdTe, CIS, CIGS

Tehnologiile CdTe, CIS, CIGS sunt n curs de dezvoltare sau de industrializare,mai precis: Celulele cu CdTe se bazeaz pe telura de cadmiu, material interesant datorit proprietii de absorbie foarte mare. Totui, dezvoltarea lor risc s fie frnat datorit toxicitii cadmiului. Celulele cu CIS (CuInSe2) se bazeaz pe cupru, indiu i seleniu. Acest material se caracterizeaz printr-o bun stabilitate sub aciunea iluminrii. Ele au proprietii de absorbie excelente. Celulele cu CIGS sunt realizate din acelai material ca i cele cu CIS, avnd ca particularitate alierea indiului cu galiu. Acesta permite obinerea unor caracteristici mai bune. n tabelul urmtor sunt sintetizate valorile randamentului tipic i teoretic ce poate fi obinut cu aceste tehnologi:

TehnologieRandament tipic [%]Randament teoretic[%]

Monocristaline12-1624

Policristaline11-1318,6

Amorfe5-1012,7

4.Forme i mrimi ale celulelor solare

La nceputul comercializrii panourile solare, celulele aveau o form rotund, pstrnd forma barelor de siliciu din care au fost debitate. Acest form este rar utilizat locul ei fiind preluat de formele dreptunghiulare de cele mai multe ori ptrate avnd colurile teite. Pn la sfritul anilor 1990 celulele solare aveau cel mai des mrimea de fabricaie de 100x100 mm. Dup aceea au fost introduse pe scar tot mai larg celulele cu latura de 125 mm,i de prin anul 2002 i celulele de 200x200 nu vor fi o raritate n viitor.n procesul debitare rezult i plci de dimensiuni mai mici, care pot genera aceeai tensiune doar cu un curent mai mic datorit suprafeei mai mici, i care i gsesc aplicaia n aparatele cu consum mic.

5.Uzarea celulelor solare

Prin mbtrnire nelegem modificarea parametrilor de funcionare a elementelor semiconductoare a celulelor solare n timp. n cazul de fa n special scderea randamentului pe parcursul vieii acestora. Perioada luat n cosiderare este de circa 20 de ani, n condiiile de utilizare terestr, randamentul scade cu circa 10%, pe cnd n spaiul acest procent se atinge ntr-un timp mult mai scurt datorit cmpurilor de radiaii mult mai puternice.Pierdere de randament n utilizare se datoreaz unor cauze banale independente de celulele solare. Aici enumerm murdria suprafeelor sticlei de protecie a modulelor, mucegirea pornind de la rama modulului, umbrirea modulelor de ctre vegetaia din jur crescut ntre timp, nglbenirea polimerilor care constituie materialul de contact ntre celul i sticl.

6. Componente de baz a unui sistem fotovoltaic

Componentele unui sistem fotoelectric depind de aplicaie: cldire (obiectiv) izolat sau n apropierea reelei, utilizarea unei baterii sau doar a energiei solare, existena convertoarelor statice de putere. Un sistem fotoelectric general cuprinde:- Celulele solare- Convertoare statice- Alte componenteCelulele solare nu pot fi assimilate cu nici un alt tip de generator clasic de energie electric de current continuu. Aceasta deoarece, celula fotoelectric nu este nici surs de tensiune constant, nici surs de curent constant. n prezent, randamentul conversiei energiei electric este slab (cel mai adesea, sub 12%). Aceasta nseamn c, ntr-o zon cu expunere nominal de 1000 W/m2 , sunt necesari 12 m2 de panouri fotoelectrice pentru a furniza 1 kW, ceea ce determin un cost ridicat al wattului. Acest randament sczut, ca i costurilor destul de mari ale sursei fotoelectrice, au determinat ca utilizatorii s i pun problema exploatrii la maximum a puterii electrice disponibile la nivelul generatorului fotovoltaic. Acest maxim se obine n general, prin asigurarea unei bune adaptri ntre generatorul fotovolatic i consumatorul asociat. Adaptarea se realizeaz prin utilizarea convertoarelor statice, care funcioneaz n regimuri variate.Instalaia solar-fotovoltaic pentru obinerea energiei electrice cuprinde 6 pri principale:1- Sursa de producer a energiei electrice prin conversia energiei solare sistemul de panouri fotovoltaice;

2 - Unitatea de invertoare care realizeaz transformarea tensiunii electrice continue produs de sistemul de panour fotovoltaice n tensiune electric alternativ joas;

3 Echipamentele de transformare (transformator electric) a tensiunii electrice joase obinute la ieirea din invertoare n tensiune electric alternativ medie;

4 Echipamentele de conectare i msurare prin care energia electric produs de panouri fotovoltaice este transferat n sistemul de distribuie al energiei electrice existent;

5 Instalaii electrice de racordare a sistemului solar fotovoltaic la reeaua electric de distribuie existent;

Referine

1. Tom Markvart, PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONVERSION, School of Engineering Sciences University of Southampton Southampton SO17 1BJ, UK

2. F. Pop, Energy efficiency in lighting norms, reality and trends, Proceedings of the International Conference ILUMINAT 2003, 39-1-39-5, Editura Mediamira, Cluj

3. I.Borza, Construire Parc Fotovoltaic pentru valorificarea resurselor regenerabile de energie, 2010, Timisoara4. I. Turcu ,STUDIU PRIVIND EVALUAREA POTENIALULUI ENERGETIC ACTUAL AL SURSELOR REGENERABILE DE ENERGIE N ROMANIA (SOLAR, VNT, BIOMAS, MICROHIDRO, GEOTERMIE), IDENTIFICAREA CELOR MAI BUNELOCAII PENTRU DEZVOLTAREA INVESTIIILOR N PRODUCEREA DEENERGIE ELECTRIC NECONVENIONAL.