Capitolul 10. Sisteme · PDF fileSisteme fotovoltaice Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice În viitor, ... celulele sunt conectate în serie pentru a forma panouri : Capitolul 10

Embed Size (px)

Citation preview

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice n viitor, nu va exista o unic surs de energie, ci multe surse regenerabile (i neregenerabile) care vor fi combinate pentru a rspunde cerinelor de electrificare ale planetei. Energia fotovoltaic este una dintre aceste surse. Cu ajutorul turbinelor eoliene, energia solar poate fi convertit indirect n electricitate, trecnd prin stadiile intermediare ale nclzirii difereniale a aerului i conversiei acestei energii a vntului n rotaia unui rotor al unui generator. Utiliznd celulele solare, este posibil convertirea direct a luminii solare n electricitate prin procesul fotoelectric. Deoarece lumina soarelui este distribuit uniform, orice cldire are potenialul de a genera local electricitate. Ca i n cazul nclzirii solare a apei (capitolul 6), acoperiul este locul cel mai convenabil de montare a celulelor solare, dac este corect orientat pentru a primi radiaia solar. n acest modul, dou tipuri de energie se fac remarcate. Primul este energia radiant a soarelui (lumina), sursa cea mai uniform distribuit din cte exist. Cea de a doua este energia electric produs, energia cea mai utilizat de ctre copii. 10.1 Energia solar

    Soarele este o stea nscut acum 5 miliarde de ani. Se afl cel mai aproape de pmnt, la o distan de 150 de milioane de kilometri. Diametrul su este de 100 de ori mai mare dect diametrul pmntului.

    Energia transmis de soare provine dintr-un lan de reacii de fusiune nuclear. Aceste reacii creaz o radiaie cu o putere de 66 milioane de Wai/m2 la suprafaa soarelui. Aceast energie radiant este dispersat din momentul n care i prsete sursa. Cnd ptrunde n atmosfera pmntului, puterea sa medie este de 1360 Wai/ m2. La atingerea suprafeei pmntului are o putere de numai 1000 Wai/ m2 n cazul n care cerul este senin, deoarece atmosfera reflect i absoarbe o parte din radiaie. Energia radiant a soarelui este transformat n mici pachete de particule de energie numite fotoni i conine un ntreg spectru de lungimi de und. Lungimile de und vizibile de ctre ochiul uman formeaz ceea ce noi numim lumin. Viteza luminii este de 300 000 km/secund. 10.2 Micarea Soarelui Cantitatea de energie radiant transmis de soare variaz n spaiu i timp (odat cu schimbarea anotimpurilor). Cantitatea de energie captat la orice locaie dat depinde de unghiul de elevaie () i de unghiul de azimut () din acel loc i din acel moment, vezi Figura 10.1. Unghiul de elevaie este cel mai ridicat n timpul solstiiului de var i cel mai sczut n timpul solstiiului de iarn.

    KITH - Manual pentru coli

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    Unghiul de elevaie al soarelui msoar nlimea de pe cer a soarelui fa de orizont.

    Unghiul de azimut indic direcia soarelui n plan orizontal fa do direcie de referin (de obicei fa de sud).

    e

    Figura 10.1 Elevatia i unghiul de azimuth Intensitatea radiaiei solare variaz de asemenea odat cu grosimea masei de aer pe care radiaia trebuie s o traverseze. Dac soarele este vertical la prnz, atunci aceast distan are valoarea minim, n timp ce dac soarele este nclinat (elevaie) cu doar 30, distana de strbtut este dubl. Cu ct suntem mai la nord, cu att elevaia este mai mic mai ales n timpul lunilor de iarn.

    Latitudinea i condiiile climatice determin un anumit numr de ore pe an n care soarele este vizibil pe bolta cereasc i iradiaia anual (msurat n kWh/m2). Iradiaia anual care sosete pe o suprafa orizontal descrete cu latitudinea dup cum se poate vedea n Figura 10.2.

    Figura 10.2 Iradiaia global

    KITH - Manual pentru coli

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    Schimbarea poziiei soarelui pe cer de la or la or i de la zi la zi poate fi determinat pe o diagram a traiectoriei soarelui (Figura 10.3). Poziia soarelui n raport cu orizontul este exprimat prin unghiul de azimut (axa orizontal) i unghiul de elevaie (axa vertical). Poziia zilnic a soarelui pe cer aproximativ n ziua 21 a fiecrei luni este indicat cu ajutorul a apte curbe orizontale. Cea mai de sus corespunde lunii iunie (solstiiu de var), iar cea de jos lunii decembrie (solstiiu de iarn). Celelalte cinci corespund fiecare la dou luni; de exemplu, linia pentru 20 martie este aceeai cu cea pentru 23 septembrie. Liniile verticale mpart curbele desenate n ore corespunztoare ntregii zile.

    Figura10.3: Diagrama traiectoriei soarelui Relieful i obstacolele de pe suprafaa pmntului vor reduce de asemenea intensitatea energiei radiante n anumite momente i n anumite anotimpuri. Pentru a cunoate potenialul energetic al unui loc trebuie desenat o linie a orizontului pe diagrama traiectoriei soarelui. Dispozitivul de msur utilizat pentru construiea unei astfel de linii se numete clinometru. El msoar unghiul unei raze solare deasupra sau dedesubtul orizontului (vezi Activitile 10.1 i 10.2).

    KITH - Manual pentru coli

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    Activitatea 10.1: Confecionai-v propriul clinometru Activitatea 10.1: Construii-v un clinometru

    Activiti:

    1. Trecei sfoara prin gaura din raportor. 2. Agai agrafa la captul sforii. 3. Lipii cu scotch tubul prin axa de simetrie a raportorului.

    Note pentru profesori: Clinometrul va fi utilizat n Activitatea 1.2. Cunotine necesare: Un clinometru este un aparat de msur folosit pentru a msura unghiul unei raze solare deasupra sau dedesubtul orizontului. Scop: A nelege ce este unghiul de elevaie prin construirea (i apoi utilizarea) unui dispozitiv de msurare Material: un raportor, o sfoar, o agraf de birou, un tub prin care se poate trece un creion, band de lipit Cuvinte cheie: msurare, unghi, nlime Abiliti: ndemanare, msurare, interpretare Materii din curriculum naional: tiine iTehnologie Grupa de vrst: 11+ Timp minim necesar pentru terminarea activitii: 1 or

    KITH - Manual pentru coli

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    Activitatea 10.2: Desenai o diagram a liniei orizontului din dreptul propriei case Activitatea 10.2: Desenai o diagram a liniei orizontului din dreptul propriei case Activiti:

    1. Instalai-v n locul n care dorii s urmrii soarele. 2. Luai-v compasul i ncepei cu estul. 3. Luai-v clinometrul i ndreptai-l spre vrful obstacolului (dac exist astfel de

    obstacol) situat spre est. 4. Citii unghiul de elevaie indicat de clinometru. 5. nsemnai acest unghi de elevaie pe grafic. 6. Continuai msurtorile fa de obiecte aflate din ce n ce mai spre vest. ntoarcei-v

    progresiv cu compasul cu cte 10. 7. Unii puntele. Relieful suprafeei pmntului i orice alte obstacole prezente vor aprea

    pe grafic (vezi exemplul de mai jos). Note pentru profesori: Diagrama traiectoriei soarelui din aceast activitate va fi utilizat n Activitatea 4.4. Cunotine necesare: Schimbarea poziiei soarelui pe cer de la o or la alta i de la o zi la alta poate fi determinat pe o diagram a traiectoriei soarelui. Caracteristicile peisajului i obstacolele vor reduce energia radiant primit ntr-o anumit zon la o anumit or i ntr-un anumit anotimp. Pentru a vizualiza acest lucru, traiectoria soarelui ntr-o anumit zon trebuie s fie desenat pe diagrama traiectoriei soarelui. Scop: nelegerea i demistificarea diagramelor pentru traiectoria soarelui i linia orizontului Material: compas, clinometru, foi pentru diagramele de traiectorie a soarelui Cuvinte cheie: unghiul de azimut, unghiul de elevaie, traiectoria soarelui Abiliti: msurare, precizie, trasare Materii din curriculum naional: tiine i Tehnologie, Matematic, Geografie Grupa de vrst: 11+ Timp minim necesar pentru terminarea activitii: 3 ore

    KITH - Manual pentru coli

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    KITH - Manual pentru coli

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    10.3 Procesul fotovoltaic

    Electronii sunt particole atomice care se rotesc n jurul nucleului, care mai cuprinde alte dou tipuri de particole, protoni i neutroni strns legai ntre ei. Electronii sunt particule ncrcate negativ, protonii sunt ncrcai pozitiv, iar neutronii sunt neutrii din punct de vedere electric. Fiecare electron se rotete n jurul nucleului pe orbite. Deoarece particolele de sens opus se atrag ntre ele, electronii sunt legai de orbite. n materialele conductoare, pot prsi cu uurin orbitele prin aplicarea unui cmp electric formnd astfel un curent electric.

    Efectul fotovoltaic este un fenomen fizic care are loc numai n materiale numite semiconductori. Cnd particule de lumin numite fotoni lovesc suprafeele semiconductorilor, i transfer energia ctre electronii acestor materiale, deplasndu-I de pe orbit. Dac semiconductorul este dopat cu impuriti potrivite care fac ca electronii s fie atrai spre o suprafa, se stabilete o sarcin electric, care st la baza unui curent electric.

    fotoni

    electroni

    Figura 10.4 Principiul celulei fotovoltaice Energia radiant a soarelui este astfel transformat n energie electric. Efectul fotovoltaic genereaz curent direct fr a se utiliza piese metalice mobile sau a face zgomot. Efectul fotovoltaic a fost descoperit de Edmond Bacquerel n 1839.

    KITH - Manual pentru coli

  • Capitolul 10. Sisteme fotovoltaice

    Activitatea 10.3: Hai s ne jucm cu pietricele! Activitatea 10.3: Hai s ne jucm cu pietricele! Acest mini joc de billiard reprezint efectul fotovoltaic:

    Terenul de joac

    = folie de silicon Tubul = conductorul electric Pietricelele albastre = electroni din silicon Pietricelele galbene = fotoni

    Activiti: nfurai folia de plastic astfel nct s facei din ea un tub. Folosii scotch pentru a evita schimbarea formei tubului. Tiai un ptrat din cutia de carton, lsndu-i o ram de 2 cm nlime. La un capt al terenului de joac pe care astfel l-ai creat facei o gaur n care s putei introduce tubul (care s fie plasat la acelai nivel cu terenul).