CONVERSIA ENERGIEI SOLARE. EFECTUL FOTOVOLTAICO dezbatere despre energiile regenerabile trebuie s porneasc de la problemele schimbrilor climatice i disponibilitii resurselor, n condiiile unei importante creteri demografice i a necesitii de a permite accesul la energie a miliarde de persoane care n prezent sunt privai de acesta. Prognoza consumului de energie primar realizat de Consiliul Mondial al Energiei pentru anul 2050, n ipoteza unei creteri economice de 3% pe an, fr o modificare a tendinelor actuale de descretere a intensitii energetice i de asimilare a resurselor energetice regenerabile evideniaz un consum de circa 25 Gtep, din care 15 Gtep din combustibili fosili (Figura 1.1).

25 20

15 Grup 10 5 0

2000

2050 WEC V1

2050 WEC V2

2050 WEC V3

Figura 1.1 Scenarii energetice alternative 2050

Regenerabile Nuclear Gaz Petrol Crbune Sistemele fotovoltaice au un factor de randament foarte sczut, din cauz c realizarea celulelor cu siliciu necesit mult energie. O celul genereaz dup tocmai 4 sau 5 ani energia consumat la fabricarea ei. Cum durata sistemelor fotovoltaice este de 20 - 30 ani, factorul de randament poate ajunge, n cele mai bune cazuri, la valoarea de 6. 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. n figura 1.2 este reprezentat aceast modalitate de conversie energetic.

Radiaie solar

Panouri solare fotovoltaice

Convertor static de putere

Electricitate

Figura 1.2. Modalitatea solar fotovoltaic de producere a energiei electrice

Energia radiaiei solare: este forma de energie care, la scara timpului, conceput n raport cu viaa pe Pmnt, este inepuizabil. Cantitatea de energie primit de la soare corespunde anual cifrei de 1,5 miliarde de milioane de MWh, ceea ce reprezint circa 23 000 de ori consumul actual de energie, sau de 5 - 10 ori ansamblul tuturor rezervelor de combustibili fosili cunoscui, inclusiv minereul de uraniu. Disponibilitatea acestei energii depinde de ciclul zi-noapte, de latitudinea locului unde este captat, de anotimpuri i de ptura noroas. Energia solar termic se bazeaz pe producerea de ap cald utilizat n cldiri, sau n scopul de a permite acionarea turbinelor ca i n cazul centralelor termice clasice, pentru producia de electricitate, cu randamentul net ntr-adevr mic, de 15%. Energia solar fotovoltaic se bazeaz pe producerea direct de electricitate prin intermediul celulelor cu siliciu. Atunci cnd strlucete i atunci cnd condiiile climatice sunt favorabile, soarele furnizeaz o putere de 1 kW/mp. Panourile fotovoltaice permit convertirea direct n electricitate a 10 - 15% din aceast putere. De ex. un acoperi fotovoltaic de 5x4 metri are o putere de 3kW i produce 2 - 6 MWh/an. Energia solar fotovoltaic era foarte puin semnificativ n 1999. Creterea ns a acestei filiere se dovedete a avea importan: ntre 2002 i 2003, ea a atins 43,4%. Puterea instalat n cadrul Uniunii Europene, a fost n 2003, de 562,3 MW. n fruntea listei rilor Uniunii Europene se afl Germania (397,6 MW), Olanda (48,63 MW), Spania (27,26 MW) i Italia (26,02 MW). Pentru comparaie, iat aici puterile instalate n cteva alte ri, n 2003: Frana (21,71 MW), Portugalia (2,07 MW) i Belgia (1,06 MW). Se remarc faptul c nu rile aflate n sudul Europei dezvolt cel mai mult filiera fotovoltaic. 1.1. Descrierea fenomenologic a efectului fotovoltaic Fie o jonciune p-n realizat, de exemplu, prin doparea a dou probe dintr-un semiconductor intrinsec cu bor i, respectiv fosfor. Sarcinile ncercuite reprezint ionii pozitivi de fosfor i negativi de bor din reea. Sarcinile libere sunt electroni n materialul n i goluri n materialul p. Electronii liberi

difuzeaz la stnga, n timp ce golurile difuzeaz la dreapta. Acest fenomen are loc pn cnd potenialul, V, ce se formeaz este capabil s stopeze difuzia n continuare a sarcinilorSiliciu intrinsec tip-p tip-n -+ -+ +-+ - + -+ -+ +-+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ - + - + -+ - + - +

a)

Egb) c) d) band de valen

band de conducie

p -x

n x

- + + ++ - - +- +- +

Figura 1.3. Jonciunea p-n

v potenial electric

Figura 1.4. Energetica jonciunii p-n

Astfel s-a creat n jonciune un cmp electric, macroscopic, fr ajutorul unui cmp electric exterior. Dar potenialul V, dei este p pozitiv, nu poate oferi direct curent peste o sarcin exterioar. Potenialul intern V crete odat cu creterea a) n dopajului celor dou pri pn la Eg (limea benzii interzise). + Energia electronilor crete pe vertical n sus, iar ----p E fotoni b) n cea a golurilor, pe vertical n jos. Conform tendinei Muli E difuzie Muli sistemului spre energie minim electronii tind s se fotoni h + + + fotoni h +++ deplaseze spre dreapta, iar golurile spre stnga. Deci numai purttorii minoritari sunt sensibili la acest p n + + fenomen R + Prin bombardarea jonciunii cu o cuant de lumin hv, a crei energie depete banda interzis, Eg, Figura 1.5. Efectul fotonilor aceasta va fi absorbit, iar ca rezultat apare o pereche electron-gol. Electronii din partea p a jonciunii i golurile din partea n a acesteia se vor deplasa spre stnga, respectiv spre dreapta. n timpul dintre crearea perechii electron-gol i separarea sarcinilor trebuie evitat recombinarea acestora. Timpul de via al purttorilor minoritari trebuie s fie suficient de mare pentru a evita recombinarea. Prin separarea sarcinilor, se creeaz, datorit aciunii fotonilor, un cmp electric Efotoni. opus celui intern creat prin difuzie Edituzie (corespunztor potenialului intern V). Pe msur ce cele dou cmpuri ajung s se anuleze reciproc, traficul de purttori se atenueaz, ajungndu-se n final la regimul de mers n gol al jonciunii. Ca atare, tensiunea de mers n gol este cu att mai mare cu ct banda interzis este mai mare. 1.2. Descrierea matematic a efectului fotovoltaic Notm cu l0 limea stratului de baraj .

Uo tensiunea din aceast zonU 0 = Eil0

(1.1) (1.2)

Pentru a trece prin stratul de baraj, un electron trebuie s posede energiaW0 > eU = eE i l 019

Cu e s-a notat sarcina elementar, e=l,610 C. Aceast energie provine din energia fotonului incident care ptrunznd n p", va elibera un electron, formnd o pereche electrongol. Energia fotonului va trebui s fie mai mare dectW = Wleg + 1 mv 2 Wleg + eU 0 2

(1.3)

Aici Wleg este energia de legtur a electronului n atomul de origine, iar m i v masa, respectiv viteza electronului dup ce a prsit atomul. Energia cinetic a electronului liber din regiunea p" trebuie s fie mai mare dect energia W0, pentru a putea trece n regiunea n". Ajuns n regiunea ,n" electronul liber provenit din regiunea p" va determina o circulaie a sarcinilor electrice negative prin rezistena de sarcin, R, spre acceptorii ionizai rmai necompensai din semiconductorul p". Circulaia electronilor de mare energie, n sensul celor artate mai sus, se justific i prin faptul c ei ocup strile succesive de energie potenial minim, caracterizat printr-un echilibru stabil. Perechea electron - gol, format ca urmare a absoriei unui foton de o anumit energie, trebuie s aib un timp de via suficient de mare pentru a forma curentul fotoelectric, I. Dac timpul de via este mai mic, perechea se recombin n interiorul semiconductorului, dnd natere la un curent intern inutil, Ii. Fenomenul macroscopic al efectului fotoelectric se exprim prin curenii amintii mai sus, n sensul c acest curent intern Ii, rezult din nsumarea unui curent determinat de acceptorii din regiunea p" (curentul Ip) i de donorii din regiunea n" (curentul In). Pentru c masa unui gol este mult mai mare dect masa unui electron, ntre cei doi cureni In i Ip avem relaia

In = Ipeunde:

eU KT

(1.4)

U- tensiunea la bornele celulei fotoelectrice U = RI, k- constanta lui Boltzmann k = l,3810-23 J/K, T- temperatura absolut a celulei.

La iluminare mare, In IP, iar la ntuneric, U = 0, In = Ip Dar In i Ip au sensuri opuseI i = I n I p = I p e KT 1 eU

(1.5)

Celula fotovoltaic fiind supus unui flux de N fotoni n unitatea de timp, ei vor determina curentul total al sursei Is, de valoareI s = eN = I + I i

(1.6)

Aceast relaie definete i schema simplificat a convertorului fotoelectric (CFE).

La funct in gol si sc in carte 1.3. Celule solare Strat antireflex Structura de baz a unei celule solare este artat n figura 1.5. Radiaia incident creeaz perechi Radiaie electron-gol n materialul semiconductor. Electronii i n p golurile sunt separate de o jonciune (o homojonciune, o heterojonciune, o jonciune indus, o barier Schottky). Aceti purttori de schimb formeaz curentul electric prin celula solar i trebuie s fie colectai prin contactele ohmice. Condiiile pentru o eficien de Figura 1.6 Celula solar n-p conversie mare sunt: - condiii fotonice: fotonii absorbii trebuie s creeze perechi electron-gol cu minim de pierderi de energie. Dac energia lor hv este mai mic dect limea benzii Es, fotonii sunt pierdui pentru producia de electricitate. Pentru energii hv mai mari dect E g, excesul (hv-Eg) este dat unei reele i este de asemenea pierdut. Aceste pierderi fundamentale depind de potrivirea dintre spectrul solar i capul benzii mate-rialului. Reflexia de ctre suprafaa frontului trebuie s fie minim. Acest lucru poate fi obinut prin minimizarea ariei frontului prin pulverizarea unui strat antireflexiv, de folosirea suprafeei piramidale. Absorbia materialului trebuie s fie maxim. Aceasta poate fi cauzat de coeficientul de nalt absorbie, a i de captarea luminii. - condiii electrice: electronii trebuie s fie separai de goluri printr-un cmp electric al jonciunii. Purttorii minoritari care se mic n unghiul de difuzie sunt colectai. Unghiul de difuzie este o proprietate a materialului i depinde de asemenea de calitatea materialului. Unghiul de difuzie L = D este determinat de constanta de difuzie i de timpul de via al purttorilor minoritari, determinat de procesele de recombinare volumice. Nu numai recombinarea volumic trebuie s fie minim, dar i recombinarea ia frontierele granulare i la suprafeele din fa i din spate. Aceasta este influenat de pasivizarea frontierei granulare de ctre cmpul suprafeei din spate, de pasivizarea oxidului la suprafa, de o jonciune indus. Voltajul circuitului deschis V0c trebuie s fie maximizat. Acesta depinde iari de gradul benzii materialului i de dopare. Rezistivitatea electric trebuie s fie minim. Aceasta depinde de rezistivitatea materialului semiconductor, de rezistena contactului metalsemiconductor i de rezistena metalului. Progresele fcute n mai mult de 30 de ani sunt n optimizare pentru maxim eficien la toi parametrii enumerai mai sus. Procesul este bazat pe cercetare funda-mental, pe simulare pe computer, pe introducerea de procese tehnologice. Multe s-au nvat din dezvoltrile microelectronice, folosind aceleai materiale. O distincie trebuie fcut ntre eficienele obinute n laborator i cele din producia industrial. Pentru a obine eficien n laborator nu exist coninut de cost care se ia n considerare la alegerea materialelor i

procedeelor. Pentru eficiena celulelor n producia industrial, ali factori sunt importani: scala larg de materiale disponibile, toxicitatea materialelor i a procesului de producie, costurile materialului i ale procesului. Celulele solare pot fi folosite cu sau fr concentraie. Depinde de costurile concentratorului, concentraia poate conduce potenial la costuri mai sczute. Astzi avem mai puin experien cu concentraia, datorit complexitii sistemului. Cele mai bune eficiene obinute n laborator sunt artate n tabelul 1.1.Tabelul 1.1

MaterialeSi monocristalin Si monocristalin pentru 140 X concentraie Si policnslalin A Si:H GaAs cristaiin GaAs pentru 205 X concentraia P cristalin CdTe film subire CIGS l'ilm subire GaAs/GaSb concentraie 100 X (metanic stacking) Si:H/mc-SiC/poIicristal Si 4 terminal

Eficien23,1 26,5 17,7 13,2 25,1 27,5 21,9 15,8 16,3 32,6 19,1

SursUniv. New S. Wales Stanford Univ. Georgia Tech. Mitsui Toatsu Chem. Kopin Varian Spire IPE i Univ. S. Florida Eurocis Boeing Osaka Univ.

Singurele celule din producia industrial de astzi sunt: cu siliciu hidrogenat amorf, cu siliciu monocristal i cu siliciu policristalin. Siliciul amorf este acum mai mult folosit n aplicaii ale produselor de consum (calculatoare, ceasuri etc.) i n aplicaii de mic putere (iluminarea strzilor i grdinilor). Eficiena lor scade cu 10% la nceput i apoi se stabilizeaz. Celulele de siliciu cristalin sunt mai mult folosite pentru aplicaii de puteri mai mari. Celulele solare cu film subire de CdTe i CIGS sunt foarte promitoare. Eficiena lor este relativ ridicat ca i potenialul lor pentru costuri sczute. Numai producia industrial poate dovedi importana acestor celule. 1.4. Concentrarea radiaiei solare Se realizeaz cu ajutorul unui sistem optic bazat pe reflexie sau refracie, care mrete densitatea fluxului de radiaie ce cade pe suprafaa absorbant a captatorului. Odat cu creterea densitii fluxului de radiaie solar ce ajunge la receptor, scade suprafaa necesar de recepie pentru o aceeai cantitate total de energie captat, ceea ce va determina n mod corespunztor i scderea pierderilor termice i deci creterea temperaturii fluidului de lucru. Dar sistemele de concentratori funcioneaz numai pe baza componentei directe a radiaiei solare. Rezult c radiaia difuz este pierdut pentru captare i n plus apar i unele pierderi suplimentare. Utilizarea concentrrii radiaiei solare este impus de problemele ridicate de valorile relativ sczute ale fluxului radiaiei solare incidente pe colector. Este permis astfel atingerea

unor nivele de temperaturi ridicate (pn la cteva mii de grade), sistemele de conversie a energiei radiaiei solare fiind caracterizate de valori mari ale cldurii utile obinute i n ultima instan ale randamentului acestora. Efectul de concentrare const n devierea printr-o metod oarecare a radiaiei solare captate pe o suprafa ctre o alt suprafa mai mic, unde se realizeaz conversia dorit. Considernd astfel o oglind paraboloidal, aceasta va reflecta radiaia solar incident n ea, concentrnd-o n focarul F al oglinzii unde este plasat receptorul (o suprafa absorbant relativ mica), care determin conversia energiei radiaiei solare reflectate in energie termic. Vom distinge pentru un colector solar cu focalizare trei pri principale: a) reflectorul solar (concentratorul propriu zis), b) receptorul, c) dispozitivul de orientare acionare, care asigura urmrirea poziiei Soarelui de ctre reflector dup una sau dou coordonate unghiulare. Justificarea acestui dispozitiv este evident. Radiaia solar ajunge la reflector dintr-o direcie determinat. Pentru c poziia aparent a Soarelui pe bolt n raport cu punct de captare este variabil, vom fi obligai s modificm permanent poziia concentratorului, pentru a ine cont de poziia Soarelui. Astfel c n cazul oglinzii paraboloidale axa acesteia trebuie meninut orientat ctre Soare. Aceasta conduce la plasarea suprafeei pe o montur ce va permite micarea indispensabil orientrii. Exist o mare diversitate de tipuri de captatoare cu concentrator, randamentul lor de captare fiind funcie de temperatura mediului ambiant. Obinuit puterea termic este proporional cu urmtorii factori: - densitatea de putere a radiaiei solare, - geometria captatorului, - eficiena optic legat de fraciunea din radiaia solar interceptat de captator ce ajunge la suprafaa absorbant a receptorului, - eficiena absorbiei i a transformrii din energie radiant optic n energie termic de ctre suprafaa absorbant. Factorul cel mai important ntr-o instalaie termic este temperatura agentului de lucru, ori pentru a putea ajunge la o anumit temperatur este nevoie de un anumit sistem de captare concentrare. Raportul de concentrare C este definit ca fiind raportul dintre valoarea medie a densitii fluxului de radiaie colectat de ctre receptor i densitatea fluxului de radiaie care cade pe concentrator.Figura 1.7 Concentratorul piramidalSprafee reflectorizante

Funcie de valoarea C captatoarele se mpart n 4 categorii:

Sprafaa receptoare

a) C = 1, 2, 3 i q = 100C - captatoarele plane, captatoarele plane cu oglinzi laterale i captatoare cu concentratori parabolici,

Suprafee reflectorzante

captor plan

Figura 1.8. Concentrator dublu parabolic

Figura 1.9. Concentrator est-vest.

C = 10 i q = 200C - captatoare de tipul Est - Vest care n timpul ctorva ore din timpul dup amiezii nu necesit o urmrire a Soarelui. Totui ele reclam o ajustare periodic a unghiului de poziionare fa de planul orizontal prin rotire n jurul axei est-vest. c) C = 100 i q = 300 - 350C - concentratoare 5 cu focalizare liniar. Necesit o urmrire diurn a 1 Soarelui, cu o micare n jurul unei singure axe ce poate avea diferite orientri: orizontal E-V, orizontal N-S, nclinat n planul N-S. Ele pot fi sub form de cilindri parabolici, fii de oglinzi plane sau curbe care se mic n jurul unor axe paralele orientate pe direcia E-V. 2b)

Figura 1.10. Concentrator cilindro-parabolic 1. oglind; 2. lagr; 3. agent termic; 4. suport; 5. ax de rotaie

3

4

Figura 1.11. Concentrator paraboloid de revoluie

Figura 1.12. Schema sistemului optic al unei centrale solare

d) C > 1000 i q = 400 - 55OC - concentratori de tipul oglinzi de forma unor paraboloizi de revoluie cu micare n jurul a dou axe, pentru urmrirea continu i precis a Soarelui sau sisteme de concentrare mai complexe, alctuit dintr-un cmp de oglinzi plane (sau curbe) cu o micare dirijat de un calculator de proces, astfel nct toate sa dirijeze radiaia solar incident asupra unui receptor plasat n vrful unui turn.

1

1.5. Conversia energiei solare Utilizarea energiei solare sub forma termic sau electric se realizeaz prin conversie, care poate fi direct sau indirect, n ultimul caz parcurgndu-se i fazele intermediare de la energia chimic sau mecanic. la t