Cap. I. TEHNOLOGIA FOTOVOLTAICA
1. Introducere
Celulele fotovoltaice (PV-photovoltaic) sau solare, cum sunt adesea denumite, sunt dispozitive semiconductoare care convertesc energia solară în electricitate de curent continuu (DC). Termenul „foto” provine de la cuvântul din limba greacă “phos” care înseamnă lumină. Termenul “volt” reprezintă recunoștința adusă lui Alessandro Volta (1745-1827), primul care s-a ocupat de studiul electricității. Astfel termenul “fotovoltaic” se poate traduce literal prin “lumină-electricitate”.
Grupurile de celule fotovoltaice sunt din punct de vedere electric înseriate în module, care pot fi folosite la încărcarea bateriilor, funcționarea motoarelor sau la alimentarea oricărui alt consumator. Cu un echipament electric de conversie adecvat, sistemele fotovoltaice pot produce curent alternativ (AC), devenind compatibile cu orice aplicație convențională, operând în paralel și interconectate cu rețeaua electrică.
Istoria celulelor fotovoltaice
Cercetările științifice ale efectului fotovoltaic (fotoelectric) au început în 1839, când fizicianul francez Henri Becquerel a descoperit apariția unor încărcări de purtători de sarcină pozitivi și negativi într-un semiconductor, în momentul în care lumina întâlnește suprafața acestuia. Primele celule fotovoltaice convenționale, produse la sfârșitul anilor ’50 și de-a lungul anilor ’60, erau în principal folosiți pentru a furniza energie electrică sateliților orbitali ai Pământului.
În anii ’70, progresele făcute în producerea, performanța și calitatea modulelor fotovoltaice, au ajutat la reducerea costurilor și au deschis o serie de oportunități pentru alimentarea cu energie a aplicațiilor terestre portabile, incluzând încărcarea bateriilor dispozitivelor auxiliare de navigare, ale echipamentelor de telecomunicații, de semnalizare și alte echipamente ce necesitau un consum redus de energie. În anii ’80, celulele fotovoltaice devin o sursă populară de energie pentru dispozitive electronice de larg consum, incluzând calculatoare, ceasuri, radiouri, lanterne și alte aplicații ce utilizau baterii reîncărcabile de capacități reduse.
Ca urmare a crizei energetice din anii ’70, au început eforturi semnificative pentru dezvoltarea de sisteme electrice bazate pe celule fotovoltaice, pentru uz casnic sau comercial, utilizate atât autonome în zone izolate cât și pentru aplicații interconectate. În aceeași perioadă, aplicațiile internaționale ale sistemelor fotovoltaice la alimentarea cu energie electrică a clinicilor din mediul rural, refrigerare, pomparea apei, telecomunicații și case neracordate la rețeaua electrică, au sporit mult, păstrând o pondere majoră în piața mondială actuală a produselor fotovoltaice.
Astăzi producția mondială de module fotovoltaice crește cu aproximativ 25 de procente anual, iar programele majore din SUA, Japonia și Europa accelerează implementarea sistemelor fotovoltaice în clădiri și interconectarea lor prin rețeaua electrică.
Avantajele celulelor fotovoltaice
Sistemele fotovoltaice au o serie de calități și avantaje unice, față de sistemele clasice sau alte tehnologii neconvenționale de generare a energiei electrice. Independența energetică și compatibilitatea cu mediul sunt două caracteristici atractive ale sistemelor fotovoltaice, combustibilul (lumina solară) este gratis iar funcționarea lor nu generează zgomot sau poluare. Aceste sisteme nu au părți în mișcare, sunt modulare, ușor de extins și chiar de transportat în unele cazuri.
Astăzi modulele fotovoltaice sunt extrem de sigure și fiabile, cu rate mici de defectare și durate de viață de 20-30 ani. Majoritatea producătorilor mari oferă garanții de 20 de ani sau chiar mai mult.
Sistemele fotovoltaice pot fi proiectate pentru o mare varietate de aplicații și necesități, pot fi folosite atât în generarea centralizată cât și distribuită a energiei electrice. În prezent costul ridicat al modulelor și echipamentelor (comparativ cu sursele convenționale de energie) reprezintă principalul factor limitativ pentru această tehnologie. În consecință valoarea economică a acestor sisteme este recuperată după mulți ani. Ținând cont însă de costurile aferente întregului ciclu de viață, soluțiile fotovoltaice sunt mai atractive ca cele clasice, care au un cost inițial mai scăzut, dar care implică costuri de exploatare semnificative.
Sistemele fotovoltaice pot fi de asemenea atractive în zonele rurale unde nu există rețea electrică, deși privind doar din punctul de vedere al recuperării investiției, pot părea uneori neatractive, datorită costurilor mari de instalare. În final se poate spune că implementarea unui sistem fotovoltaic poate aduce multe efecte pozitive, care sunt greu de estimat doar din punct de vedere financiar, dar care fără discuție oferă beneficii economice și sociale semnificative
2. Principiile tehnice de funcționare
Celulele solare (fotovoltaice) sunt compuse din diferite materiale semiconductoare. Semiconductorii sunt materiale care devin conductoare din punct de vedere electric, când sunt alimentate cu lumină sau căldură, dar care funcționează ca izolatori la temperaturi scăzute. Peste 95% dintre celulele solare produse pe piața internațională folosesc drept material semiconductor siliciul (Si). Siliciul, care este al doilea element ca pondere în scoarța terestră, are avantajul de a fi disponibil în cantități suficiente și în plus prelucrarea lui nu afectează mediul.
Pentru a produce o celulă solară, semiconductorul este contaminat sau „dopat”. Doparea constă în introducerea intenționată de elemente chimice, pentru a se obține un surplus de purtători de energie pozitivă (strat semiconductor conducător de tip p) sau negativă (de tip n) în materialul semiconductor, (figura 1.1.). Când materialele semiconductoare de tip n și p vin în contact, electronii în exces se deplasează din zona de tip n în cea de tip p.
Figura 1.1. Schema straturilor semiconductorului
Rezultatul este apariția la interfața dintre cele două zone a unei încărcări pozitive în zona de tip n și o încărcare negativă în zona de tip p. Datorită fluxului de electroni și goluri, cele două componente semiconductoare se comportă ca o baterie, generând un câmp electric în zona comună de contact - așa numita joncțiune p/n. La această joncțiune apare un câmp electric interior care duce la separarea purtătorilor de sarcină produși de lumină.
Câmpul electric determină deplasarea electronilor din semiconductor către suprafața negativă, unde devin disponibili pentru circuitul electric. La același moment de timp, golurile se deplasează în direcție opusă, către suprafața pozitivă, unde așteaptă sosirea electronilor. Prin contactele electrice se poate evacua acest curent către o sarcină electrică. Dacă circuitul extern este închis, adică un consumator este conectat, curentul continuu (DC) astfel obținut circulă prin acesta, lucru descris în figura 1.2
Pentru a descărca acest document,
trebuie să te autentifici in contul tău.
