Conversia Energiei Solare in Energie Electrica [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din Iaşi, Facultatea de Inginerie Electrică, Energetică şi Informatică Aplicată Ingineria Sistemelor Electroenergetice

LUCRARE DE LICENŢĂ ÎNDRUMĂTOR: Prof.univ.dr.ing. ABSOLVENT:

IAŞI, 2011

Conversia energiei solare în energie electrică

2

Conversia energiei solare în energie electrică

Conversia energiei solare în energie electrică

Cuprins Capitolul I 1 Introducere.................................................................................................................5 Capitolul II 2. Importanţa surselor regenerabile............................................................................10 Capitolul III 3. Efectul fotoelectric..................................................................................................21 3.1 Conversia fotoelectrică energie solare..................................................................27 3.2 Electul fotoelectric în homojoncţiune p-n……………………………..……...…27 3.3 Caracteristicile energetice ale fotocelulelor..........................................................30 3.4 Particularităţile heterojoncţiunilor semiconductoare............................................33 3.5 Particularităţile joncţinilor metal-semiconductor.................................................30 3.6 Factori limitativi ai eficienţei celulelor solare......................................................35 3.7 Pierderi de energie datorate recombinarii.............................................................36 3.8 Tipuri de celule solare...........................................................................................37 3.8.1 Celule solare cu siliciu.......................................................................................37 3.8.2 Celulele solare pe bază de sulfură de cadmiu....................................................39 3.8.3 Celulele solare pe bază de GaAs........................................................................40 3.8.4 Celule fotovoltaice cu siliciu cristalin................................................................40 3.8.5 Fotocelule cu siliciu amorf hidrogenat (a-Si:H).................................................41 3.8.6 Celule solare pe bază de CdS.............................................................................43 3.8.7 Celule solare din GaAs………………………………………………...........…44 3.9 Noi tendinţe in fabricaţia celulelor fotovoltaice...................................................45 3.10 Sisteme de utilizare a energiei electrice obţinute prin efect fotovoltaic.............46 3.11 Sistem pentru producerea simultană a curentului continuu si alternative...........47 3.12 Sistem hibrid pentru producerea şi utilizarea simultană a curentului continuu şi alternativ cu ajutorul panourilor fotovoltaice ...................................................47

3

Conversia energiei solare în energie electrică 3.13 Sistem fotovoltaic racordat la reţea.....................................................................49

Capitolul IV 4. Prezentarea instalaţiei din laborator.........................................................................50 4.1 Componentele principale.......................................................................................50 4.2 Sisteme conectate la linia electrică(conectate la reţea)…………….……….........53 4.3 Curbele caracteristice a generatoarelor fotovoltaice..............................................53 4.4 Modul de conectare a celor două module..............................................................58 4.5 Conexiunile electrice între module…………………………………………....…59 4.6 Convenţia semnelor privind curenţii……………………………………..……..…60 4.7 Sistemul de control al transferului de putere între modulele fotovoltaice……..….61 4.8 Specificaţii electrice şi curbele caracteristice…………………………….………..61 4.9 Diagrama electrică a interconexiunilor dintre celule...............................................62 4.10 Determinări experimentale....................................................................................63 4.10.1 Caracteristica curent tensiune a poanoului fotovoltaic........................................63 4.10.2 Funcţionarea în sarcină a instalaţiei de conversie a radiaţiei solare....................67

4

Conversia energiei solare în energie electrică

5

1 Introducere

Energia primită de pământ de la soare a avut o importanţa deosebită în apariţia vieţii. Lumina

soarelui a remaniat atmosfera primitivă a pămantului saracind-o de dioxid de carbon şi îmbogaţind-o în oxigen. Prin fotosinteza, procesul în care lumina absorbită de clorofila este utilizată la sinteza unor compusi organici şi eliberarea simultana de oxigen in atmosfera. Locul şi mareţia soarelui în activitatea terestra sub toate formele sale, i-a conferit de-a lungul timpului statut de obiect venerat. Egiptenii antici aveau o concepţie asupra lumii care plasa soarele în centrul universului. Ei adorau soarele cel mai presus zeu al lor, Ra, despre care afirmau ca a fost creatorul lumii. Aztecii şi celelalte popoare din America Centrala au observat sistematic cerul si puteau să prevada eclipsele solare şi lunare, ciclurile planetei Venus, miscarea aparenta a constelaţiilor şi alte eveniment ceresti. Înca din antichitate omul a utilizat energia solara : Heron din Alexandria a construit un dispozitiv pentru pomparea apei care folosea ca sursa primară de energie soarele ; despre Arhimede se spunea că a incendiat flota grecească folosind oglinzi care au concentrat razele soarelui pe panzele corabiilor. Castelul din Montezuma, din Arizona, construit în jurul anului 700 e.n. sub o intensa boltă de stancă, pare o constructie climatizata utilizând energia solara. Dar conceptul propriu-zis de energie termo – solara a aparut in 1787 cand omul de ştiinta elvetian Horace de Saaussure a inventat primul colector solar. Deşi efectul fotovoltaic a fost descoperit în anul 1839 de catre Edmond Becquerel şi prima celula fotovoltaica a fost patentata in 1884 de un electrician din New York, Charles Edgard Fritts, istoria celulelor fotovoltaice moderne începe abia în anul 1954 cand, Bell Laboratories echipa Chapin, Fuell si Pearson construiesc prima celula fotovoltaica din siliciu. Primele celule fotovoltaice şi-au gasit aplicaţie la alimentarea satelitilor artificiali. Aplicatiile terestre au urmat imediat : la început acestea au fost ce numim azi aplicatii profesionale, furnizand mici cantitaţi de energie unor echipamente de monitorizare si telecomunicaţii. Probabil una dintre cele mai atragatoare aplicaţii a aparut la sfarşitul secolului XX prin integrare celulelor fotovoltaice în elementele de acoperiş şi faţada ale cladirilor, determinand o noua formă de centrala electrică şi anume centrala distribuită. Totuşi este evident ca de-a lungul istoriei omenirea s-a orientat spre utilizarea altor surse de energie : lemn, apă, carbune, petrol. Acest fapt este explicabil datorită tehnologiilor simple şi

Conversia energiei solare în energie electrică

6

accesibile de exploatare a acestora. În plus şi azi mai exista reticiente în a considera energia solară, sursa alternativă globală de energie. Aparent, scepticii au argumente suficient de solide : dependenţa energiei solare de poziţia geografică şi esenţial de condiţiile climatice, discontinuitatea sursei datorită ciclului natural zi – noapte, dependenta de fenomene meteorologice aleatoare. Pe langă aceste fenomene naturale care nu pot fi influenţate, exista o alta categorie de probleme legate de tehnologie care îşi asteaptă rezolvarea : randamentul nu poate fi ridicat de conversie a energiei solare în energie electrică ţi problemă delicată a stocarii acesteia. Ultimele decenii au dus o schimbare radicală în plan concepţional prin conştientizarea necesitaţii unei dezvoltari durabile a vieţii economice şi sociale, promovarea surselor regenerabile de energie fiind considerată un element cheie. Din aceste surse, electricitatea obţinutâ prin conversia energiei solare pare una dintre cele mai promitatoare surse de energie. În prezent, generatoarele fotovoltaice sunt o realitate, ele functionand pe întregul glob şi chiar mai mult sunt unică sursă de energie a sateliţilor şi Statiei Orbitale Internationale. De asemenea în multe ţari se desfasoara programe ample de cercetare şi subventionale pentru a determina preturi atractive de vanzare a energiei electrice obţinute pe cale solara. Atât problema disponibilului de energie şi implicit, a costului ei, cât şi influenţa negativă a industriei energetice asupra naturii, au stimulat un intens efort de cercetare şi inovare în acest domeniu de finalitate asupra solutiilor tehnice de producere şi utilizare a energiei şi în direcţia implicarilor sociale şi chiar etice a consumului de energie. Unul din numeroasele aspecte, poate fi cel mai important, este utilizarea eficienta a energiei, procedeu garantat de reducere a cererii de energie raportată la dezvoltarea economică. Anii scurşi de la prima manifestare cu caracter de criza din energetica mondiala – criza petrolului din 1973 – au fost bine folositi în acest sens de catre ştiinţa, care a reusit să pună la dispozitia consumatorilor tehnologii cu randament energetic sporit şi cu consumuri specifice tot mai reduse. Aspectele enuntate doar, aici, cuprind, în fapt, o problematica foarte largă, complexa şi importantă, care face obiectul stiintei energetice. Energia este un factor indispensabil al oricarei activitaţi a omului în societate, este, în prezent mai scumpă şi mai dificil de obţinut decât în urmă cu un sfert de scol. Această realitate se manifestă, în condiţiile complexe din lumea de azi, prin aspecte noi, atât cantitative, care privesc dimensiunile rezervelor de agenţi energetici, cât şi calitative, prin penetrarea unor surse de enrgie sau procedee de coversie a acesteia. Va puteţi imagina viaţa fară televizor, automobil sau computer, fară posibilitatea de a va pregati zilnic hrana, fară încalzire în timpul rece al anului etc. ? Toate acestea sunt rezultatul

Conversia energiei solare în energie electrică

7

activitaţii creative a savanţilor şi inventatorilor, în special în ultimii 200 de ani. Toate acestea pot să dispară, pe parcursul primei jumataţi a acestui secol, în urma epuizarii drastice a resurselor naturale de combustibili fosili. Cresterea consumului de energie conduce la sporirea continuă a volumului extragerii combustibililor fosili, care asigura azi peste 85% din energia utilizată. În prezent, anual se consumă energie echivalenta a peste 11 miliarde tone de combustibil conventional sau 459 EJ (459 x 10 18 J), din care doar 15,4% este de origine non fosilă. Deoarece populatia pe glob creşte şi concomitent, sporeste gradul de inzestrare cu energie a economiei, aceasta cifra este in continuă crestere, ceea ce va avea consecinte grave. Combustibilii cei mai acceptabili din punct de vedere economic – petrolul si gazele naturale – se presupune ca se vor epuiza în ccca 30-50. Azi cea mai mare parte a energiei necesare pentru consumul zilnic este obtinută prin arderea combustibililor fosili – carbune, petrol şi gaze naturale. Mai multe milioane de ani, descompunerea plantelor şi animalelor a condus la formarea combustibililor fosili care, însa, practic s-au consumat pe parcursul doar a cca.200 de ani. Timp de milioane de ani, pe Terra s-a format atmosfera şi întregul sistem vegetal şi într-o perioadă tot de cca. 200 de ani, doar în special in 100 de ani, mediul a fost serios periclitat şi s-a ajuns in pragul unei catasftrofe ecologice. În anul 1960 s-a produs şi s-a consumat 3000 TWh de electricitate. În 1970 acesta a crescut pana la 6000 TWh. În anul 2000 au fost consumate 150000 TWh. Chiar daca ar fi posibila reducerea la jumatatea a consumului de energie electrică în ţarile industrial dezvoltate şi creşterea, în acelaşi timp a consumului pe cap de locuitor în India, China ssa. Ţari din lumea a 3-a doar cu 25%, cerere globală de energie electrică s-ar dubla fată de cea de azi. Ce surse de energie sunt necesare pentru a satisface aceste cerinţe ? Creşterea producerii energiei electrice prin arderea combustibililor fosili tradiţionali ar periclita şi mai mult impactul ecologic. Speranţa energeticienilor se bazează pe gasirea de noi soluţii şi procedee, care ar satisface necesitaţile de energie ale omenirii în urmatoarele decenii sau secole. În prim plan au fost puse soluţiile legate de energia nucleară, însa, dupa avariile de la centralele Three Miles Island din SUA şi Cernobil din Ucraina, s-a simţit necesitatea elaborarea unor soluţii mai prietenoase mediului. Notiunea de eficienţa energetică (sau optimizarea consumului de energie) a devenit la ora actuală, una din principalele preocupari ale omenirii la nivelul întregului mapamond. Odată cu prima criza petrolieră de la începutul anilor ’70. Societatea umană a început să constientizeze din ce în ce mai mult necesitatea elaborarii unei strategii susţinute de crestere a eficienţei de utilizare a energiei şi de implementare a programelor de eficienţă energetica pe fondul diminuarii îngrijoratoare a rezervelor de combustibil fosili pe ale Terrei. Azi, putem vorbi de o politica energeticâ mondialâ şi de o strategie concentrată de reducerea

Conversia energiei solare în energie electrică

8

emisiilor poluante în atmosferă, fundamentate pe soluţii tehnico-economice concrete de utilizare raţionala a rezervelor de combustibili fosili (care deţin în continuare ponderea principală în producerea de energie) şi de valorificare pe o scara tot mai larga a resurselor energetice regenerabile, aşa numitele energii ‘’curate’’ sau energii neconvenţionale, o alternativă la actualul sistem de valorificare energetica a resurselor combustibile ale Terra. Energiile regenerabile prietenoase mediului nu sunt azi în stare, însa, să acopere aceste necesitaţi mereu crescânde. Aceste două probleme grave – criza energetica şi impactul asupra mediului – reprezintă probleme globale ale omenirii, a caror solutionare cade pe umerii inginerilor. Pentru ca lumea este atât de dependentă de energie, pentru ca majoritatea populatiei Terrei foloseşte combustibili fosili pentru a-şi satisface necesitaţile energetice, fapt ce provoacă un grad înalt de poluare a mediului, apare strictă necesitate de a cauta surse noi de energie durabile şi prietenoase mediului. Vor trebui găsite surse de energie care produc cea mai mica poluare posibilă. Deoarece sursele traditionale de energie utilizate poluează mediul ambiant, energiile regenerabile, practic sunt lipsite de acest efect negativ de poluare al mediului. Diversificare surselor de energie devine un imperativ economic si ecologic. Aceste energii alternative se numesc energii regenerabile. Sursele regenerabile de energie pot fi utilizate atât ca surse centralizate de energie, cât şi, în mare parte descentralizate. Sursele descentralizate sunt deosebit de avantajoase, în special pentru consumatorii rurali sau izolati. În acelaşi timp conform informatiei ONU, cca. 2 miliarde de oameni nu au acces la energia electrică, iar cca. 40 de ţari nu posedă reţele electrice nationale. De asemenea, costul retelei este mai mare în proporţie de 4 : 1 sau mai mult faţa de costul centralelor energetice. Din acest punct de vedere, propagarea surselor descentralizate de energie devine avantajoasă, fiind un element – cheie în programele de electrificare rurală şi de reducere a saraciei în mediul rural. Dintre dezavantajele sistemelor descentralizate de energie se numară instabilitatea functionarii acestor sisteme şi imposibilitatea stocarii şi redistribuirii energiei electrice, retele de distribuţie avand şi rolul de stocare a energiei electrice. Cu o faza clara a politicii şi acţiunilor, prin contribuţia expertilor internationali se configureaza tabloul statutului actual al impactului şi potenţialului de viitor al energiei regenerabile, care conţine aspecte sociale, politice, economice, de mediu si tehnologice. O aţentie aparte se acorda potenţialului energetic, istoriei dezvoltârii şi elaborarii sistemelor de conversie a energiei regenerabile. Azi, Parlamentul European a declarat un semnal clar privind modul de promovare a energiilor regenerabile în UE până în anii 2020, pentru a atinge cota de 25% din energie primara. Privind în perspectivă Freeman Dyson de la Universitatea din Oxford argumentează că schimbarile tehnologice alterează fundamental aranjamentele noastre

Conversia energiei solare în energie electrică

9

etice şi sociale ca 3 tehnologii noi care se dezvoltă rapid energiile regenerabile, ingineria genetică şi comunicarea globală – azi au potenţialul de a crea o distribuţie mai uniformă a sanătaţii globale. Ţarile în curs de dezvoltare care au surse reduse sau inadecvate de petrol şi carbune care de asemenea, pentru rezolvarea unor probleme energetice au defrisat suprafeţe întinse de paduri, sunt puse în situaţia de a utiliza resurse energetice neconvenţionale ca cea solară, hidraulică, eoliană sau combinaţe cu combustibili conventionali pentru o eficienţa mai mare. Costul sporit asociat cu procurarea combustibilului, transportarea lui si mentenanţa motoarelor, cuplate cu dificultatile de cuanticare a costurilor ecologice fac energiile regenerabile o alternativă atractivă la motoarele – generatoare bazate pe arderea combustibilului. Eforturile cercetatorilor sunt orientate tot mai mult spre revitalizarea tehnologiilor existente cu scopul de a reduce consumul de energie şi producerea deseurilor şi de asemenea, utilizarea surselor neconventionale de energie acolo unde este posibil. Dorinţa de a avea procese de producere mai eficientă din punct de vedere a consumului de energie a apărut în special dupa criza energetică din 1970, care a condus la cresterea rapida a preţurilor. Pe parcursul a circa 200 de ani omenirea a creat un complex energetic grandios şi greu de imaginat, care asigura serviciile fundamentale: iluminatul, încalzirea, refrigerarea, transportul, produsele tehnologice etc. Fără energie nu pot fi susţinute standardele moderne de bunăstare, educaţie şi sanatate. Totodată s-a recunoscut că energia modernă este vinovată de apariţia a numeroase probleme de mediu. Va trebui gasit un compromis între cererea crescândă de servicii energetice şi necesitatea acută de a proteja mediul ambiant. Este demonstrat că prin diverse procedee, cantitatea uriaşă de energie, conţinută în atomi şi molecule poate fi eliberată şi utilizată în diverse scopuri, iar în urma desfăşurării acestor procese, materia utilizată ca “sursă de energie”, suferă transformări considerabile. Două dintre cele mai reprezentative exemple ale acestor genuri de transformări sunt producerea energiei electrice prin fisiune nucleară, respectiv explozia focoaselor nucleare, ambele procese reprezentând transformări ale materiei în cantităţi uriaşe de energie. În sistemele termodinamice, reprezentând tipul de sisteme care vor fi studiate în continuare, pot fi întâlnite mai multe forme de energie şi numeroase tipuri de transformare a energiei dintr-o formă în alta. Cele mai importante surse de energie, utilizabile la ora actuală cu tehnologiile disponibile sunt reprezentate de combustibilii fosili, cele mai cunoscute tipuri de asemenea combustibili fiind petrolul şi produsele obţinute din acesta, gazele naturale şi cărbunii. Disponibilităţile energetice actuale se pot împărţi în două categorii şi anume reserve energetice şi resurse energetice. Rezervele energetice sunt surse de energie cunoscute, care pot fi exploatate în contiţii de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente. Resursele energetice sunt surse

Conversia energiei solare în energie electrică

10

de energie cunoscute, care însă nu pot fi exploatate în contiţii de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente, dar care ar putea fi valorificate în viitor, dacă se vor dezvolta tehnologii adecvate, sau dacă vor deveni rentabile în urma creşterii preţului energiei.

2 Importanţa surselor regenerabile

Energia este forţa directoare a societaţii noastre. Problemele importante, precum schimbarile

climatice, dependenţa sporită de petrol şi de alţi combustibili fosili şi creşterea constantă a costurilor de energie determină întreaga civilizaţie să regândească modul în care se produce energia electrica şi cum se consumă. Din acest punct de vedere, sursele de energie regenerabilă reprezintă o parte importantă a soluţie pentru un viitor durabil al energiei. Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăţi umane, din ultimul secol, este creşterea tot mai pronunţată a consumurilor de energie, dar şi dependenţa tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale şi cărbuni. Energia solară este cea mai abundentă resursă energetică de pe pământ şi este disponibilă pentru utilizare în formele sale directe (radiaţie solară) şi indirecte (vânt, biomasă, hidro etc.) Soarele emite energie la o rată de 3.8x1023 kW, din acest total doar o mică parte, aproximativ 1.8x1014 kW este interceptată de pământ care este situat la aproximativ 150 miloane kilometri faţă de soare. Despre 60% din această suma 1.08x1014 ajunge la suprafaţa pământului restul este reflectată înapoi în spaţiu sau absorbite de atmosferă. Chiar dacă doar 0,1% din această energie ar putea fi convertite cu o eficienţă de 0,10% patru ori capacitatea mondială de generare cu un total aproximati de 3000 GW. Privind la ea dintr-un alt mod, totalul anual de radiaţie ce cade pe pământ este mai mult de 7500 de ori din totalul anual de energie primară. Cu toate acestea, 80% din consum la nivel mondial este din combustibili fosili.

Conversia energiei solare în energie electrică

11

Fig. 2.1 Evoluţia energiei la nivel mondial Principalul avantaj al sistemelor de energie regenerabilă este contribuţia intrinsecă nulă la extinderea gazelor cu efect de seră având în vedere că ele nu folosesc combustibili fosili. Un avantaj suplimentar este ‘insensibilitatea’ la preţul combustibililor (“soarele răsare pentru nimic”). Această descreşte costul de funcţionare al sistemelor de energie regenerabile şi reduce riscurile de funcţionare. Chiar dacă prin ardere se biomasei elimină o cantitate de CO 2, această cantitatea este absorbită de aceasta pe durata creşterii sale, bilantul fiind nul. În acelaşi timp aceste tehnologii nu produc deşeuri periculoase, iar demontarea lor la sfârşitul vieţii , spre deosebire de instalaţiile nucleare, este relativ simplă. Dezavantajul major este investiţia iniţială în sistemele de energie regenerabile care adesea este mai mari decât pentru energie convenţională. De exemplu, un sistem cu turbină cu gaz poate fi construit cu 500 EUR/kW, în timp ce pentru o turbină de vânt investiţia este mai mare de 900 EUR/kW. Alte dezavantaje ale energiei regenerabile sunt cerinţele specifice de nepredictabilitatea (imposibilitatea prognozării) puterii generate. Disponibilitatea energiei regenerabile (soare, vânt, apă) determină feazabilitatea sistemelor de energie regenerabilă. Impredictibilitatea resurse regenerabile implică costuri mai mari pentru echilibrarea reţelei electrice şi menţinerea rezervei de capacitate în eventualitatea că vântul scade sau creşte brusc dincolo de zona de funcţionare a turbinelor de vânt. Această problemă este deja întâlnită în zone cu un înalt nivel de penetrare, ca Germania şi Danemarca. Un alt dezavantaj îl reprezintă impactul instalatiilor eoliene asupra peisajului, riscul de contaminare a solului şi al scaparilor de metan la gazeificare, perturbarea echilibrului ecologic de către micro hidrocentrale sunt câteva dintre acestea. Cele mai discutate

12

Conversia energiei solare în energie electrică

inconveniente sunt însa cele legate de suprafaţa de teren necesară şi de intermitenţa şi disponibilitatea lor. În vara anului 2003, a fost una dintre cele mai secetoase verii europene, în ultimii ani mai multe operaţiuni din centralele electrice, care funcţionau pe bază de petrol şi combustibil nuclear au fost puse în pericol din cauza lipsei de apă care folosea la racirea condesnsatoarelor. În alte parţi ale lumii, uragane, tsunami pun în mare pericol centralele nucleare. Un caz concret este cel din 12 martie 2011 din Japonia, Fukushima când în urma cutremurului, sistemul de răcire al reactorului s-a avariat ce a produs întrerupt alimentarea cu energie electrică. Lipsa de petrol sau de gaze naturale poate iniţia crize mondiale şi conflicte în politica internaţională. Mai mult arederea combustibililor fosili de către omenire este cea mai importantă sursă a emisiilor de dioxid de carbon, care este unul din gazele cauzatoare ale efectului de seră, care împiedică dispersarea radiațiilor și contribuie la încălzirea globală. Concentrația de CO2 din atmosferă este în creștere, producând îngrijorare cu privire la gradul de reținere a radiației solare, care va avea ca rezultat creşterea temperaturii medii a suprafeței terestre. Studiile oamenilor de ştiiţă au devenit în ultimii ani din ce în ce mai unanime în a aprecia că o creştere puternică a emisiilor mondiale de gaze cu efect de seră va conduce la o încalzire globală a atmosferei terestre de 2-60 C pâna la sfârsitul acestui secol, cu efecte dezastroase. Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă şi oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde de tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezintă circa jumătate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o creştere permanentă a concentraţiei de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm (parţi la un milion) înainte de dezvoltarea industriala la 360 ppm în prezent. Estimând că la sfârşitul acestui secol populaţia globului va atinge circa 10 miliarde de locuitori, în condiţiile unor drepturi de emisie uniforme pentru întreaga populaţie, pentru a nu depaşi concentraţia de CO2 de 450 ppm în atmosfera, ar fi necesar ca emisiile pe cap de locuitor sa se limiteze la 0,3 tone C/locuitor, ceea ce pentru tarile dezvoltate reprezintă o reducere de 10 ori a actualelor emisii de gaze cu efect de seră . Chiar şi în ipoteza practic a dublării concentraţiei actuale de CO2 în atmosferă, pâna la 650 ppm, emisiile de CO2 în tarile dezvoltate ar trebui reduse de aproape 4 ori. Doar o mică cantitate a combustibililor pe bază de hidrocarburi sunt biocombustibili, adică derivați din dioxidul de carbon din atmosferă, deci care nu contribuie, prin ardere, la creșterea cantității globale de dioxid de carbon. Întreaga lume este din ce în ce mai conştientă de riscurile produceri energiei din combustibili fosili încat este nevoie urgentă de a fundamentaliza bază durabilă. O contribuţie majora la această transformare poate fi aşteptată să vină de la radiaţia solară ca sursă primară în energetică. În mai multe regiuni ale lumi pot fi vazute aceste transformari posibile,

nu

numai

la

nivel

tehnologic,

dar

de

asemenea

la

nivelul

politici.

S-a

13

Conversia energiei solare în energie electrică

efectuat o analiză de energie în conformitate cu nevoile şi resursele de energie pe termen lung care indica faptul că în 2050 şi 2100 o contribuţie majoră în ponderea producerii energiei o aduce energie solară la nivel mondial. Acest scenariu se bazează pe recunoaşterea faptului că este esenţială mutarea pe lucruri de o durabiliate mare în înreaga lume, pentru a proteja sistemele naturale de viaţă. Desigur această nouă era solară poate fi imaginată în principal de progresele imense tehnologice facute în secolul trecut şi cele în curs de desfaşurare. Până în 2100, petrol, gaze naturale, cărbunele şi energia nucleară va oferi mai puţin de 15% din energie

la

nivel

mondial,

în

solare şi fotovoltaice va furniza aproximativ 70%.

timp

timp

ce consumul energiei

termice

Unul din efectele dezvoltării tehnologice a

întregii societăţi umane, din ultimul secol, este creşterea tot mai pronunţată a consumurilor de energie, dar şi dependenţa tot mai accentuată a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale şi cărbuni. Având în vedere caracterul limitat al acestor tipuri de combustibili, pe plan internaţional au fost create numeroase organizaţii pentru studierea fenomenelor legate de evoluţia consumurilor şi rezervelor de combustibili fosili. Cea mai prestigioasă organizaţie de acest tip este The Association For The Study Of Peak Oil And Gas (ASPO). Asociaţia pentru Studiul Deficitului de Petrol şi Gaze Naturale. Această asociaţie se autodefineşte ca fiind reţea de oameni de stiinţă şi alte categorii de persoane, interesaţi de identificarea informaţiilor şi impactului produs de deficitul petrolului şi gazelor naturale. ASPO defineşte deficitul de petrol “peak oil” ca fiind diferenţa dintre cantitatea de petrol extrasă (producţia) şi cantitatea de petrol nou descoperită. Analog este definit deficitul de gaze naturale. În luna decembrie 2005, ASPO anunţă că prin măsuri de reducere a consumurilor, respectiv a producţiei, nivelul deficitul de petrol înregistrat în anul 2004 mai poate fi menţinut sub control o perioadă de numai 1-2 ani, dar este iminentă o criză ireversibilă a petrolului si a gazelor naturale.

Fig. 2.2 Evoluţia producţiei de petrol si a noilor rezerve descoperite. ASPO 2004.

Conversia energiei solare în energie electrică

14

Destul de semnificativ, pentru deficitul actual al petrolului este faptul că în 10 noiembrie 2005 ASPO a anunţat că în Kuweit, după şase decenii de exploatare intensivă, cel mai important camp petrolier din această ţară si al doilea din lume, a inceput să dea semne evidente de reducere a rezervelor de petrol pe care le conţine. Acest fapt a fost recunoscut si de Kuweit, în martie 2006. Pentru a se putea continua exploatarea acestui al doilea zăcămant al lumii, s-a impus reducerea producţiei de la 2 milioane de barili pe zi, la doar 1,7 milioane de barili pe zi, după ce a trebuit abandonată o tentativa de a stabili nivelul producţiei la 1,9 milioane de barili pe zi, nivel al producţiei care s-a dovedit a fi prea ridicat. Datorită existenţei actualului deficit, pentru următoarea perioadă este estimată o reducere constantă a producţiei de petrol, începand cu anul 2010, aşa cum este indicat în figura 2.2. Creşterea consumului în perioada 2006 – 2010 poate fi explicată numai prin faptul că este necesar să treacă o perioadă de timp pană cand în economie, se vor putea lua măsuri eficiente de reducere a consumurilor.

2.3 Evoluţia estimată a producţiei mondiale de petrol. ASPO 2006 În condiţiile prezentate, apare ca explicabilă continuă creştere a preţului petrolului din ultima perioadă, aşa cum se observă în figura de mai jos:

Conversia energiei solare în energie electrică

15

2.4 Evoluţia preţului petrolului în perioada 1996 - 2005. ASPO 2006. Spre deosebire de criza petrolului de la sfarşitul anilor ’70, încheiată cu scăderea preţului petrolului, se estimează că actuala tendinţă crescătoare a preţului este continuă şi ireversibilă, iar impactul pe care acest preţ îl va avea asupra economiei mondiale este dificil de estimat, dar va fi cu siguranţă unul extrem de important. Analizand aceste estimări, se observă că timpul extrem de scurt, rămas pană la epuizarea resurselor existente, cel puţin in cazul petrolului şi a gazelor naturale, impune găsirea unor soluţii rapide şi eficiente de înlocuire a energiei care se va putea produce pană atunci cu ajutorul acestor combustibili. Aceste soluţii sunt cu atât mai necesare cu cât consumurile de energie ale economiei mondiale sunt în continuă creştere şi nu se estimează o reducere a acestor consumuri în viitorul apropiat. Pentru rezolvarea acestei probleme, singura soluţie previzibilă este reprezentată de utilizarea energiilor regenerabile. O altă problemă majoră a producerii energiei din combustibili convenţionali, este reprezentată de nivelul ridicat al emisiilor de CO2, datorate proceselor de producere a energiei. Aceste emisii contribuie la accentuarea efectului de seră şi la accelerarea modificărilor climatice conexe acestui fenomen. În figura 2.4, este prezentat nivelul acestor emisii.

Fig.2.5 Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferă Analizând acest grafic, se observă că de la începutul epocii industriale, până în prezent, nivelul emisiilor de CO2, a crescut cu peste 30%. Pentru a justifica importanţa problemei emisiilor de CO2, sunt prezentate în figura de mai jos valorile pagubelor produse din cauze naturale în perioada ianuarie - septembrie 2002, iar în figura 2.5, valorile pagubelor produse datorate modificărilor climatice, în perioada 1950 - 1999.

Conversia energiei solare în energie electrică

16

Fig.2.6 Valorile pagubelor produse din cauze naturale în ianuarie - septembrie 2002. Se observă că pagubele produse de furtuni şi inundaţii, care au legătură cu modificările climatice, sunt mult mai mari decat pagubele produse de cutremure, sau de alte evenimente. Este evident că modificările climatice din ultimii ani, caracterizaţi printr-un nivel crescut al emisiilor de CO2, au produs mult mai multe pagube decât în perioadele caracterizate de un nivel mult mai redus al poluării. Chiar daca nu demonstrează că emisiile de CO2 sunt responsabile de nivelul ridicat al pagubelor datorate modificărilor climatice, cele două grafice sugerează că este foarte posibil să existe o corelaţie între nivelul ridicat al emisiilor de CO2 şi modificările climatice, cu impact negativ asupra mediului. Una din cele mai eficiente soluţii pentru reducerea nivelului emisiilor de CO2, îl reprezintă utilizarea energiilor regenerabile, caracterizate printr-un nivel extrem de redus al acestor emisii. Concomitent omenirea se confruntă cu alte probleme legate direct cu energetica – probleme ambientale sau de protecţie a mediului. Mai întai criza ‘’Waldstreben’’ – moartea padurii, care a lovit europa începand cu anul 1982, cauzată mai cu seama de centrale termoelectrice, care ardeau carbuni. Poluarea atmosferei cu oxizi de azot NOx şi de sulf SO2 provoaca aşa – numitele ploi acide, care influenţează negativ asupra padurilor. Apoi urmează în 1986 explozia de la centrala nucleară Cernobal din Ucraina, în urma careia un nor radioactiv se răspândeşte peste o mare parte din Europa. ‘’Sindromul Cernobil’’ a cauzat o revizuire a politicii în domeniul energeticii nucleare, urmează o stagnare şi chiar o recesiune. În ianuarie 1999 sub presiunea Partidului Ecologist, Guvernul Germaniei elaboreaza un proiect de lege cu privire la închiderea tuturor staţiilor electrice nucleare. O relansare a sectorului energetic nuclear poate avea loc numai după o schimbare radicală a opiniei publice, majorarii fiabilitaţii reactoarelor şi rezolvarii problemelor de reciclare a deseurilor radioactive. O alta realitate dură constă în poluarea atmosferei cu gaze cu efect de seră. Efectul de seră atmosferic este provocat de bioxidul de carbon, metan, vapori de apă şi de alte gaze practic transparente la lumina vizibilă, dar absorbind radiaţiile infraroşii, se comportă ca un filtru

Conversia energiei solare în energie electrică

17

unidirectional – ele permit intrarea luminii vizibile, dar împiedică ieşirea radiaţiilor infraroşii în direcţia opusă, provocând o încalzire a suprafeţei globului. Acest fenomen nu are un caracter regional, ci global. Intamplator sau nu, dar în vara anului 1998 staţiile meteorologice ale SUA fixează cea mai mare temperatura a aerului din ultimii 123 de ani de când se efectuează masuratori meteorologice. Acest fenomen este fixat şi în Romania – în august 1998 când se inregistrează cea mai înaltă temperatură în ultimii 112 ani – egală cu 380 C. Evenimentele descrise mai sus demonstrează ca energia şi mediul nu pot fi privite izolat şi că protecţia mediului este un criteriu de evaluare a politicilor energetice viitoare. Astfel apare ecuaţia celor 3 E : energy, economy, enviroment. Rezolvarea reusită a acestei ecuaţii înseamnă o dezvoltare economică armonioasă şi durabilă. Noţiunea dezvoltare economică durabila a intrat în uzajul contemporan la Conferinta De Janeiro în 1992, la care a fost adoptată Convenţia Cadru asupra Schimbarilor de Climă. Convenţia a fost semnată de mai bine de 160 de ţari, inclusiv şi Romania. Ea stipulează un şir de măsuri pentru a stabiliza concentratiile de gaze cu efect de seră în atmosfera şi o eventuală o reducere a acestora. Prin dezvoltarea durabilă trebuie înteles un proces al dezvoltarii economice, care va avea ca rezultat o îmbunataţire a nivelului de viaţa al omenirii, fară a se deteriora ecosistemul planetei noastre. Aceasta înseamnă o folosire ordonată a resurselor naturale pentru care fiecare membru al omenirii sa aibă porţia sa de mediul curat, precum şi obligaţia sa de a se stradui, să-l îmbunataţească pentru a asigura copiilor săi o şansă decât a avut-o. Componentele principale ale unei politici pentru o dezvoltare durabilă sunt clar definite : •

reducerea dependenţei de petrol ;

•

promovarea resurselor regenerabile de energie ;

•

conservarea solului ;

•

protejarea sistemelor biologice ale pământului ;

•

reciclarea materialelor.

La aceeaşi conferinţa de la Rio de Janeiro a fost pusă în discuţie şi problema costului poluarii mediului înconjurator. În vocabularul modern electro-energetic efectul de poluare a mediului a fost numit impact asupra mediului. Mai târziu, în decembrie 1995 la Lisabona în Protocolul Cartei Energiei privind eficienţa energetică şi aspecte asociate legate de mediu, impactul asupra mediului a fost definit astfel : ‘’impactul asupra mediului înseamna orice efect asupra mediului cauzat de o activitate data inclusiv asupra sanataţii şi sigurantei oamenilor, florei, faunei, solului, aerului, climatului, peisajului şi monumentelor istorice sau al altor structuri fizice, sau asupra interacţiunii acestor factori; el include de asemena, efecte asupra moştenirii culturale sau condiţiilor socio-

Conversia energiei solare în energie electrică

18

economice rezultate din degradarea acestor factori’’. Costul pentru protecţia mediului reflectă investiţiile necesare pentru limitarea sau reducerea poluarii şi se numesc costuri de mediu sau costuri externale. Problemele legate de impactul asupra mediului devin obiectul discuţiilor la nivel mondial şi regional. Pentru a evalua gravitatea problemei şi pentru a ajuta pe cei care elaborează strategii în domeniul energiei ONU a format în anul 1988 Comisia Interguvernamentala pentru Modificarii Climaterice, care cuprinde mai mult de 150 de oameni de ştiinţa din toată lumea. Din cele mai importante rezultate ale lucrarilor mentionam adoptarea Protocolului un şir de state au luat angajamente de a limita sau micşora emisia de gaze cu efect de seră. Actiunea angajamentelor a intrat în vigoare începand cu anul 2008. Avand în vedere că energia regenerabilă nu produce deloc poluare sau foarte puţin, utilizarea crescandă a resurselor regenerabile de energie va contribui atât la siguranţa şi diversificarea surselor de aprovizionare, cât şi la protecţia mediului. Pe termen lung ele vor constitui sursa principală de energie care va fi mentinută. În prezent exista condiţii de promovare a patrunderii surselor regenerabile de energie. Conversia, consumul şi conservarea energiei. Una din legile fundamentale ale fizicii este legea conservarii energiei : în procesele fizice, energia nu poate fi distrusă sau diminuată, ea poate fi doar convertită (transformată) dintr-o formă de enegie în alta. În acest context apare întrebarea : ce este energia primară şi consumul de energie? Consumul de energie presupune urmatoarele : se converteşte energia chimică stocată în carbune, petrol, gaze naturale, lemne sau energia stocată în nucleul atomic, sau energia cinetică şi gravitaţională a apei, sau energia cinetică a vântului, sau energia radiaţiei solare în caldură şi lumina pentru locuinţele noastre. În energie electrică pentru a pune în mişcare maşinile, uneltele, în energie cinetică pentru a mişca vehiculele. Astfel spus consumul de energie este echivalent cu conversia energiei. Conservarea energiei nu înseamnă altceva decât producerea mai multor bunuri materiale şi prestarea mai multor servicii convertind o cantitate mai mică de resurse energetice primare în caldură, energie electică, lumina (energie electromagnetică) etc.. Cantitatea de energie primară este de circa 3 ori mai mare decât energia electrică produsă. Energia utilă este cu mult mai mică decât energia electrică produsă. Energia primară constituie toata energia conţinută în sursa originală. În prezent sursele principale originale sunt combustibilii fosili (carbunele, petrolul şi gazele naturale), biocombustibili – lemne de foc, deseuri lemnoase, deseuri agricole, balegar etc.. Aici se poate adauga energia hidraulică şi geotermală şi alte surse regenerabile de energie cum este cea solară şi eoliană, precum şi energia nucleară. Consumatorul este interesat în satisfacerea necesitaţilor energetice – să aiba energie termică pentru încalzire şi

Conversia energiei solare în energie electrică

19

prepararea bucatelor, energia electrică pentru iluminat, transport şi producerea bunurilor materialelor. Pentru un consumator este esentială cantitatea de energie livrată, forma de energie utilă de care are nevoie, valorile pierderilor de energie şi costurile energiei livrate. Pentru sistemele bazate pe surse fosile de energie, cele mai mari pierderi se îinregistreaza la producerea energiei electrice (cca. 66%), urmate de pierderile în retelele de transport şi distribuţie şi pierderile la consumator. Ultimele pot fi destul de mari, daca randamentul consumatorului este mic. De exemplu, pentru un bec cu incandeşcenţă, eficienţa globala a conversiei energiei este egală doar cu 1,5% ; astfel spus, dintr-o sută de unitaţi de energie primară se folosesc util numai 1,5 unitati, celelalte 98,5 unitati provoaca poluare termică si cu gaze cu efect de sferă al atmosferei. Statisticile naţionale şi internaţionale publică date cu privire la producerea şi consumul diferitelor tipuri de surse energetice. Datele sunt prezentate atat în unitaţi de masură naturale, cât şi unitaţi de masură conventionale. La efectuarea calculelor economice, determinarea eficienţei energetice şi consumului specific de energie etc.. Se operează cu noţiunea ‘’consum de resurse primare de energie’’, care înclude toate formele de energie consumată – fie combustibil, energia electrică sau termică obţinută din surse fosile, energia electrică nucleară sau hidraulică, energia diferitelor tipuri de biomasă, energia geotermală, solară, eoliană etc.. Pentru producerea energiei electrice în centralele electrice termice (CET : energia combustibului fosil se transforma în energie termică a aburului, apoi în energie mecanică şi în sfarşit în energie electrică) se determină ca rezultat al înmultirii cantitaţii de energie electrică produsă la 3 sau al împarţirii la 0,33 care de fapt este randamentul mediu al CET-ului ; contribuţia energiei primare hidraulice eoliene sau alte surse regenerabile la producerea energiei electrice se consideră echivalentă cu cantintatea de energie electrică. Alfel spus în cazul producerii energiei electrice din surse regenerabile nu se ia în consideratie randamentul procesului de conversie. Evident, şi în cazul al doilea, valoarea randamentului procesului de conversie al energiei solare are o importanţa majoră. Cu cat este mai mare randamentul, cu atât costul unei unitaţi de energie electrică produsa va fi mai mic. Şi în acest caz, eficienţa globală a conversiei energiei se determină ca fiind raportul dintre energia utilă şi energia primară solară incidentă pe suprafaţa modulului celulei fotoelectrice. Energia utilă este relativ mai mare decât în cazul utilizarii energiei primare fosile. Convenţia de tratare a noţiunii de energie primară acceptata mai sus urmareşte să accentueze faptul că la producerea unei unitaţi de energie electrică dintr-o sursa regenerabilă, se va cheltui aceeaşi unitate de energie primară care circulă în mediul ambiant şi care nu schimbă echilibrul natural.

Conversia energiei solare în energie electrică

20

Conform celor mai optimiste prognoze efectuate de Oil & Gas Jurnal, World Oil aceste rezerve de combustibil fosil vor ajunge pentru urmatoarele perioade : 32 de ani – petrol, 72 de ani – gas, 252 ani carbune. Calculele au fost efectuate pentru un consum zilnic constant de combustibili, raportat la anul 2002. Gazul natural este considerat cel mai favorabil mediu dintre combustibilii fosili si ar putea fi partial o solutie a problemei incalzirii climei si poluarii atmosferei. Un domeniu de perspectiva privind utilizarea gazului natural in viitor ar putea fi obtinerea mai eficienta a hidrogenului din metan (CH4), necesar pentru functionarea pilelor de combustie, care vor inlocui treptat motoarele cu ardere interna.

Ef

3 ectul fotoelectric Efectul fotovoltaic constă în producerea unui curent electric ca urmare a absorbţiei radiaţiei

electromagnetice(fotoni). Acest efect cunoaşte aplicaţii importante în semiconductori, unde generarea de purtatori de sarcină liberi (electroni, goluri) este semnificativă în raport cu numarul purtatorilor generaţi termic. Daca în semiconductor exista un câmp electric intens (ca în cazul jonctiunilor n-p în siliciu) atunci electronii generaţi ca urmare a absorbţiei radiaţiei (fotoelectroni) vor fi condusi într-un circuit exterior, generându-se, astfel, energie electrică. A. E. Becquerel descoperit efectul fotovoltaic în anul 1839, la iradierea unor electrozi de argint în electrolit, si descris de W. Adams si R. Day pentru electrozi de seleniu în 1877. Târziu, dupa descoperirea tranzistorului (1948) şi elaborarea teoriei Shockley (1949), s-a realizat prima celulă solară cu randament de 6% (D.M. Chapin, C.S. Fuller si G.L. Pearson, de la Bell Laboratories – SUA, 1954). Pâna în anul 1973 (prima criză a petrolului) celulele solare s-au utilizat mai mult în aplicaţii spaţiale. Pâna la începutul anilor ’90 producţia mondială de celule solare (aproximativ 50 MW/an) era complet nesemnificativă la nivelul consumului de electricitate global. Materialele semiconductoare policristaline cu structura calcopiritica au o largă utilizare în heterojonctiuni pentru fabricarea celulelor solare. Interesul pentru acest tip de materiale a aparut datorită proprietaţilor lor optice - în special absorbţia optică – astfel încât, grosimi de strat de ordinul a 1µm sunt suficiente pentru absorbţia eficientă a luminii solare şi pentru obţinerea unor eficienţe de conversie comparabile cu cele ale celulelor solare cu siliciu monocristalin. Economia de material ce rezultă de aici, combinată cu procedee tehnologice pretabile la obţinerea de suprafeţe mari, duc la reduceri

Conversia energiei solare în energie electrică

21

esenţiale ale costurilor de fabricaţie pentru celulele şi modulele solare, condiţie obligatorie pentru aplicarea pe scară largă a conversiei fotovoltaice a energiei solare. Exceptând sursele nucleare de energie, toate celelalte surse de energie de pe planeta noastră îşi au originea în energia solară. Centralele termice cu combustibili fosili, centralele hidroelectrice, generatoarele eoliene şi centralele utilizând energia mărilor şi oceanelor convertesc indirect energia solară în energie electrică. Lumina directă a soarelui este cea mai abundentă sursă de energie de pe glob. O parte este absorbită de atmosferă şi se regăseşte sub forma energiei eoliene, dar în medie 1.353 kW/m2 din această energie cade pe suprafaţa pământului, bineînţeles cu valori mai mari la ecuator şi în zone deşertice. Utilizarea directă a energiei solare se face de mult timp folosind captatoare solare cu sau fără concentratoare pentru încălzirea apei, pentru încălzirea aerului, pentru topirea metalelor, pentru uscarea diferitelor produse agricole sau industriale şi pentru producerea de energie electrică în centrale termice solare. Este cunoscută legenda cu oglinzile lui Arhimede, cu care ar fi incendiat corăbiile inamice. Există state, Israelul, SUA, Australia şi Japonia, care au montate milioane de captatoare solare fiecare, pentru producerea apei calde. Există multe central termice solare care produc energie electrică, cu puteri de sute de MW fiecare, dar costul energiei electrice produse nu a putut fi scăzut sub 10 cenţi pe kWh faţă de 5 cenţi în centralele electrice clasice Dar cea mai interesantă cale de utilizare a energiei solare este conversia ei directă în energie electrică. Există mai multe modalităţi de utilizare directă a energiei solare: conversia fotovoltaică, conversia termoelectrică şi conversia termoionică. Dintre acestea, conversia fotovoltaică se pare că are cele mai mari posibilităţi de a deveni o tehnologie alternativă la modul clasic de producere a energiei electrice în condiţiile actualei crize energetice. Celula fotovoltaică a fost salvată de la obscuritate de cursa spaţială Statele Unite – Uniunea Sovietică din anii ’60. În scopul găsirii unui mod practic de alimentare cu energie electrică a sateliţilor, s-au alocat fonduri importante de cercetare şi firme ca: Texas Instruments, RCA şi Heliotek au reuşit să scadă preţul acestor celule fotovoltaice de peste 10 ori. Criza energetică din anii ’70 a adus multe miliarde de dolari în progresul acestei tehnologii fotovoltaice (FV), pentru a o folosi şi în aplicaţii terestre. În anii ’80 erau larg răspândite în staţii ţi relee telefonice, în faruri izolate şi cabine telefonice rutiere etc., deşi costul unui kWh produs încă nu a scăzut sub 20 cenţi. Au crescut vânzările de celule fotovoltaice de la 6 MW în 1980 la 29 MW în 1987 şi 60 MW în 1983. În prezent marea majoritate a ceasurilor de mână şi a calculatoarelor de buzunar din lume au o astfel de sursă de energie. Un nou avânt al acestei industrii este iminent:

Conversia energiei solare în energie electrică

22

electrificarea rurală în ţările lumii a treia. La Congresul Mondial al Energiei din 1995 de la Tokio s-a afirmat că 40% din populaţia actuală a lumii nu are nici un acces la o energie comercială, populaţie aflată în ţările subdezvoltate ale lumii a treia. Guvernele acestor ţări în loc să subvenţioneze extinderea reţelelor electrice clasice spre zonele rurale, industria lor energetică nefiind competitivă cu a ţărilor dezvoltate, ar putea găsi mai eficientă tehnologia FV, ceea ce ar echivala cu o revoluţie în domeniul energetic. Există lanterne solare care folosesc un panou solar de 2.6 W pentru încărcarea unei baterii pe timpul zilei şi care poate aprinde două lămpi fluorescente pe timpul nopţii. Acest produs este accesibil ca preţ şi familiilor cele mai sărace. Utilizarea sistemelor electrice solare în gospodăriile rurale creşte şi în ţările industriale. Astfel un sistem FV de 2500W – suficient pentru a alimenta iluminatul, maşina de spălat, frigiderul, radioul, televizorul şi computerul unei locuinţe costă mai puţin de 15000 de dolari, inclusiv panoul fotovoltaic, becuri, cabluri, baterie de înmagazinare a energiei şi instalaţia de reglare. Norvegia avea în 1993 peste 50000 de case rurale alimentate cu celule fotovoltaice şi o situaţie similară se întâlneşte în Japonia, Spania, Elveţia şi SUA.În Germania se derulează programul celor 100000 de acoperişuri solare. În Israel pot fi văzuţi stâlpi de iluminat stradal echipaţi cu mici panouri solare, care ziua acumulează energie electrică şi noaptea asigură iluminatul stradal. Japonia intenţionează să asigure 30% din consumul rezidenţial de instalaţii fotovoltaice (250 MW în anul 2000 şi 4600MW în anul 2010), Germania 10% până în anul 2010, SUA 15% din consumul rezidenţial până în 2010 şi 100% în următorii 25-40 de ani după 2010. Reducerea costurilor celulelor fotovoltaice este aşteptată în continuare şi ca urmare o mai largă utilizare a acestei tehnologii. Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe material semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspandit în scoarţa terestră, reprezentand 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.de valenţă pentru că acestia 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 acestia, sunt capabili să transmită electronilor de pe banda de valenţă, energia necesară pentru a depăsi “bariera energetică” şi a trece pe banda de conducţie. Acest fenomen se produce in celulele fotovoltaice. Soarele reprezintă sursă de energie a Pamântului, contribuind la menţinerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K întâlnită în spaţiul interplanetar şi este singura sursă de energie capabilă să întreţină viaţa pe Pământ. Soarele poate fi considerat ca o sferă având diametrul de cca. 1.4 milioane km aflată la o distanţă de cca. 150

Conversia energiei solare în energie electrică

23

milioane km de Pământ. Această distanţă este atât de mare încât două drepte care pornesc dintr-un punct de pe suprafaţa Pământului spre două puncte diametral opuse ale discului solar, formează un unghi de aproximativ o jumătate de grad. Cu toate că radiaţia solară este emisă în toate direcţiile, se poate considera că razele solare care ajung la suprafaţa Pământului sunt paralele. În miezul Soarelui se desfăşoară în continuu reacţii de fuziune nucleară, prin care hidrogenul este transformat în heliu. În prezent compoziţia masică a Soarelui este de cca. 78.5% hidrogen, 19.7% heliu, 0.86% oxigen şi alte elemente în concentraţii mai reduse. Viteza de conversie a hidrogenului în heliu este de cca. 4.26 milioane tone pe secundă. Acest debit de substanţă se transformă în mod continuu în energie. Se estimează că în acest ritm, în următorii 10 milioane de ani, se va consuma cca. 1% din cantitatea actuală de hidrogen, deci nu există un pericol iminent de epuizare a sursei de energie a Soarelui. Durata de viaţă a Soarelui este estimată la cca. 4…5 miliarde de ani. Intensitatea radiaţiei solare care ajunge la suprafaţa pământului este mai mică decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 km, chiar şi în condiţii de cer senin, intensitatea radiaţiei solare este redusă treptat pe o direcţie perpendiculară la suprafaţa Pământului, cu cca. 15…30% in funcţie de perioada din an. În anul 1921 fizicianul Compton a confirmat pe deplin teoria cuantelor de limină prin observarea fenomenului de difuzie a fotonilor din razele X pe electroni. În anul 1927 el a primit preminul Nobel în Fizică pentru descoperirea efectului cuantic care îi poartă numele. El a determinat mişcarea unui foton înainte şi după ciocnirea lui cu un electron, arătând că fotonul are impuls şi energie. Dispozitivul experimental utilizat de Compton, constă dintr-o sursă de raze X care emite radiaţie spre un bloc de grafit. Se obţine o radiaţie difuzată sub un anumit unghi, θ, ce este captată de un detector. Razele incidente au lungimea de undă λ. Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiaţiei solare, la traversarea atmosferei, sunt în principal absorbţia şi difuzia. Modificările produse de atmosfera, asupra radiaţiei solare, sunt sugerate în figura 3.1.

Conversia energiei solare în energie electrică

24

Fig 3.1 Schema interacţiunilor dintre energia solară şi atmosfera, respectiv suprafaţa terestră Chiar şi în condiţii de cer senin, radiaţia care ajunge la suprafaţa Pământului, din toate direcţiile în urma fenomenului de difuzie, denumită şi radiaţie difuză, reprezintă 5…15% din valoarea fluxului de radiaţie solară care ajunge la suprafaţa Pământului fără a fi afectată de acest fenomen, denumită radiaţie directă. Împreună, radiaţia directă şi cea difuză, reprezintă aşa numita radiaţie totală. În timp ce traverseză atmosfera, radiaţia solară este parţial absorbită de anumite gaze coponente ale acesteia, în special pe anumite lungimi de undă. Difuzia este fenomenul fizic în urma căruia, anumite forme de radiaţie, cum sunt lumina, sunetul sau particule în mişcare, sunt determinate să devieze de la traiectoria rectilinie, de una sau mai multe neuniformităţi (imporităţi) localizate în mediul pe care acestea îl traversează. Uzual, radiaţia difuză include şi radiaţia deviată faţă de unghiul determinat de legile reflexiei. Radiaţia Rayleigh (denumită astfel după fizicianul englez Lordul Rayleigh) este difuzia elastică a luminii sau altor forme de radiaţie electromagnetică, determinată de particule cu dimensiunea mult mai mică decât lungimea de undă a acelei radiaţii, care pot fi reprezentate de atomi sau molecule individual. Acest tip de difuzie se poate manifesta când lumina traversează solide şi lichide, dar este cel mai adesea întâlnită în gaz. Radiaţia Rayleigh este influenţată de polarizarea electrică a particulelor. Difuzia Rayleigh produsă de atmosferă asupra radiaţiei solare, este responsabilă de culoarea albastră a atmosferei. Difuzia Rayleigh împreună cu difuzia datorată norilor, reprezintă componente ale radiaţiei difuze. Radiaţia directă este acea componentă a radiaţiei totale care ajunge la suprafaţa pământului, fără a fi afectată de fenomenele de difuzie.

Conversia energiei solare în energie electrică

25

Atmsofera terestră absoarbe aproape complet radiaţia X şi o mare partye din radiaţia ultraviolet (UV). Unele componente ale atmosferei (vapori de apă, O2, CO2, şi alte gaze) contribuie la absorbţia parţială a radiaţiei solare. În general, radiaţia absorbită este transformată în căldură, care este retransmisă în atmosferă sub formă de radiaţie difuză, în toate direcţiile. Prin acest proces, atmosfera se încălzeşte şi produce la rândul ei o radiaţie cu lungime de undă mare, denumită radiaţie atmosferică sau radiaţia bolţii cereşti. În figura 3.2 sunt prezente variaţia intensităţii radiaţiei totale, respectiv a componentelor directă şi difuză, măsurate la Cluj-Napoca, în data de 17 octombrie 2010, în condiţii de cer senin.

17.10.2010 : Timp[ora]

Fig. 3.2 Variaţia intensităţii radiaţiei totale Pe lângă cele două fenomene de difuzie şi absorbţie, o parte a radiaţiei solare este reflectată de atmosferă sau de unele componente ale acesteia (molecule de aer sau anumite tipuri de nori). În urma reflexiei, o altă parte a radiaţiei solare este disipată prin mecanismul difuziei Rayleigh. Datorită mecanismelor de difuzie, absorbţie şi reflexie prezentate, în condiţii de cer senin şi fară poluare, în zonele din Europa de vest, centrală şi de est, de regulă valoarea radiaţiei solare măsurate în plan orizontal nu depăşeşte 1000 W/m2. Intensitatea radiaţiei solare este influenţată de următorii parametrii importanţi: poziţia Soarelui pe cer (unghiul dintre razele solare şi planul orizontal), unghiul de înclinare a axei Pământului, modificarea distanţei dintre Pământ şi Soare. În figura de mai jos este reprezentată variaţia intensităţii radiaţiei solare în funcţie de poziţia Soarelui, adică unghiul format de direcţia razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situaţii atmosferice.

26

Conversia energiei solare în energie electrică

Fig.3.3 Variaţia intensităţii radiaţiei solare în funcţie de direcţia razelor solare,

pentru

diferite

situaţii

atmosferice

3.1 Conversia fotoelectrica a energiei solare: Transformarea directă a energiei radiate solare în energie electrică are loc prin intermediul unor fenomene care se produc în structura cristalină a unor corpuri solide, în urma absorbţiei fotonilor care compun radiaţia incidenă, fenomene care constituie efectul fotoelectric, se deosebesc: •

Efectul fotoelectric intern, manifestat la unele metale, constand în extragerea electronilor de conducţie din metal

•

Efectul fotoelectric intern, contretizat în generarea de purtători de sarcina (electroni şi goluri) în interiorul unor material semiconductoare. Cercetările teoretice şi experimentale au aratat că, pentru conversia energiei la scară mare,

prezintă interes numai efectul fotoelectric intern. Dispozitivele realizate pentru utilizarea acestui fenomen se numesc celule solare(fotoelectrice, fotovoltaic). Din punct de vedere structural, celulele fotoelectrice sunt formate din două zone, realizănd o jonctiune, care poate fi de mai multe tipuri: •

homojoncţiune, în care cele două zone sunt formate din accelaş material semiconductor, avănd tipuri de conducţie diferiteş;

•

heterojoncţiune, în care cele doua zone sunt formate din material semiconductor diferite, avănd de asemenea tipuri de conductive diferite:

•

joncţiune metal-semiconductor(celulă Schottky)

•

jonctiune electrolid-semiconductor.

Principalele fenomene care formează conversia fotoelectrică se pot explica cel mai simplu în cazul homojoncţiuni semiconductoare.

3.2 Electul fotoelectric în homojoncţiune p-n: Se consideră o structură formată din două zone, cu conducţie de tip p şi n. Deşi ambele zone, în ansamblu, sunt neutre din punct de vedere electric, ele conţin purtători de sarcină liberi, de ambele

27

Conversia energiei solare în energie electrică

semene, dar în proportii diferite, purtătorii majoritari atribuind si denumirea zonei respective (electroni pentru zona n şi golurile pentru zona p). Datorită agitaţiei termice, purtătorii de sarcină difuzează, trecănd prin joncţiune, ceea ce este echivalent cu circulaţia unor curenţi prin aceasta. Difuzia purtătorilor majoritari crează, pe o anumită distanţă de la joncţiune, căte un strat de sarcini electrice de aceleaşi semn (- în zona p si + în zona n), numit strat de baraj, ca urmare aparănd o barieră de potenţial de înalţime Ei şi un camp electric orientat în n spre p. Acest camp electric frănează difuzia în continuare a purtătorilor majoritari şi favorizează circulaţia purtătorilor minoritari. În prezenţa barierei de potenţial, intensităţile curenţilor care circulă prin joncţiune se pot exprima, în principiu: •

curentul de electroni din zona p catre zona n: I1=k1n1 (3.1)

•

curentul de goluri din zona n catre p: I2=k2n2 (3.2)

•

curentul de electroni din zona n catre zona p:I3=k3n3.e-qEi/KT (3.3)

•

curentul de goluri din zona p catre zona n: I4=k4n4.e-qEi/KT (3.4) Fig. 3.4 Structura, circulaţia de curenţi şi benzile energetice pentru homojoncţiunea p-n.

În care

…

sunt constant, iar

…

sunt concentraţiile purtatorilor de sarcină

respectivi. Curentul total prin joncţiune: I= -(

+

)+(

în echilibru trebuie sa fie nul. Deci:

+

) e-qEi/KT (3.5)

+ =(

+

)e-qEi/KT (3.6)

Dacă joncţiunii i se aplică o tensiune exterioară, U, în sens direct(+ la p şi – la n), înalţimea barierei de potenţial se reduce cu mărimea tensiunii aplicate, ceea ce favorizează circulaţia purtătorilor de sarcină majoritari. Curentul prin joncţiune, în cazul polarizarii directe se poate scrie:

I0=-(

+

)= (

+

)e-qEi/KT (3.7)

28

Conversia energiei solare în energie electrică

În cazul polarizării inverse, înalţimea barierei de potenţial creşte, ceea ce împedica circulaţia purtătorilor de sarcină majoritari şi de asemenea nu afectează circulaţia purtătorilor minoritari. Pentru polarizări inverse mari, circulaţia purtătorilor majoritari dispare, rămânand numai un curent invers al purtătorilor minoritari. =

+

(3.8)

Ţinand seama de egalitatea: (3.6), curentul prin joncţiune, în cazul polarizarii directe, devine:

=I0 . (

-1) (3.9)

În continuare, considerând joncţiunea nepolarizată, dar supusă unei radiaţii monocromatice, avand cuanta de energie a fotonilor mai mare decăt înaltimea zonei interzise a semiconductorului , în celulă ce generează perechi de purtători de sarcină liberi, electron-gol. Dacă acestea sunt generate în zona de influenţă a cămpului electric intern sau pe distanţa cel mult egală cu lungimea de difuzie a purtătorilor de sarcină, ei vor putea fi dirijaţi către campul intern astfel: •

golurile catre regiunea p

•

electronii catre regiunea n

Prezenţa electronilor suplimentari în regiunea n şi p a golurilor suplimentare în regiunea p produce o micsoare a barierei de potenţial cu o cantitate egală cu tensiunea fotoelectrică, analog polarizari directe a joncţiunii aflate la întuneric. Ca urmare, prin joncţiune va trece curentul de diodă într-un sens şi curentul de iluminare în sens contrar, astfel încat curentul total în acest regim va fi:

= (

-1)-

(3.10)

În această expresie, U este tensiunea fotoelectrică, care se stabileşte la bornele celulei, polarizând-o în sens direct. În cazul ideal, valoarea maximă a acesteia(la mersul în gol) ar corespunde dispariţiei totale a barierei de potenţial, iar tensiunea de mers în gol ar fi cu atât mai mare cu cât doparea semiconductorului ar fi mai mare. În realitate, în toate cazurile U0Eq generează sarcini libere a caror energie depăşeste energia medie a purtătorilor, la temperatură de echilibru. Surplusul de enegie este disipat prin ciocniri cu atomii retelei, ceea ce reprezintă pierderi pe rezistenţa interna a celulei. Pierderea de tensiunea fotovoltaica asociată tranzitiei unui electron, este egală cu raportul: qU/

=qUλ/hc.

Dintre energia consumată pentru transportul unitatii de sarcină prin circuit şi energia fotonului incident. Eficienţa condiţionată de acest tip de pierdere este:

(3.25) În total eficienţa fotocelulelor se scrie :

(3.26)

3.8 Tipuri de celule solare 3.8.1 Celule solare cu siliciu Tehnlogiile actuale utilizează siliciu în trei forme : monocristal, policristalin şi amorf hidrogenat. Pe langă avantajul materiei prime disponibile în mari cantităţi, celulele de siliciu prezintă stabilitate funcţională deosebită şi randamente relativ bune. Realizarea unei fotocelule cu siliciu presupune parcurgerea urmatoarelor etape : •

producerea plachetei semiconductoare

•

realizarea celulei propriu-zise

•

încapsularea În prima etapă au loc urmatoarele operatiuni: obţinerea din cuarţ a siliciului metalurgic,

rafinarea Si metalurgic pentru obţinerea purităţii necesare semiconductorului ;

obţinerea

Conversia energiei solare în energie electrică

37

monocristalului de Si sub formă prismatică sau de panglică (având grosimea plachetei) ; taierea plachetelor (folosind un disc diamantat) urmată de corodarea chimică, pentru înlaturarea defectelor de suprafaţă. În vederea scaderii costului celulelor cu siliciu, în această etapă există urmatoarele posibilitaţi: renunţarea la puritatea de tip ‘’semiconductor’’. Prin admiterea unui anumit procent de impurităţi scaderea randamentului fotocelulelor este neînsemnată, însa costul prelucrarii scade mult. Acest grad de puritate se numeste ‘’solar’’; folosirea Si policristalin care se obţine prin turnare în lingouri şi racire controlată ; deşi randamentul celulelor obtinute va fi mai mic, eliminarea formarii monocristalului are efect economic mai mare ; folosirea Si amorf hidrogenat. Placheta de Si obţinută în această faza poseda conducţie de tip ‘’P’’ realizată în fază de topitură. Etapa realizarii celulei cuprinmai redus şi cu conducţie electrică cât mai bună. Pe suprafaţa iluminată se pune o grilă opturând inevitabil o parte din suprafaţa celulei. Pe partea opusă se poate pune un strat continuu de metal. De exemplu pe partea iluminata se foloseşte Ag, iar pe partea opusa aluminiu aliat cu Pd. Depunerea stratului antireflectant, care trebuie sa aiba indice de refracţie 2 şi să fie transparent la spectrul solar. Se folosesc TiO2, Ta2O5 în grosimi de 800-1000A. Etapa de încapsulare constă în urmatoarele: realizarea conexiunilor dintre plachetele dintr-o capsulă, pentru a obţine parametri externi doriţi ; asamblarea într-o structura sandwich , cu alte straturi de protecţie. Scopul acestei operaţiuni este asigurarea protecţiei fotocelulei împotriva umiditaţii, poluarii şi a deteriorarii metalice. Repartiţia costului total al fotcelulei pe cele trei etape este aproximativ : 40% realizarea plachetei, 30% realizarea celulei şi 30% asamblarea în carcasă. Deşi randamentul teoretic maxim al fotocelulei cu Si monocristalin atinge 22%, celulele realizate potrivit tehnologiilor descrise, au un randament de cel mult 14%. Posibilităţile de mărire a randamentului în continuare sunt : •

reducerea grosimii stratului n la cca. 0,3µ- randament 16%

•

texturarea suprafeţei pentru reducerea pierderilor prin reflexie, randament 17% ;

•

celulele cu straturi multiple, randament până la 19,5%

Datorită creşterii temperaturii celulei în asemenea situaţie, creşte rezistenta serie, deci pierderile interne în celulă. De aceea trebuie asigurată racirea celulelor, ceea ce implică un consum de energie din exterior. Pentru marirea eficienţei în aceste condiţii de concentrare a radiaţiei, se pot folosi celule de concentraţie specială la care dispunerea contactelor are loc astfel încat să se folosească toată suprafaţa iluminată. Performanţele obţinute sunt date în tabelul 3.3

38

Conversia energiei solare în energie electrică

Tipul celulei solare

Fatctorul de

Temperatura celulei

concentrare (00C) Celula cu Si, conventionala 30 100 Idem 120