Conversia fotovoltaica a energiei solare - automobil solar?

Conversia fotovoltaica a energiei solare

1 Introducere

In relatiile interumane se constata uneori ca unele idei contrariaza fiindca, cel putin aparent, sunt contrare experientei, adevarului comun. Astfel de situatii creeaza o stare de disconfort sau, mai degraba, de incompatibilitate cognitiva. Este cunoscuta ideea constructivismului pedagogic care sustine ca orice cunoastere este rezultatul actiunii subiectului (a celui ce invata), realizata individual sau in grup (Bachelard, 1938; Piaget, 1991).

In acord cu formalismul "schimbarii conceptuale", transmiterea de cunostinte necesita strategii insotite de un "deranjament epistemologic" care sa provoace un conflict cognitiv intr-o disputa academica. Multitudinea punctelor de vedere si diversitatea argumentelor care vor apare, conduc in final la intelegerea conceptuala a problemei si la o invatare eficienta.

In aceasta lucrare este sugerata o metoda de inducere "intentionata" a conflictului cognitiv cu rol de "a pregati terenul" pentru insamantarea noilor cunostinte. Desi, mai departe ne vom referi la invatarea conceptului de conversie fotovoltaica a energiei solare, in general, invatarea fizicii este potrivita prin metoda inducerii conflictului cognitiv (Dumitru et al., 2002). Metoda consta in prezentarea unor fenomene fizice via experimentul vizual, care aparent contrazic experienta unanim acceptata. Conflictul cognitiv este rezolvat prin explicatii pertinente, aceste explicatii fiind calea de transmitere a noilor cunostinte. Astfel, noile informatii sunt comunicate elevului avand o baza emotionala alimentata de curiozitate.

In lucrare sunt prezentate cinci experimente, gradat structurate pentru a starni curiozitatea elevilor referitoare la utilizarea energiei solare. Ele pot fi realizate cu mijloace simple in orice laborator scolar de fizica. Recomandam ca surse bibliografice pentru completarea experimentelor cu explicatii lucrarile: Fara et. al[1] (2005); Paulescu si Schlett (2003)

2. Experimentul 1: Razele soarelui transporta o cantitate uriasa de energie

Pentru acest experiment extrem de simplu avem nevoie de o oglinda parabolica sau sferica, cu diametrul nu mai mare de 25 cm, doua termometre identice capabile sa

masoare temperaturi mai mari de 100^oC, si o sursa de lumina (o lampa cu halogen de laborator sau in lipsa un bec spot obisnuit). Asezati termometrele unul langa altul, astfel incat unul dintre ele sa fie plasat in focarul oglinzii iar celalalt in imediata vecinatate -figura 1. Aduceti in vecinatatea ansamblului sursa de lumina, dar de asa maniera incat sa nu fie evidenta orientarea fasciculului paralel de lumina pe suprafata oglinzii. Ar fi de preferat ca experimentul sa se desfasoare intr-o incapere bine iluminata sau in aer liber (in aceasta din urma situatie folositi un acumulator si un bec halogen de la masina). Pregatiti experimentul in absenta copiilor, si doar invitatii sa priveasca termometrele. Vor observa ca unul dintre termometre indica o temperatura mult mai mare decat celalalt. Desi, pare banal, efectul este spectaculos -testat chiar si pe studenti starnind curiozitatea epistemologica: de ce? Explicati elevilor experimentul: razele de lumina colectate pe suprafata mare a oglinzii sunt concentrate pe rezervorul cu mercur al unui dintre termometre, si anume a celui plasat in focarul oglinzii. Mai departe, povestiti-le - in extenso - despre Arhimede care a incendiat flota greceasca, folosind oglinzi cu care a concentrat razele soarelui pe panzele corabiilor.

Figura 1

Fotografie a standului experimental pentru punerea in evidenta a faptului ca lumina transporta energie

Daca sunteti in aer liber sau aveti o fereastra pe care vedeti soarele, orientati oglinda spre soare si plasati in focarul ei o foaie de hartie. Daca oglinda are 25 de centimetri diametru, hartia se va aprinde aproape instantaneu. Apoi, umpleti un degetar cu apa (un vas mic de cativa mililitri) si plasati-l in focarul oglinzii. Dupa un timp relativ scurt apa va incepe sa fiarba.   

ATENTIE - PROTEJATI COPIII: Razele de soare concentrate pot aprinde la fel de usor hainele lor sau le pot produce arsuri. Asigurati-va ca aveti unde arunca hartia care arde.

Figura 2

Complexul termoelectric solar din desertul Mojave, SUA.

Admirati fotografia uneia dintre cele mai mari centrale termoelectrice din lume, amplasata in desertul Mojave, din California. 405 hectare de oglinzi controlate de

computer, incalzesc ulei sintetic la 390 C, folosit la generarea de aburi pentru turbine cu o putere instalata totala de 275 MW.

Concluzia care se desprinde din acest experiment este evidenta: Razele soarelui transporta energie- Chiar de pe o suprafata mica ( zeci de cm²) se poate colecta suficienta energie astfel incat sa aprindem unele materiale sau sa aducem apa la fierbere.

In incheierea acestui experiment, ca introducere in conversia energiei solare in energie electrica prezentati centrala termoelectrica din complexul Mojave, SUA, fotografiata in figura 2. In acest tip de centrale electrice, transformarea energiei solare in energie electrica se face in doua etape: in prima etapa, prin termoconversie solara se obtine caldura inmagazinata intr-un agent (aer, apa, ulei); in a doua etapa, caldura inmagazinata este transformata in electricitate in centrale termoelectrice obisnuite.

Sfatul nostru este sa subliniati faptul ca transformarea energiei dintr-o forma in alta este limitata de legea aspra a lui Carnot. De aceea, transformarea directa si eficienta a energiei solare in energie electrica este o preocupare in lumea actuala.

3. Experimentul 2: Celula solara transforma direct energia solara in electricitate

Inainte de a incepe experimentul anterior puneti-va in buzunar o celula solara de preferinta "macra", adica cat mai putin impachetata in plasticuri protectoare, la care sa fie conectat un miliampermetru. Asemenea celule pot fi cumparate la preturi derizorii de la distribuitorii interni de produse electronice[2]. Dati copiilor celula si cereti-le o explicatie! Ideal ar fi sa puteti da fiecarui copil o celula si un miliampermetru. Lasati-i liberi! Dar raspundeti la toate intrebarile lor. Evident vor fi intrebari si intrebari, pareri si .pareri.

Explicati efectul fotovoltaic si, daca sunteti in aer liber, invitati copiii in laborator pentru explicatii si urmatorul experiment.

In cele ce urmeaza, iata cum ar prezenta autorii acestui articol efectul fotovoltaic.

Figura 3

Celula solara.

Conversia energiei luminii in electricitate este functia principala a celulelor solare. Expuse la lumina, ele transforma energia luminii in energie electrica.

Lavoasier spunea "Nimic nu se pierde, nimic nu se creeaza, totul se transforma". In aceasta lectie, invatam cum se transforma lumina in electricitate, si cum se fabrica o celula fotovoltaica cunoscuta mai ales sub denumirea de celula solara (figura 3).

Figura 4

Schita uni procesul de fotosinteza naturala (stanga) si artificiala (dreapta)

Perfectionat de natura pe parcursul a sute de milioane de ani, procesul de fotosinteza reprezinta o "tehnologie" extrem de complexa de transformare a energiei solare in alte forme de energie. Celulele solare cu colorant senzitiv (figura 4) reprezinta o incercare a omului de a "copia" acest miracol al naturii, adaptand procesul necesitatilor sale. Istoria colorantului sensibil dateaza de la sfarsitul secolului XIX, cand a fost inventata fotografia. Cercetarea dezvoltata de Vogel, in Berlin, dupa 1873 poate fi considerata primul studiu important asupra colorantului - sensibil semiconductor, unde emulsia de aluminiu si halogen a fost sensibilizata cu lumina pentru a produce filmele fotografice in alb si negru.

Folosirea colorantului-senzitiv in aplicatii fotovoltaice a ramas fara succes pana cand a avut loc o descoperire importanta, la inceputul anilor 1990, in Elvetia, la Laboratory of Photonics and Interfaces. Prin combinarea cu succes, a electrozilor nanostructurati si a unui electrolit eficient, profesorul Grtzel si colegii sai au realizat o celula solara cu un randament de conversie a energiei ce depasea 10 (Gratzel, 1990).

Mai departe, sa ne amintim ca toata materia este alcatuita din atomi, care contin sarcini pozitive localizate in nucleu si sarcini electrice elementare, electroni, care graviteaza in jurul nucleului. In prima instanta, un curent electric inseamna o deplasare de electroni. Intr-un izolator electric, electronii sunt cu totii legati in atomi si nu se pot deplasa. Intr-un conductor electric (un fir de cupru, de exemplu), un numar mare de electroni sunt liberi sa se deplaseze, si la aplicarea unei tensiuni la capete dau nastere unui curent. Intr-un semiconductor situatia este oarecum intermediara, pentru ca electronii legati devin liberi numai daca primesc o anumita cantitate de energie din exterior. Tocmai aceste materiale, semiconductoarele, sunt folosite la transformarea luminii in electricitate Efectul luminii asupra unui semiconductor determina cresterea numarului de electroni in structura, astfel ca devine mai bun conducator de electricitate, adica conductivitatea lui creste. In prezent, la fabricarea celulelor solare semiconductorul cel mai utilizat este siliciul. Acesta se gaseste in cantitati incalculabile la suprafata pamantului sub forma de nisip. Siliciul este materialul din care se realizeaza cip-urile pentru circuitele integrate si a stat la baza dezvoltarii electronicii moderne din calculatoarele sau telefoanele voastre.

In figura 5 este explicata structura si principiul de functionare a unei celule solare din siliciu cristalin

Figura 5

Celule solare din siliciu cristalin

Siliciul masiv pur, produs sub forma unor bare de sectiune rotunde este feliat in plachete de 0.2mm grosime. Aceste plachete sunt dopate p - cu atomi de bor (B)- pe fata expusa la lumina, si n - cu atomi de fosfor (P)- pe revers. Se obtine o jonctiune p-n, al carei camp electric intern separa dupa semn purtatorii de sarcina generati sub actiunea luminii. Cu scopul de a-i colecta cele doua fete sunt acoperite cu contacte metalice. Pentru a lasa lumina sa treaca electrodul de pe fata p este depus sub forma unei grile iar pe fata n este depus un strat metalic continuu. Regiunile care formeaza jonctiunea sunt puternic dopate in scopul micsorarii rezistentei ohmice de volum, iar regiunea p, expusa radiatiei se realizeaza ingusta pentru a facilita absorbtia fotonilor in imediata vecinatate a regiunii de sarcina spatiala. Sub actiunea radiatiei optice se genereaza perechi de electroni si goluri a caror concentratie scade treptat, de la suprafata iluminata spre interfata. Datorita difuziei, o parte din purtatorii de sarcina in exces ajung la interfata, unde sunt separati de campul electric intern: electronii sunt antrenati in regiunea n, iar golurile raman in regiunea p. De asemenea, golurile suplimentare generate in regiunea n sunt transferate de camp in regiunea p. In felul acesta in regiunea n apare o sarcina negativa suplimentara si, la fel, in regiunea p apare o sarcina pozitiva suplimentara. La terminale, aceasta se manifesta prin aparitia unei tensiuni electromotoare. Celula solara se comporta ca un generator de tensiune electrica.

Concluzia este urmatoarea: folosind dispozitivele semiconductoare numite celule solare energia adusa pe pamant de razele soarelui pot fi transformate direct in electricitate.

4. Experimentul 3: Caracterizarea celulelor solare

Daca se plaseaza o celula solara sub o sursa de lumina constanta, fara a-i conecta o sarcina, la borne se masoara tensiunea in circuit deschis, V_CD (figura 6). Tensiunea V_CD este de ordinul 0.6V pentru o celula din siliciu. In gol, celula solara furnizeaza tensiune maxima dar curentul este nul si puterea dezvoltata in circuitul exterior zero. Daca la bornele celulei solare se conecteaza o sarcina (de exemplu becul din figura 12b- tensiunea la borne scade si in circuit se stabileste un curent impus de rezistenta de sarcina.) Daca se conecteaza in paralel cu primul un al doilea bec identic, celula va debita in circuit un curent dublu, dar tensiunea la bornele ei va scadea usor in continuare. Numarul de becuri conectate in paralel, se poate creste -figura 12c- pana la atingerea curentului maxim ce poate fi debitat de celula, I_SC. Ca urmare, variind sarcina, se poate trasa curba caracteristicii curent-tensiune a celulei solare, figura 7.

a.    b. c.

Figura 6: a. Daca se ilumineaza cu un flux constant o celula solara, in absenta oricarei sarcini, voltmetrul va indica tensiunea in circuit deschis.

b. Daca se conecteaza o sarcina, tensiunea scade in raport cu V_CD. Curentul din circuit este impus de sarcina.

c. Marind sarcina, curentul debitat de celula creste, in timp ce tensiunea la borne scade.

Figura 7.

Modificand sarcina se poate trasa caracteristica curent-tensiune a celulei solare. In punctul M puterea furnizata in circuitul exterior este maxima.

Experimentul poate decurge astfel:

Se determina variatia tensiunii in circuit deschis la bornele unei celule solare in functie de densitatea fluxului luminos (iluminare), utilizand circuitul de masura din figura 8a. Inlocuind voltmetrul din circuit cu un miliampermetru (figura 8b) se determina variatia curentului de scurtcircuit in functie de iluminare. Aceasta este situatia prezentata in fotografia din figura 8d

Fluxul optic se modifica cu rata constanta conectand la o sursa de energie electrica, pe rand tot mai multe becuri identice. In standul prezentat in figura 8d exista posibilitatea de a conecta succesiv 6 becuri de 12V/5W fiecare. Se reprezinta pe acelasi grafic tensiunea in circuit deschis si curentul de scurtcircuit in functie de fluxul incident. Interpretati rezultatul.

Ridicati caracteristica I=I(V) a celulei solare folosind circuitul de masura din figura 8c.. Se modifica rezistenta de sarcina de la zero, caz in care se masoara I_SC, pana la infinit, caz in care se determina V_CD. Se ridica trei caracteristici la trei valori diferite ale fluxului, f f f. Se reprezinta grafic curbele V=V(I). Puterea debitata de celula se determina calculand produsul V I pentru fiecare valoare a rezistentei de sarcina. Din reprezentarea grafica a puterii in functie de sarcina se identifica punctul optim de functionare a celulei solare. Interpretati rezultatul.

a.    b.

c.    d

Figura 8: Circuite pentru masurarea tensiunii in gol (a), a curentului de scurtcircuit (b) in functie de iluminare si a caracteristicilor volt - ampermetrice (c) in cazul unei celule solare. (d) este fotografia unui stand experimental simplu folosit la Universitatea de Vest din Timisoara la lucrarile de laborator din cadrul disciplinei Conversia fotovoltaica a energiei solare.

5. Experimentul 4: Paradoxul comportarii celulelor solare la variatia temperaturii

Caracteristicile electrice ale celulelor solare sunt dependente de temperatura de functionare. Teoria arata ca pe masura ce temperatura celulei creste, semnificativ scade doar tensiunea la bornele celulei. In consecinta, puterea maxima furnizata consumatorului se diminueaza.

Figura 9.

Celula solara montata intr-o instalatie pentru determinarea dependentei de temperatura a tensiunii in circuit deschis.

1 - (in detaliu) incalzitor

2 - sonda termometrului

3 - termometru digital

4 - sursa lumina

5 - voltmetru electronic (indica tensiunea in circuit deschis)

6. celula solara

Puteti pune in evidenta acest fenomen folosind circuitul de masura din figura 8a si incalzind celula (aduceti partea din spate a celulei solare in contact cu o rezistenta electrica de putere mica, de exemplu 10W/5W pe care o alimentati de la o sursa de tensiune de 5V si fixati un termometru in contact cu celula -figura 9). Incalziti celula la 90^oC si masurati pe masura ce se raceste simultan tensiunea in circuit deschis si temperatura. Reprezentati grafic tensiunea in circuit deschis in functie de temperatura si interpretati rezultatul.

Acest comportament al celulelor solare in raport cu temperatura este un neajuns, deoarece la mijlocul zilei cand fluxul de energie solara este maxim, randamentul de conversie este minim. Ca urmare, cand se dimensioneaza un generator fotovoltaic, trebuie sa se ia in considerare temperatura maxima pe care o pot atinge celulele solare

6 Experimentul 5: Un automobil solar?

Acesta este mai mult decat un experiment. Va propunem sa organizati cu elevii dumneavoastra un concurs de automobile solare. Ca introducere, prezentati un concurs de rezonanta mondiala, ca de exemplu: World Solar Challenge -figura 10.

Figura 10

Masina Honda Dream alimentata numai cu energie electrica produsa de celulele solare amplasate in caroserie, a castigat in 1996 !!! concursul World Solar Challenge (de la Darvin la Adelaide, Australia), parcurgand traseul de 3010 Km in patru zile cu o viteza medie de 90 km/h !!!.

Mai departe lasati frau liber imaginatiei copiilor. In figura 11 noi doar prezentam cateva tipuri de masini solare realizate de copii[3]. In figura 12, in stanga, este o imagine a pistei de concurs in zona de start. Pista din fotografie este din plastic, cu o lungime de 10m, plasata la soare si concureaza de fiecare data cate doua masini, in paralel, pentru a le oferi sanse egale, adica aceeasi iluminare. Tot in figura 12, in dreapta, sunt. invingatorii.

Figura 11. Masini solare construite de copii

Figura 12 Startul in concurs (stanga) si invingatorii (dreapta)

Sau poate la fel de interesant este un concurs de "barci solare", asa cum se prezinta in figura 13. Dar nu uitati! intotdeauna elevii sa participe activ, chiar mai mult sa-si foloseasca creativitatea la realizarea vehiculului.

Figura 13. Un concurs de ambarcatiuni solare construite de copii

7. Concluzii

In acest subcapitol au fost prezentate o suita de experimente pentru studiul conversiei fotovoltaice a energiei solare in laboratoare scolare. Experimentele sunt accesibile si pot fi realizate cu materiale ieftine, nefiind nevoie de aparatura. In acelasi timp, sunt structurate gradat, la inceput starnind curiozitatea epistemologica a elevilor, apoi elevii descoperind caracteristicile electro-optice ale celulelor solare si, in final, stimulandu-le creativitatea si, de ce nu, pasiunea. Pentru a obtine rezultate prin inducerea conflictului cognitiv tratati ora de laborator ca pe o piesa de teatru in care, dumneavoastra, profesorul sunteti nu numai actorul principal, dar si un scenarist si regizor desavarsit.