Celula fotovoltaica

Celula fotovoltaica

In fiecare an, Soarele trimite pe suprafata terestra o cantitate de energie de 10.000 de ori mai mare decat cea folosita in prezent de catre om; mai exact, in doar 40 de minute, astrul ceresc ne 'iradiaza' cu o energie egala celei de care omenirea se serveste pe parcursul unui an intreg.
Conform unui raport al International Energy Agency, daca doar 4 procente din suprafata desertica a planetei ar fi acoperite cu panouri fotovoltaice, dispozitivele in cauza ar putea furniza o cantitate de energie capabila sa acopere intregul consum mondial. Mai mult, potrivit cercetatorilor germani de la Wuppertal Institut, un singur panou solar gigantic, de 600/600 km (360.000 de kilometri patrati), instalat in desertul Sahara ar fi suficient pentru a satisface necesarul de energie al tuturor pamantenilor.
Pana la urma, daca ne-am dovedi capabili sa acoperim cu panouri solare eficiente macar 1% din suprafata planetei, am putea inlocui productia centralelor din intreaga lume cu o sursa de energie curata si regenerabila.

Conform unui raport realizat de Greenpeace impreuna cu Asociatia Europeana a Industriilor Fotovoltaice (EPIA), pana in anul 2040, o patrime din necesarul energetic global ar putea fi acoperita de energia solara.
La ora actuala, exista mai multe tipuri de instalatii care exploateaza aceasta energie: cele termice solare, utilizate pentru incalzirea apei de consum si a locuintei, instalatiile solare termoelectrice, care, prin intermediul unor fluide incalzite, pun in functiune niste turbine (adevaratele generatoare de energie), instalatiile fotovoltaice, care convertesc radiatia solara in electricitate cu ajutorul unor celule de siliciu, si instalatiile termodinamice. 
Efectul fotovoltaic rezida in transformarea luminii Soarelui direct in energie electrica si este cunoscut inca din secolul al XIX-lea. Atunci s-a descoperit ca energia solara poate fi transformata in electricitate prin intermediul unei celule electrolitice, fara concursul vreunui proces termodinamic. Prima aplicatie practica a fost dezvoltata in Statele Unite in 1954, cand laboratoarele Bell au realizat prima celula fotovoltaica, utilizand siliciu monocristalin.
In sinteza, este eliberata energie atunci cand fotonii radiatiei solare lovesc o celula si ii smulg electronii de la exterior (asa-numitii electroni de valenta); acestia sunt colectati de reteaua metalica serigrafiata pe suprafata celulei, 'incolonati' si dirijati intr-un flux de curent continuu. Componenta de baza a sistemelor fotovoltaice este celula fotovoltaica, un dispozitiv construit dintr-o 'felie' subtire de material semiconductor tratat (in general, siliciu).  Are circa 12 centimetri latime si este capabila sa produca o putere de circa 1 Wati - asta in conditii standard, adica atunci cand se afla la temperatura de 25 de grade Celsius si este supusa unei puteri a radiatiei egala cu 1.000 W/mp.
Celulele fotovoltaice sunt asamblate intr-un modul fotovoltaic care, in mod obisnuit, reuneste intre 18 si 36 de astfel de celule. Mai multe module reunite constituie un panou fotovoltaic. Pentru a inregistra puterea maxima in conditii standard (1.000 W), este nevoie in medie de 10 m2 de astfel de module.
La ora actuala, exista trei varietati de celule cu siliciu, a caror eficienta merge de la 5 la 15%: celulele cu siliciu monocristalin (cele mai scumpe si mai eficiente), celulele cu siliciu multicristalin (cu o eficienta de pana la 9%) si celulele cu siliciu amorf (cele mai ieftine, cu eficienta de 5-9%).

In principiu o celula fotovoltaica cu jonctiune p-n este formata din doua straturi din materiale semiconductoare avand purtatori de sarcina majoritari de tipuri diferite si doi electrozi de contact cu care se realizeaza conectarea acestui ansamblu intr-un circuit electric exterior. Cei doi electrozi trebuie sa asigure contacte ohmice, sa aiba o rezistenta electrica mica si sa ocupe o arie relativ mica pe suprafata fotosensibila a celulei.

In figura IV.4 se prezinta modul de realizare a unei celule solare pe baza de siliciu mono cristalin.     

Pentru a mari puterea de conversie fotovoltaica a energiei solare, celulele solare se grupeaza in serie si/sau paralel, formand asa-numitele baterii solare.

Cele mai importante caracteristici ale unui fotoelement sunt: caracteristica curent tensiune, caracteristica de lumina si caracteristica spectrala.

1. CaracteristicaI - UF de sarcina exprima dependenta curentului I care circula prin rezistentaexterioara R_S functie de tensiunea UF de la bornele fotoelementului,pentru diferite valori ale rezistentei de sarcina si pentru o iluminareconstanta a fotoelementului. Aceasta dependenta este descrisade relatia(IV.7). Curbele respective au aspectul prezentat in figura IV.5.
 

Daca rezistenta de sarcina este zero (R_S=0), rezulta UF =0 si obtinem I=I_SC= -I _L. Prin urmare punctul de intersectie cu axa ordonatelor va da valoarea fotocutentului I_L (sau a curentului de scurtcircuit).

Cand  ,I=0, UF =UF_CD. Deci in acest caz tensiunea fotoelectromotoare de mers in gol corespunde in grafic cu punctul de intersectie a caracteristicii cu axa tensiunilor.

Pe baza caracteristicii I - U a unei celule fotovoltaice se poate determina puterea maxima, P_max ,debitata de celula pentru o iluminare data. Puterea electrica debitatade un fotoelement pe o rezistenta de sarcina R este:

(IV.12)

si este reprezentata de aria dreptunghiului hasurat din figura IV.5.

Pentru o anumita valoare a rezistentei R, celula fotovoltaica debiteaza pe aceasta o putere maxima, si corespunzator rezulta un randament maxim de transformare a energiei luminoase in energie electrica.
 

2.Caracteristicile de lumina ale unuifotoelement exprima dependenta tensiunii fotoelectromotoare, UF_CD,a curentului de scurtcircuit, I_SC, si a curentului de sarcina,I, de iluminarea, E, a suprafetei fotoelementului (sau de fluxulluminos F

In figura IV.6 este prezentata caracteristica de lumina a unui fotoelement ridicata pentru curentul de scurtcircuit. Panta portiunii liniare a caracteristicii de lumina in regim de scurtcircuit caracterizeaza sensibilitatea fotoelementului. Sensibilitatea integrala a fotoelementului este definita ca raportul dintre fotocurentul de scurtcircuit pe fluxul luminii la iluminarea suprafeteide lucru a fotoelementului:

(IV.13)

Fotoelementele manifesta o anumita'oboseala', adica o scadere a sensibilitatii in procesul de exploatare.Oboseala creste cu cresterea iluminarii, cu coborarea temperaturii si cumicsorarea rezistentei de sarcina. Scaderea sensibilitatii are loc maiintens in primele minute dupa includerea dispozitivului, apoi parametriise stabilizeaza.

O alta caracteristica de luminaeste cea a tensiunii de circuit deschis. Aceasta dependenta este neliniara: VCD variaza cu variatia fluxului luminos dupa o lege logaritmica (figura IV.6).

3. Caracteristica spectrale alefotoelementelorsunt specifice materialului din care sunt realizate, si descriedependentasensibilitatii spectrale a fotoelementului de lungimea de undaa radiatieiincidente. Teoretic aceasta dependenta ar trebui sa fie liniarasi curba S = f(l ) sa treaca prin originea axelor. In realitate sensibilitatea spectrala se micsoreaza atat in domeniul lungimilor de unda mici cat si indomeniul lungimilor de unda mari.

APLICATIILE CELULELOR SOLARE

Energia solara apare a fi deosebit de atractiva, datorita faptului ca este autoregenerabila; deci practic inepuizabila la scara existentei umane – este curata, silentioasa si disponibilain oricare punct al Pamantului. Pe de alta parte, energia provenita dela Soare este puternic dispersata, necesitand suprafete intinse de colectare, instalatii de concentrare si urmarire, implementarea tehnologiilor specifice necesitand timp si mari investitii initiale.

In ce priveste investitiile in centrale solare – electrice sau in alte instalatii de conversie si utilizare a energieisolare, acestea sunt destul de mari in fazele de proiectare; constructie,dar ele sunt amortizabile intr-un timp nu prea lung. La inceput au fostdezvoltate baterile solare de mica putere (10- 100 W), pentru alimentareaaparatelor de radio, de televiziune, a unor aparate electrocasnice, medicale,meteorologice, balize marine si a altor asemenea receptori situati in locurigreu accesibile (munti, desert, insule izolate) sau puternic dispersate in regiuni slab populate.

Panouri solare de 100- 1000W, inspecial cu celule cu siliciu au inceput sa fie utilizate pentru alimentarea unor instalatii mai complexe si anume a statilor meteorologice, echipamentele militare mobile, balizelor radioelectronice pentru navigatia aeriana, areleelor radio si TV, a sistemelor de televiziune educationala, la instalatiiletelefonice, frigidere solare, pompe de apa potabile si pentru irigatiisi multe altele. Astfel de aplicatii ale energeticii solare de mica putereau fost implementate in special in locurile greu accesibile si localitatilordispersate (pentru care instalarea retelelor de transport a energiei electriceeste nerentabila) si mai ales in tarile in curs de dezvoltare din Africa,Asia. Astfel sutede scoli din Niger, Coasta de Fildes si din alte tariafricane folosesc televizoare pentru programe educationale alimentate cuenergie furnizata de celulele solare, iar in Zair, Niger, releele de telecomunicatiisunt, de asemenea, alimentate cu energie solara. Nu inseamna ca energeticasolara poate si trebuie sa se dezvolte numai in regiuni izolate, puternicinsorite, sau numai in tarilein curs de dezvoltare.

Instalatii solare, bazate pe absorbtia energiei termice solare sau conversia termodinamica a acesteia, s-au dezvoltat in foarte multe tari (Japonia, Franta, S.U.A, Germania, Italia) printrecare si in tara noastra. O foarte atragatoare perspectiva este aceea autilizarii intense a celulelor fotovoltaice in transporturi, ca mijlocnepoluant si economic totodata. Au fost realizate si incercate numeroasetipuri de vehicule care sa fie propulsate partial sau in intregime cu energiefurnizata de celulele solare printre care se pot mentiona barci solare,automobile solare, scuter electric, bicicleta solara si cateva versiunide avioane solare si chiar aerostate si baloane solare. Dintre acestea,barcile solare (realizate in Elvetia, China etc.) si electromobilele alimentatepartial cu energie solara care incarca bateriile de acumulatori in timpulstationarii, pot revolutiona transporturile rutiere si fluviale constituindtotodata un larg debuseu pentru comercializarea in numar mare a celulelorsolare. Intr-adevar, pe masura ce se vor perfectiona tot mai mult bateriilede acumulatori de mare capacitate, electromobilul va cuceri teren din cein ce mai mult in majoritatea tarilor lumii, dar se vor ridica probleme insurmontabile referitoare la alimentarea cu energie electrica a acestora.