OPTIMIZAREA UNUI CELULE PV

OPTIMIZAREA UNUI CELULE PV

Notiuni teoretice

Celulele fotovoltaice (FV) sunt dispozitive semiconductoare care

convertesc lumina solara direct in energie electrica. O celula FV este alcatuita din doua straturi de material semiconductor intrinsec, unul de tip p si unul de tip n, care formeaza o jonctiune p-n. Aceasta jonctiune este sediul unui camp electric intrinsec, de "bariera". "Particulele" de lumina - fotonii - absorbite de

semiconductor genereaza sarcini electrice (electroni si goluri). Majoritatea acestor sarcini sunt antrenate prin jonctiunea p-n in directii opuse sub actiunea campului electric intrinsec. Aceasta separare genereaza o tensiune electrica la bornele jonctiunii, si poate intretine un curent electric intr-un circuit extern.

Rezistenta serie a celulei, RS, intalnita de curentul lateral (orizontal) in

stratul superior al celulei este responsabila de reducerea puterii electrice furnizate de celula, in sarcina. Un design electric (structural) optim are in vedere minimizarea lui RS prin utilizarea unui material cat mai bun conductor in constructia stratului superior, cresterea grosimii sale, contacte galvanice    bune, si o geometrie optima pentru gridul colector.

Teoria constructurala se bazeaza pe principiul potrivit caruia toate lucrurile de pe planeta curg, tinzand spre perfectiune,astfel pentru ca un sistem deschis(cu curgere), de dimensiuni finite, sa persiste in timp(sa supravietuiasca), el trebuie sa evolueze, astfel incat sa asigure aces din ce in ce mai usor curentilor care il strabat.

Conform teoriei constructurale, forma globala a unui biosistem este

determinanta fiind supusa, in acelasi timp in decursul cresterii si evolutiei lui unor multiple interactii locale-autoorganizatoare - de optimizare a distributiei

imperfectiunilor. (Adrian Bejan - Shape and structure, from engineering to nature)

Ideea principal a teoriei constructurale este ca orice sistem are ca destinatie imperfectiunea. Avand in vedere aceasta idee cel mai bun lucru care trebuuie facut este sa optimizam distributia imperfectiunilor din sistem, astfel aceasta va determina geometria sau forma sistemului studiat.

O celula fotovoltaica poate fi asimilata cu o diode fotosensibila,

functionarea ei bazandu-se pe proprietatile materialelor semiconductoare. Celula fotovoltaica permite conversia directa a energiei luminoase in energie electrica.

Principiul de functionare se bazeaza pe efectul fotoelectric.

De fapt o celula este constituida din doua straturi subtiri de material

semiconductor. Cele doua straturi sunt dopate diferit:

- Pentru stratul n, aport de electroni periferici;

- Pentru startul p, deficit de electroni;

Intre cele doua straturi va aprea o diferenta de potential electric.

Energiafotonilor luminii, capatati de electronii periferici( stratul n) le va permite

acestora sa depaseasca bariera de potential si sa creeza astfel un current electric continuu.

Experimentul

Acesta consta in aplicarea principiului constructural pentru rezolvarea

problemei de acces optim si anume: dandu-se un volum finit care genereaza

caldura (cu sursa de caldura in oricare punct) si care este racit printr-un port de dimensiuni reduse plasat pe frontiera, precum si o canitate finita de material bun conductor, sa se determine distributia materialului bun conductor astfel incat temperatura maxima sa fie cat mai mica (minimizata).

In expermient problema de optimizare este echivalenta cu identificarea

structurii gridului colector care minimizeaza RS

Cantitatea de material a gridului, Vp, de conductivitate p, precum si

volumul celulei FV, V H L W , sunt presupuse constante. In consecinta, aria

suprafetei celulei FV acoperita de grid este constanta. In procesul de optimizare H0 si L0 pot varia, dar produsul lor A H L0 ramane constant. Calea buna conductoare electric (degetul, de conductivitate p) este plasata pe axa Ox

Se determina factorul de forma, Ho/Lo optim pentru celula care are p=100 o. Pentru aceasta se stabileste aria celulei, A celula, 1(adimensional) si aria materialului bun conductor alocat, A banda, 0.001(adimensional). Se calculeaza R serie, definita de raportul Vmax/I total. Pentru aceasta se utilizeaza o geometrie parametrizata in care dimensiunile sunt exprimate in functie de factorul de forma al celulei, adica f=H/L este factorul de forma al celulei, atunci inaltimea, H, latimea celulei, L, si inaltimea benzii buna conductoare, D, se exprima prin L=1/sqrt(f), H=sqrt(f), D=0,01*sqrt(f). Factorul de forma ia valorile f = 0.5; 0.7; 0.9; 1; 1.1; 1.3; 1.5; 1.7; 1.9.

Cu ajutorul valorilor din tabelul de mai sus se stabileste factorul de forma optim pentru care Rserie este minim si anume f=1,5.Se traseaza grafic

serie(f).

Determinarile factorului optim pentru ơp=1000ơo.

Se traseaza grafic Rserie (f).

Cu ajutorul valorilor de mai sus si al graficului de mai sus se alege factorul de forma optim pentru care Rserie este minim si anume f=0,7.

Se alege factorul de forma optim ca fiind f=1,5, in care Rserie=0,182493,

deoarecde pentru a optimiza o celula FV prin metoda constructurala se foloseste cel mai rezistiv regim.

Problema de optimizare este acum determinare afactorului optim H1/L1,

sau cate celule FV elementare trebuiesc conectate astfel incat tensiunea maxima pe ansamblu sa fie minimaizata. Se stabilesc aria materialului bun conductor ca fiind de doua ori mai mare decat cea alocata pentru aria materialului bun conductor de la celula elementara , adica Acelula 2(adimensional) iar Abanda 0,02(adimensional). Se calculeaza

Rserie, definita de raportul Vmax/Itotal, unde Itotal este curentul produs de celulasi se traseaza grafic variatia lui Rserie in raport cu numarul de perechi de celule si anume: 2, 4, 6, 8.

In desenele de mai jos sunt reprezentate celula elementara respectiv o

pereche de 4 celule.