Camelia Anghel - Light Cells

CAMELIA ANGHEL, MASTER

Soarele este o sursa imensa de energie. Aceasta ajunge pe Terra sub forma de radiatii solare, radiatii care pot fi captate si transformate in alte forme de energie: electrica, mecanica sau termica. Astfel, energia solara isi poate gasi utlizarea in domenii diverse, de la agricultura pana la cercetare.

Primele incercari de folosire ale energiei solare deteaza inca din secolul trecut. In prezent, aceasta este intalnita in foarte multe medii. Principalele moduri de utilizare a sa sunt insa urmatoarele: * producerea de energie termica: incalzirea apei, incalzirea locuintelor sau a serelor, etc * producerea de energie electrica prin intermediul celulei fotovoltaice. Aceasta este rolul unei lungi evolutii, de la alimentarea calculatoarelor de buzunar pana la centralele solare, ce pot alimenta cartiere intregi de locuinte. Mai multe detalii despre panourile fotovoltaice si producerea de energie electrica puteti gasi in acest articol.

Acestea nu se opresc insa aici, dovada fiind zecile de dispozitive solare aflate pe piata, de la ceasuri de mana pana la sateliti.

De ce energie solara?

Pentru ca este disponibila in cantitati imense, este inepuizabila (cel putin pentru cateva miliarde de ani) si este ecologica. Captarea energiei solare nu este poluanta si nu are efecte nocive asupra atmosferei, iar in conditiile in care degradarea Terrei atinge un nivel din ce in ce mai ridicat, aceasta problema incepe sa fie luata in seama de tot mai multi oameni.

Si acest lucru se vede. In cazul producerii de energie electrica prin intermediul panourilor fotovoltaice, procentul energiei solare din totalul energiei produse pe glob a crescut de la 0,04% in 2004 la peste 0.3% si se estimeaza ca va depasi 0,4% pana la finalul lui 2010. In continuare este un procent minuscul, dar

este de apreciat faptul ca omenirii a inceput sa ii pese. Iar pe masura ce tehnologia se va dezvolta, energia solara va fi utlizata din ce in ce mai mult.

De ce nu energie solara?

Raspandirea foarte limitata a utlizarii tehnologiei solare are foarte multe cauze.

In primul rand, tehnologia de captarea a razelor solare este inca la inceput si costisitoare. Pretul producerii unui WATT in prezent, prin intermediul celulelor fotovoltaice, este de 6-7 ori mai mare decat cel al producerii sale in termocentrale. De aceea investitia initiala intr-un sistem de producere a energiei prin captarea razelor solare este mare, chiar daca amortizarea se produce in timp, sistemele fiind in general foarte fiabile si putand functiona 10-25 de ani fara mari costuri de intretinere.

In plus, panourile solare au un randament foarte scazut daca raportam cantitatea de energie produsa la dimensiunea lor: pentru acoperirea necesitatilor unei locuinte fiind necesare panouri de cateva zeci de metri patrati. Dar si acest lucru se va schimba pe masura ce tehnologia evolueaza.

Cel mai mare dezavantaj este insa acela ca energia solara este dependenta de razele soarelui, cu alte cuvinte de cantitatea de radiatii solare care ajung pe Pamant. Iar aceasta este variabila, in functie de ora, de perioada a anului, de conditiile atmosferice, etc. Si nu in ultimul rand, randamentul sistemelor solare depinde in mare masura de unghiul sub care cade raza de soare pe panoul solar, asadar de pozitia pe glob. O harta a potentialului solar in Europa poate fi vazuta mai jos.

Este energia solara o alternativa sau nu?

Cu singuranta este. Dar acesta este cuvantul potrivit momentan: o alternativa. La fel ca energia eoliana sau marina. Pentru ca in conditiile actuale, necesarul energetic al Terrei are nevoie de existenta centralelor pe baza de carbune sau nucleare. Dar in viitor, acest fapt se va schimba cu singuranta.

ENERGIA SOLARÃ Energia solarã este energia radiantã produsã în Soare ca rezultat al reacþiilor de fuziune nuclearã. Ea este transmisã pe Pãmânt prin spaþiu în cuante de energie numite fotoni, care interacþioneazã cu atmosfera ºi suprafaþa Pãmântului. Intensitatea radiaþiei solare la marginea exterioarã a atmosferei, când Pãmântul se aflã la distanþa medie de Soare, este numitã constantã solarã, a cãrei valoare este de 1,37∗106 ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea, intensitatea nu este constantã; ea variazã cu aproximativ 0,2 procente în 30 de ani. Intensitatea energiei solare la suprafaþa Pãmântului este mai micã decât constanta solarã, datoritã absorbþiei ºi difracþiei energiei solare, când fotonii interacþioneazã cu atmosfera.

Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pãmânt depinde într-un mod complicat, dar previzibil, de ziua anului, de orã, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de energie solarã care poate fi absorbitã depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe.

Absorbþia naturalã a energiei solare are loc în atmosferã, în oceane ºi în plante. Interacþiunea dintre energia solarã, oceane ºi atmosferã, de exemplu, produce vânt, care de secole a fost folosit pentru morile de vânt. Utilizãrile moderne ale energiei eoliene presupun maºini puternice, uºoare, cu design aerodinamic, rezistente la orice condiþii meteo, care ataºate la generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a unei reþele de distribuþie localã sau regionalã.

Aproximativ 30% din energia solarã care ajunge la marginea atmosferei este consumatã în circuitul hidrologic, care produce ploi ºi energia potenþialã a apei din izvoarele de munte ºi râuri. Puterea produsã de aceste ape curgãtoare când trec prin turbinele moderne este numitã energie hidroelectricã.

Prin procesul de fotosintezã, energia solarã contribuie la creºterea biomasei, care poate fi folositã drept combustibil incluzând lemnul ºi combustibilele fosile ce s-au format din plantele de mult dispãrute.

Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din biomasã.

De asemenea, oceanele reprezintã o formã naturalã de absorbþie a energiei. Ca rezultat al absorbþiei energiei solare în oceane ºi curenþi oceanici, temperatura variazã cu câteva grade. În anumite locuri, aceste variaþii verticale se apropie de 20C pe o distanþã de câteva sute de metri. Când mase mari de apã au temperaturi diferite, principiile termodinamice prevãd cã un circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de energie de la masa cu temperaturã mai mare ºi transferând o cantitate mai micã de energie celei cu temperaturã mai micã. Diferenþa între aceste douã energii calorice se manifestã ca energie mecanicã, putând fi legatã la un generator pentru a produce electricitate.

Captarea directã a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectate sã capteze energia, uneori prin focalizarea directã a razelor solare. Energia, odatã captatã, este folositã în procese termice, fotoelectrice sau fotovoltaice. În procesele termice, energia solarã este folositã pentru a încãlzi un gaz sau un lichid, care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice, energia solarã este transformatã direct în energie electricã, fãrã a folosi dispozitive mecanice intermediare. În procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care capteazã razele solare într-un receptor, unde cãldura solarã este transferatã într-un fluid care pune în funcþiune un sistem de conversie a energiei electrice convenþionale.

Utilizarea energiei solare apare din timpurile istoriei ca prezentã în viaþa oamenilor sub diferite forme: arma, curioziotate, utilizare efectiva; astfel în secolul al III-lea î.H., matematicianul grec Arhimede (287 212 î.H.) a aparat cetatea Siracuza (Sicilia) de atacuri, cu ajutorul unor oglinzi uriaþe care orientau fasciculele de luminã focalizatã spre navele inamice, incendiindu-le.

în 1767, apare ºi termenul de energie termo-solarã, când omul de ºtiinþa eleveþian Horace de Saussure a inventat "cutia fierbinte", în fapt cel dintâi colector solar iar în 1830 astrologul Sir John Hershel utilizeaza "cutia fierbinte" pentru a gati în timpul unei expediþii în sudul Africii ori în anul 1891 când are loc, in lume patentarea primului sistem comercial de încalzire a apei de catre Clarence Kemp.

Dintre toate sursele de energie care intra în categoria surse ecologice þi regenerabile cum ar fi: energia eolianã, energia geotermalã, energia mareelor; energia solarã se remarcã prin instalaþiile simple þi cu costuri reduse.

Sistemele fotovoltaice realizeaza conversia directa a energiei radiatiei solare in energie electrica, fara o poluare sonora si fara emisia unor gaze poluante in mediul ambiant. Sistemele fotovoltaice au fost folosite la inceput pentru a echipa satelitii, dupa aceea pe scara mai larga la echiparea ceasurilor electronice precum si a unor calculatoare. In ultimii 20 de ani sute de mii de sisteme fotovoltaice au fost instalate in toata lumea.

Ele sunt folosite in orase mici, precum si in sate in care implementarea unui astfel de sistem este mai rentabila decat conectarea la reteaua electrica sau folosirea de baterii / minigeneratoare de curent.

Astfel de sisteme au functionat perioade lungi de timp in domenii ca pomparea apei, electrificarea unor localitati sau case izolate, gestionarea unor rezerve de apa, aparate de taxat pentru parcari, telecomunicatii sau protectie catodica.

Totusi, in ciuda succesului acestor sisteme in toata lumea piata lor reprezinta numai un procent mic din ceea ce ar putea reprezenta piata de sisteme independente. Motivul principal nu este atat unul care tine de tehnologie cat lipsa de informatie. Existenta sistemelor fotovoltaice si rentabilitatea implementarii lor, atat la nivel urban cat si rural nu este cunoscuta de potentialii utilizatori. Deasemenea, exista conceptii gresite privind tehnologia fotovoltaica, ca de exemplu ideea ca sistemele fotovoltaice functioneaza numai in lumina solara intensa, tehnologia este prea sofisticata sau ideea ca ar fi prea scumpa comparativ cu extinderea retelei electrice.

Demersuri pe plan mondial, cu privire la folosirea surselor de energie neconvenþionale Ziua de 22 aprilie fost a desemnatã “Ziua Pãmântului” din anul acesta. În aceastã zi, jumãtate de miliard de oameni de pe întreg globul se vor reuni pentru a discuta problema resurselor energetice epuizabile ºi înlocuirii acestora cu resursele de energie neconvenþionale. Mai mult de 3000 de grupuri din 166 de þãri vor pregãti evenimentele ce vor avea loc pe 22 aprilie.

Societatea Internaþionalã de Energie Solarã (ISES) cu 35.000 de membrii din peste o sutã de þãri, pledeazã pentru folosire energiei solare încã din 1954. De-a lungul anilor, membrii acestei organizaþii au inventat tehnologii nucleare foarte eficiente pentru înlocuirea combustibililor.

ISES a iniþializat aºa-numitul program “ªcolile solare – un viitor strãlucit”. Programul încearcã sã arate studenþilor importanþa folosirii ºi descoperirii de noi metode prin care are loc înlocuirea resurselor convenþionale cu cele neconvenþionale. În astfel de ºcoli sunt folosite acele sisteme solare nu numai pentru a reduce costurile de energie, ci ºi pentru a salva planeta.

Pe 23 august 2000 a avut loc la Pitsburgh întâlnirea tuturor cercetãtorilor din lume din domeniul energiei solare. Iatã câteva nume importante din acest domeniu: · ROBIN K. VIEIRA, manager de programe ºi analist în cercetare la Centrul de Energie Solarã din Florida (FSEC), care pe 3 ianuarie 2000 a fost desemnat cercetãtorul anului din FSEC. Cu o vechime de peste 15 ani în proiectarea caselor solare, Vieira a fost principalul colaborator în peste douã milioane de contracte încheiate pentru realizarea unor astfel de construcþii; HOWARD WALLANCE, preºedinte al Întreprinderilor HKW a fost nominalizat pe 17 noiembrie 1999ca cel mai bun manager care a promovat pe piaþã casele solare.

Epuizarea iminenta a rezervelor de combustibil fosil traditional (carbune, petrol, gaze naturale), constituie o problema majora pentru populatie.

Criza energetica la nivel mondial a stimulat pretutindeni în lume cercetarile pentru dezvoltarea si valorificarea eficienta a unor surse noi, alternative de energie.

- Interes deosebit îl prezinta Soarele.

- Pamantul primeste de la Soare5180Q=5180*2,93*1014kWh - Puterea radiata de Soare în afara atmosferei terestre are o densitate medie de 0,1353 W/cm2 .

- La nivelul solului, densitatea puterii radiate scade datorita absorbtiei si împrastierii diferitelor gaze.

Calitatea unui dispozitiv de transformare a energiei solare în energie electrica se apreciaza dupa: - eficienta de conversie - pretul de cost al dispozitivului - durata lui de viata

ISTORIC

Deja þi în Grecia anticã se þtia cã energia luminii se poate utiliza, astfel se pare cã la asediul Siracuzei în anul 212 înaintea erei noastre grecii au concentrat lumina solarã cu oglinzi þi au îndreptat-o cãtre flota asediatoare a romanilor, incendiind-o. Tot grecii au fost þi cei care au utilizat energia luminoasã în scop paþnic aprinzând cu ea flacãra olimpicã. În 1839 Alexandre Edmond Becquerel a descoperit cã o baterie expusã la soare produce mai mult curent electric decât una neexpusã. Pentru acest experiment a mãsurat diferenþa de potenþial dintre doi electrozi de platinã situaþi unul pe faþa luminatã þi celãlalt pe faþa umbritã a recipientului þi scufundaþi într-o baie de soluþie chimicã acidã .

Când a expus aceastã construcþie la soare a observat trecerea unui curent printre electrozi. Aþa a descoperit efectul fotoelectric pe care însã nu îl putea explica încã. Mãrirea conductivitãþii seleniului a fost demonstratã în 1873. Zece ani mai târziu a fost confecþionat prima celulã fotoelectricã “clasicã”. Dupã încã zece ani în 1893 a fost confecþionat prima celulã solarã care producea electricitate. În 1904 fizicianul german Philipp Lenard a descoperit cã lumina incidentã pe anumite suprafeþe metalice elibereazã electroni din suprafaþa acestuia þi astfel a oferit prima explicaþie referitoare la efectul fotoelectric. Totuþi el nu þtia încã de ce þi la care metale se produce acest efect. Cu toate acesta pentru aceastã descoperire el a obþinut premiul Nobel pentru fizicã în anul 1905. Rezolvarea problemei a venit de la Albert Einstein în 1905 când cu ajutorul teoriei cuantice a explicat dualitate luminii ea fiind prezentã în acelaþi timp þi ca particulã þi ca undã. Pânã atunci se credea cã lumina este doar energie cu diferite lungimi de undã. Einstein în experimentele sale a constatat cã lumina în unele situaþii se comportã ca o particulã, þi cã energia fiecãrei particule sau foton depinde doar de lungimea de undã. El a descris lumina ca o serie de gloanþe ce ating suprafaþa materialului.

Dacã aceste gloanþe au suficientã energie, un electron liber din metalul atins de foton se va elibera din structura acestuia. Totodatã a constatat cã energia cineticã maximã a electronului este independentã de intensitatea luminii þi depinde doar de energia fotonului care l-a eliberat. Aceastã energie depinde totodatã numai de lungimea de undã respectiv frecvenþa luminii. Pentru lucrãrile sale privind fenomenul fotovoltaic, a obþinut premiul Nobel pentru fizicã în anul 1921. Descoperirea în anul 1949 a joncþiunii p-n de cãtre William B. Shockley, Walther H. Brattain þi John Bardeen a fost încã un pas mare în direcþia celulelor. Dupã aceastã descoperire fabricãrii celulei solare în forma cunoscutã astãzi nu îi mai sta nimic în cale. Fabricarea primei celule solare în 1954 în laboratoarele firmei americane Bell se datoreazã totuþi unei întâmplãri fericite. Angajaþii firmei sub conducerea lui Morton Price au observat cînd cercetau un redresor cu siliciu, cã acesta producea mai mult curent cînd era expus la soare. Ca urmare firma Bell prin contribuþia domnilor Chapin, Fuller þi Pearson a dezvoltat în 1953 primele celule solare din siliciu impurificate cu arsen dar care aveau un randament de doar 4 % care a fost mãrit la 6 % prin schimbarea impurificãrii. În 1958 au fost testate celule solare pentru prima datã pe sateliul Vanguard I dotat cu un panou solar având 108 celule solare pe bazã de siliciu. Rezultetele obþinute au fost peste aþteptãri – pânã în ziua de azi sondele spaþiale pânã dincolo de marte sunt alimentate cu curent produs de celulele solare, iar în anul 2011 se va lansa sonda spaþialã Juno care va fi prima sondã spaþialã spre Jupiter alimentatã cu curent produs de celule solare. S-au atins în spaþiu randamente de pânã la 10,5 %. Aceste rezultate nu se puteau realiza pe pãmînt þi datoritã condiþiilor diferite din spaþiu unde nu se regãseþte ritmul zi-noapte þi lumina naturalã nu este absorbitã parþial de atmosferã þi nori, totodatã radiaþiile cosmice conduc la o îmbãtrânire mai rapidã a celulelor solare decât pe pãmânt. De aceea industria þi cercetarea încearcã obþinerea unor randamente tot mai mari în paralel cu prelungirea duratei de viaþã. Randamentul teoretic pentru celule solare pe bazã de siliciu se considerã a fi de 29 % pentru condiþiile de iradiaþie pe spectrul din zona de mijloc. Mandelkorn þi Lamneck au mãrit durata de viaþã a celulelor solare în 1972 printr-o reflectare a purtãtorilor de sarcinã minoritari dupã ce au introdus un strat numit black surfaces field (BSF) în stratul impurificat “p”. În 1973 Lindmayer þi Ellison au confecþionat aþa numita celulã mov ce avea un randament de 14 %. Prin reducerea reflexiei în 1975 s-a mãrit randamentul la 16 %.

Aceste celule s-au numit celule CNR (Comsat Non Reflection; Comsat = Telefonsatelit ) þi au fost concepute pentru sateliþi Criza de la începutul anilor 70 a condus la creþterea preþurilor produselor petroliere având ca rezultat creþtere preþului energiei. Acest lucru a impulsionat cercetãrile în domeniul celulelor solare. În 1980 s-a început organizarea de concursuri de automobile acþionate cu energie electricã obþinutã de la module solare. În 1981 un avion acþionat de energie solarã a traversat Canalul Mânecii. Între timp Green precum þi specialiþtii de la Universitatea Stanford þi cei de la Telefunken au dezvoltat cellule solare cu un randament în jur de 20 %.

Antoine Becquerel a descoperit posibilitatea generarii unui curent electric în circuit sub actiunea luminii (în 1839). Iar Frenkel (1935), Landau (1936) au dat explicatii asupra fenomenului.

Conversia radiatiei solare în energie electrica prin efectul fotovoltaic se realizeaza în celule solare se realizeaza direct, fara etape intermediare de transformare în caldura.

Celulele solare pot fi clasificate dupã mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este dupã grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros þi celule cu strat subþire.

Un alt criteriu este felul materialului: se întrebuinþeazã, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinaþiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit estesiliciul.

Dupã structurã de bazã deosebim materiale cristaline(mono-/policristaline) respectiv amorfe. În fabricarea celulelor fotovaltaice pe lângã materiale semiconductoare, mai nou, existã posibiltatea utilizãrii þi a materialelor organice sau a pigmenþilor organici.

Foarte multe celule solare compuse din diverse materiale au fost dezvoltate in ultimii ani. Marea majoritate a celulelor sunt fabricate din siliciu. Celulele sunt clasificate ca si cristaline sau thin film.

Celulele cristaline sunt „felii taiate” din lingouri sau „piesa turnata” de cristale din siliciu, iar celulele thin-film contin straturi foarte subtiri din material ieftin ( sticla, inox sau plastic).

PRINCIPIU DE FUNCTIONARE Celulele solare pe bazã de materiale semiconductoare în principiu sunt construite ca niþte fotodiode cu suprafaþã mare care însã nu se utilizeazã ca detectoare de radiaþii ci ca sursã de curent.

Interesant la acest tip de semiconductoare este cã prin absorbþie de energie (cãldurã sau luminã) elibereazã purtãtori de sarcinã (electroni þi goluri). Este nevoie de un câmp electrostatic intern pentru ca din aceþti purtãtori sã se creeze un curent electric dirijându-i în direcþii diferite.

Acest câmp electric intern apare în dreptul unei joncþiuni p-n. Pentru cã intensitatea fluxului luminos scade exponenþial cu adâncimea, aceastã joncþiune este necesar sã fie cât mai aproape de suprafaþa materialului þi sã se pãtrundã cât mai adânc. Aceastã joncþiune se creeazã prin impurificarea controlatã.

Pentru a realiza profilul dorit, în mod normal se impurificã „n” un strat subþire de suprafaþã þi „p” stratul gros de dedesubt în urma cãruia apare joncþiunea. Sub acþiunea fotonilor apar cupluri electron-gol în joncþiune, din care electronii vor fi acceleraþi spre interior, iar golurile spre suprafaþã. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina în joncþiune rezultând o disipare de cãldurã, restul curentului putând fi utilizat de un consumator, încãrcat într-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat în reþeaua publicã. Tensiunea electromotare maximã la bornele unei celule solare (de exemplu la cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V. Structura celulelor solare se realizeazã în aþa mod încât sã absoarbã cât mai multã luminã þi sã aparã cât mai multe sarcini in joncþiune. Pentru aceasta electrodul de suprafaþã trebuie sã fie transparentã, contactele la acest strat sã fie pe cât posibil de subþiri, pe suprafaþã se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micþora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albãstruie a celulelor solare care fãrã aceasta ar avea o culoare gri-argintie.

La celulele solare moderne se obþine din nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD(pe o suprafaþã încãlzitã se depun în urma unei reacþii chimice componente extrase dintr-o fazã gazoasã) un stratul antireflectorizant de cca 70 nm grosime (sfert de lungime de undã la un coeficient de refracþie de 2,0). Se mai utilizeazã straturi reflectorizante din SiO2 þi TiO2 ce se depun prin procedeul AP-CVD. Grosimea stratului influenþeazã culoarea celulei (culoarea de interferenþã). Grosimea stratului trebuie sã fie cât se pote de uniformã, deoarece abateri de câþiva nanometri mãresc gradul de reflexie. Celulele îþi datoreazã culoarea albastrã realizãrii unei grosimi ce corespunde lungimii de undã a culorii roþii, culorea cea mai bine absorbitã de siliciu. În principiu însã în acest mod se pot realiza celule roþii, galbene, sau verzi la cerinþe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu þi a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are þi un rol de a reduce viteza de recombinare superficialã

Curentul generat de o singura celula este mic dar combinatii serie, paralel al acestor celule pot produce curenti suficienti de mari pentru a putea fi utilizati. Aceste celule de obicei sunt incapsulate in panouri care le ofera rezistenta mecanica si la intemperii.

Randamentul acestor celule solare si module este dependenta de tehnologia (material) folosita. Materiale diferite si combinatii produc o rata a randamentului diferita.

Randamentul teoretic maxim care poate fi atins este de aproximativ 42 % pentru materialele cunoscute in prezent. Sunt unele materiale de top care nu sunt prezentate in figura de mai sus si care sunt utilizate in industria spatiala.

Din experienta putem spune ca materialele utilizate in laborator au o eficienta cu cel putin 30% mai mare decat cele utilizate in productia industriala. In general dureaza intre 5- 10 ani pentru ca un material testat in laborator sa ajunga pe piata comerciala.

Module solare (Solar Modules)

Celulele fotovoltatice sunt interconectate pentru a forma module si sunt asezate intre doua starturi ( unul transparent si altul protector) pentru a forma un panou solar. Puterea electrica acestor module variaza intre 5W si 200W si uneori si pana la 300W. Modulul solar fiind „caramida” de constructie a unui sistem fotovoltaic pentru a obtine puterea dorita.

Putem face urmatoarele observatii pentru modulele cunoscute: · aproape toate celulele sunt fabricate din siliciu · cea mai comuna tehnologie este cristalina · thin cells este o tehnologie cu mare potential

Celule utilizate

Tip celula

Siliciu Monocristalin

Descriere

Siliciu monocristalin – cristal unic si continu fara aproape nici un

Avantaje

Foarte stabil Experienta indelungata

Dezavantaje

Proces lung si complicat de productie

Parte din piata 42%

Tip celula

Siliciu Multicristalin

Descriere

Siliciu multicristalin – granule multiple de cristal monocristalin

Avantaje

Fabricare rapida

Dezavantaje

Proces lung si complicat de productie

Parte din piata 42%

Tip celula solara utilizat

Siliciu EFG (Edgedefined Film-fed

Descriere

Siliciu cristalin – crescut in blocuri dar in straturi

Avantaje

Fabricare rapidasi economica

Dezavantaje

Suprafata celulei neregulata si poate cauza probleme in

Parte din piata 3%

Tip celula

Siliciu Amorf

Avantaje

Fabricare in tehnologie dezvoltata pentru consumatori

Dezavantaje

Randament foarte

Parte din piata 12%

Tip celula

CIS, CdTe

Descriere

Cupru Iridium Deselenit (CIS) sau Cadmiu telurit

Dezavantaje

Tehnoligie relativ noua si inca neperformanta

Parte din piata 1%

Sistemul fotovoltaic mai dispune si de alte componete iar cele mai importante sunt acumulatorii si invertoarele. Sistemele fotovoltaice pot fi descrise de doua categorii principale.

Sisteme independente (Stand-alone systems) Aceste sisteme sunt utilizate in zone fara energie electrica. In principiu energia produsa de panourile solare este stocata in baterii, iar de acolo este furnizata cu ajutorul unui invertor (convertor curent continuu – curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220V.

Aceste sisteme sunt in general grupate pe aplicatii profesionale de telecomunicatii , sisteme de pompare, iluminat, etc sau pe aplicatii in mediul rural fara energie electrica.

Sisteme conectate la retea (Grid-connected systems) Aceste sisteme sunt utilizate in zone cu energie electrica. In principiu energia produsa de panourile solare este livrata in reteaua nationala si in acelasi timp folosita pentru aplicatile casnice.

Aceste sisteme permit reducerea semnificativa a costurilor cu energia electrica consumata dar presupun o investitie initiala care se va amortiza in timp.

Amortizarea energeticã þi eficienþa energeticã Amortizarea energeticã este momentul în care energia consumatã pentru fabricarea celulei fotovoltaice este egalatã de cea produsã în timpul exploatãrii. Cel mai bine se prezintã din acest punct de vedere celulele cu strat subþire. Un panou solar (fãrã cadru) cu astfel de celule se amortizeazã în 2-3 ani, Celulele policristaline necesitã pânã la amortizare cca 3-5 ani, pe când cele monocristaline 46 ani. Deoarece un sistem cu panouri solare include þi suporþii de montare, invertor etc. durata de amortizare energeticã se mãreþte cu cca 1 an.

Protecþia mediului În fabricarea de celule solare se utilizeazã parþial þi materiale dãunãtoare sãnãtãþii þi mediului. Exemplu în acest sens prezintã celulele cu strat subþire CdTe þi arseniura de galiu þi mult discutatele celule solare de tip CIS þi CISG. Producþia în masã þi utilizarea pe suprafeþe extinse a acestora trebuie bine cântãritã. Dar þi producþia de celule cu siliciu tradiþionale ascunde pericole pentru mediu. Pentru persoane neavizate aceste riscuri ce sunt legate de procesul de fabricaþie nu sunt vizibile. Aici intervine cerinþa de a promova selectiv tehnologiile de fabricare a celulelor solare ce nu distrug mediul þi care pe baza progreselor tehnologice promit avantaje concurenþiale.

Aplicatii în care intervin celule solare ca generatoare electrice - generatoare izolate de mica putere (calculatoare de buzunar, radioreceptoare portabile) - generatoare locale de putere medie (pompe de irigatii, aparate electrocasnice, vehicule electrice) - generatoare de mare putere (pentru alimentarea retelei de curent alternativ) Factorii de care depinde eficienta celulei solare O celula fotovoltaica transforma doar o parte din energia radianta în energie electrica, restul se pierde ca urmare a unei serii de procese ce se petrec în timpul conversiei: - procese care intervin cand energia este sub forma de radiatie (pierderi de radiatie) - procese care intervin dupa ce energia radianta a fost transferata semiconductorului - pentru fiecare proces se poate defini cate o “eficienta partiala” • eficienta celulei rezulta ca un produs al tuturor “eficientelor partiale” - patrunderea luminii prin suprafata - absorbtia incompleta - generarea purtatorilor - pierderi de curent datorate recombinarii - pierderi de tensiune<O:P</O:P • jumatate din energia absorbita de la soare se pierde sub forma de caldura • aceasta pierdere face ca maximum de eficienta sa fie în jur de 25%.

Celulele solare sunt impartite in 3 generatii, care indica ordinea in care au devenit importante.

1.

Prima generatie: celule solare cristaline sau pe baza de gaz Acestea au o eficienta teoretica limitata la 33%.

Structura lor este pe o sigura jonctiune.

O mare parte din energia produsa se transforma in caldura, nu in electricitate.

2.

A doua generatie: celule solare cu strat subtire In aceasta a doua generatie, procedeele de fabricatie au reusit sa reduca considerabil energia transformata in caldura in loc de electricitate.

Structura multi-jonctiune asigura o eficienta imbunatatita fata de prima generatie 3.

A treia generatie: celule solare cu strat subtire in dezvlotare.

Aceasta generatie urmaresterea imbunatatirea eficientei si reducerea costurilor de fabricatie pentru celulele din a doua generatie.

Power Plastic速 este un material subtire, usor in greutate si foarte flexibil ce serveste ca o sursa integrata de energie low-cost pentru dispozitive portabile ata pentru structuri cat si pentru sisteme. El e facut din polimeri semi-conductori organici ce expun:

1. cost redus 2. materie prima din abundenta, si 3. toxicitate redusa Eficienta maxima la o lumina de intensitate mica Combinatia de polimeri are capacitatea de a absorbi o mai mare parte a spectrului de lumina Eficienta celulelor se mareste odata cu temperatura, unde temperaturile ridicate slabesc eficientza altor tehnologii Materialele au un spectru larg de culori datorita disponibilitatii siliconului

Power Plastic este tehologia ce foloseste material fotovoltaic produs din polimeri semi-conductori si nano-materiale. Materialul activ printat absoarbe fotonii pentru a elibera electroni reactie ce produce electricitate. Materialul activ se afla intre straturi de elctrozi incorporate intre substrat si materialul transparent protector. Grosimea produsului finit variaza intre 2 -10 mm.

Functionalitate si implementare Celule solare sunt conectate electric intre ele si formeaza module fotovoltaice.

Modulele fotovoltaice sunt acoperite de o suprafata de sticla sau un material tranparent care permite luminii sa ajunga in celule si protejeaza semiconductorii de pericolele naturale.

De regula, celule solare din modulele fotovoltaice sunt conectate in serie, ceea ce creeaza un voltaj suplimentar. Conectarea lor in paralel va creste eficienta. Modulele fotovoltaice sunt interconectate fie in serie, fie in paralel, fie in ambele moduri, formand campuri solare la voltajul dorit.

Power Fiber cearcetarea curenta se bazeaza pe folosirea Power Fiber si anume de a introduce material fotovoltaic in textile. Mai bine decat implementarea in material plasctic, Power Fiber este facut prin invelirea electrodului primar cu starturi din material activ, electrodul transparent si invelis transarent protector. Textilele pot avea acelasi aspect si sentiment la atingere, in timp ce pot produce curent.

Compania Americana Solarmer Energy va creea celule solare din plastic pentru dispozitivele electronice portabile. Prototipul, o celula ce masoara 50 centimetri patrati, este prevazut sa atinga o eficienta de 8% si o durata de viata de cel putin trei ani.

Inventia, un nou material semiconductor denumit PTB1, transform達 lumina solar達 樽n energie electric達.

Stratul activ al materialului semiconductor (PTB1) are o grosime de doar 100 nanometrii iar latimea de aproximativ 1000 atomi. Un avantaj pe care aceasta tehnologie de la Chicago il are este simplitatea.

Prin combinarea aparatelor de expertiza ale firmei Solarmer cu materialul semicinductor al inventatorilor Yu si Liang, a fost realizata o eficienta mai mare a materialului.

APLICATII: In prezent tehnologia permite integrarea in multiple categorii de aplicatii incluzand telefoane mobile, PDA-uri, playere audio, laptop-uri; materiale arhitecturale( acoperisuri, fatade, jaluzele, panouri de sticla, copertine; si in textile, ce pot incarca aparate portabile.

O celulã fotoelectricã poate fi asimilatã cu o diodã fotosensibilã, funcþionarea ei bazându-se pe proprietãþile materialelor semiconductoare.

Celula fotoelectricã permite conversia directã a energiei luminoase în energie electricã. Principiul de funcþionare se bazeazã pe efectul fotoelectric.

De fapt, o celulã este constituitã din douã straturi subþiri de material semiconductor.

Cele douã straturi sunt dopate diferit: • Pentru stratul N, aport de electroni periferici • Pentru stratul P, deficit de electroni. Între cele douã straturi va apare o diferenþã de potenþial electric. Energia fotonilor luminii, captaþi de electronii periferici (stratul N) le va permite acestora sã depãþeascã bariera de potenþial þi sã creeze astfel un curent electric continuu.

Pentru colectarea acestui curent, se depun, prin serigrafie, electrozi pe cele douã straturi semiconductoare. Electrodul superior este o grilã ce permite trecerea razelor luminoase. Pe acest electrod se depune apoi un strat antireflectorizant, pentru creþterea cantitãþii de luminã absorbitã.

Cel mai utilizat material pentru realizarea fotopilelor sau a celulelor solare este siliciu, un semiconductor de tip IV. Acesta este tetra-valent, ceea ce înseamnã cã un atom de siliciu se poate asocia cu patru alþi atomi de aceeaþi naturã.

Se mai utilizeazã arseniurã de galiu þi straturi subþiri de CdTe (telurã de cadmiu), CIS (cupru-indiu-diseleniu) þi CIGS. Existã mai multe tipuri de celule solare: • • • •

Celule monocristaline Celule policristaline Celule amorfe Celule CdTe, CIS, CIGS

OLED la fel ca LED-ul, un OLED e un dispozitiv semiconductor ce are grosimea intre 100 si 500 nanometri sau de 20 de ori mai subtire decat un fir de par. OLEDurile pot avea doua sau trei straturi de material organic, al treilea strat inbunatatind transferulde electroni de la catod catre startul de emisie.

OLED parti componente: Substrat (plastic, sticla) - Substratul suport OLED. Anod (transparent) - Anodul face transferul de electroni cand este un flux de curent in dispozitiv Straturi organice - Aceste straturi sunt facute din molecule organice sau polimeri Strat conductor - Acest start e facut din molecule de plastic organic ce transporta gaurile de elctroni dinspre anod. Un polimer conductor folosit in OLED este polianilina.

Strat de emisie - Acest strat este fabricat din molecule organice plastice (diferite de cele de la stratul conductor), care transporta electroni de la catod; in acest strat se produce lumina. Un polimer utilizat ĂŽn stratul de emisie este polyfluorene.

Catod (poate sau nu sa fie transparent) - Catodul injecteaza electroni cand este flux de curent in dispozitiv

OLED-urile transparente au numai componente transparente( substrat, anod, catod) si cand nu functioneaza sunt pana la 85% transparente. Cand un â&#x20AC;&#x153;displayâ&#x20AC;? OLED e in functiune permite emiterea luminii in ambele directii.

OLED-urile ce emit lumina doar pe o directie, substratul este fie opac fie reflectiv.

OLED-urile flexibile au un substrat produs din foite de material metalic foarte flexibil sau plastic. Acestea sunt foarte durabile si usoare.

Procesul de emitere a luminii: Bateria sau sursa de energie a dispozitivului ce contine OLED aplica un voltaj prin OLED. Un impuls electric merge dinspre catod spre anod prin straturile organice.

Catodul trimite electroni spre stratul de emisie din molecule organice.

Anodul elibereaza electronii dinspre stratul conductor La limita dintre stratul de emisie si stratul conductor electronii gasesc gauri de electroni.

Cand un electron gaseste o gaura, el umple golul(este atras intrun c창mp electrostatic de atomul ce ii lipseste un electron).

Atunci electronul se descarca de energie in forma unui foton de lunima.

OLEDul emite lumina.

KITT DE CALATORIE