Universitatea Transilvania din
Faculatatea:Inginerie Tehnologica
Sectia:Ingineire Fizica
Energia solara este deosebit de atractiva datorita faptului ca este autoregenerabila deci practic inepuizabila. Este curat silentioasa si disponibila la orce punct al pamantului. Pe de alta parte energia provenita de la 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 de energie, electrice sau in alte instalatii de conversie si utilizare a energiei solare acestea sunt destul de mari in fazele de proiectare, constructiei dare le sunt amortizabile intr-un timp nu prea lung.
La inceput au fost dezvoltate baterii solare de mica putere 10-100W pentru alimentarea aparatelor de radio, TV, a unor aparate electrocasnice, medicale, metrologice, valise marine si a altor asemenea receptori situati in locuri greu accesibile(munti, desert, insule isolate) sau puternic dispersate in regiuni slab populate(pentru care instalarea retelelor de transport a energiei elecrice este nerentabila) si mai ales in tarile in curs de dezvoltare din Africa si Asia.
Astfel sute de
scoli din
Celula solara
O celula solara consta din doua sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai intalnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsa intre 0,001 si 0,2 mm si sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma jonctiuni „p” si „n”. Aceasta structura e similara cu a unei diode. Cand stratul de siliciu este expus la lumina se va produce o „agitatie” a electronilor din material si va fi generat un curent electric.
Celulele, numite si celule fotovoltaice, au de obicei o suprafata foarte mica si curentul generat de o singura celula este mic dar combinatii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenti suficient de mari pentru a putea fi utilizati in practica. Pentru aceasta, celulele sunt incapsulate in panouri care le ofera rezistenta mecanica si la intemperii.
Fig.1.O celula solara tipica
Clasificarea celulelor solare:
Celule pe baza de siliciu
Strat gros
o Celule monocristaline (c-Si)
randament mare - in productia in serie se pot atinge pana la peste 20 % randament energetic, tehnica de fabricatie pusa la punct; totusi procesul de fabricatie este energofag, ceea ce are o influenta negativa asupra periodei de recuperare (timp in care echivalentul energiei consumate in procesul de fabricare devine egal cantitatea de energia generata).
o Celule policristaline (mc-Si)
la productia in serie s-a atins deja un randament energetic de peste la 16 %, cosum relativ mic de energie in procesul de fabricatie, si pana acum cu cel mai bun raport pret – performanta.
Strat subtire
o Celule cu siliciu amorf (a-Si)
cel mai mare segment de piata la celule cu strat subtire; randament energetic al modulelor de la 5 la 7 %; nu exista strangulari in aprovizionare chiar si la o productie de ordinul TeraWatt
o Celule pe baza de siliciu cristalin, ex. microcristale (µc-Si)
in combinatie cu siliciul amorf randament mare; tehnologia aceeasi ca la siliciul amorf
Semiconductoare pe baza de elemente din grupa III-V
Celule cu GaAs
randament mare, foarte stabil la schimbarile de temperatura, la incalzire o pierdere de putere mai mica decat la celulele cristaline pe baza de siliciu, robust vizavi de radiatia ultravioleta, tehnologie scumpa, se utilizeaza de obicei in industria spatiala (GaInP/GaAs, GaAs/Ge)
Semiconductoare pe baza de elemente din grupa II-VI
Celule cu CdTe
utilizeaza o tehnologie foarte avantajoasa CBD(depunere de staturi subtiri pe suprafete mari in mediu cu pH , temperatura si concentratie de reagent controlate) ; in laborator s-a atins un randament de 16 %, dar modulele fabricate pana acum au atins un randament sub 10 %, nu se cunoaste fiabilitatea. Din motive de protectia mediului este improbabila utilizarea pe scara larga.
Celule CIS, CIGS
CIS este prescurtarea de la Cupru-Indiu-Diselenid produs in statie pilot la firma Würth Solar in Marbach am Neckar, respectiv Cupru-Indiu-Disulfat la firma Sulfurcell in Berlin, iar CIGS pentru Cupru-Indiu-Galiu-Diselenat produs in statie pilot in Uppsala/Suedia. Producatorii de mai sus promit trecerea la productia in masa in anul 2007.
Celule solare pe baza de compusi organici
Tehnologia bazata pe chimia organica furnizeaza compusi care pot permite fabricarea de celule solare mai ieftine. Prezinta, totusi, un impediment faptul ca aceste celule au un randament redus si o durata de viata redusa (max. 5000h). Inca (ianuarie 2007) nu exista celule solare pe baza de compusi organici pe piata.
Celule pe baza de pigmenti
Numite si celule Grätzel utilizeaza pigmenti naturali pentru transformarea luminii in energie electrica; o procedura ce se bazeaza pe efectul de fotosinteza. De obicei sunt de culoare mov.
Celule cu electrolit semiconductor
De exemplu solutia: oxid de cupru/NaCl. Sunt celule foarte usor de fabricat dar puterea si siguranta in utilizare sunt limitate.
Celule pe baza de polimeri
Deocamdata se afla doar in faza de cercetare.
Principiul de functionare a unei celule solare
Celulele solare pe baza de materiale semiconductoare in principiu sunt construite ca niste fotodiode cu suprafata mare care insa nu se utilizeaza ca detectoare de radiatii ci ca sursa de curent.
Interesant la acest tip de semiconductoare este ca prin absorbtie de energie (caldura sau lumina) elibereaza purtatori de sarcina (electroni si goluri). Este nevoie de un camp electrostatic intern pentru ca din acesti purtatori sa se creeze un curent electric dirijandu-i in directii diferite.
Acest camp electric intern apare in dreptul unei jonctiuni p-n. Pentru ca intensitatea fluxului luminos scade exponential cu adancimea, aceasta jonctiune este necesar sa fie cat mai aproape de suprafata materialului si sa se patrunda cat mai adanc. Aceasta jonctiune se creeaza prin impurificarea controlata. Pentru a realiza profilul dorit, in mod normal se impurifica „n” un strat subtire de suprafata si „p” stratul gros de dedesubt in urma caruia apare jonctiunea. Sub actiunea fotonilor apar cupluri electron-gol in jonctiune, din care electronii vor fi accelerati spre interior, iar golurile spre suprafata. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina in jonctiune rezultand o disipare de caldura, restul curentului putand fi utilizat de un consumator, incarcat intr-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat in reteaua publica. Tensiunea electromotare maxima la bornele unei celule solare (de exemplu la cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.
Fig.2. Principiul de functionare a celulei solare cu semiconductori: Fotoni incidentali elibereaza electroni si goluri, care se vor separa in campul electric al zonei de sarcina spatiala a jonctiunii p-n
Structura celulelor solare se realizeaza in asa mod incat sa absoarba cat mai multa lumina si sa apara cat mai multe sarcini in jonctiune. Pentru aceasta electrodul de suprafata trebuie sa fie transparenta, contactele la acest strat sa fie pe cat posibil de subtiri, pe suprafata se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micsora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albastruie a celulelor solare care fara aceasta ar avea o culoare gri-argintie.
Fig.3. Structura unei celule solare simple cu impurificare pin - positive intrinsic negative.
La celulele solare moderne se obtine din nitrat de siliciu prin procedeul PE-CVD(pe o suprafata incalzita se depun in urma unei reactii chimice componente extrase dintr-o faza gazoasa) un stratul antireflectorizant de aproximativ 70 nm grosime (sfert de lungime de unda la un coeficient de refractie de 2,0). Se mai utilizeaza straturi reflectorizante din SiO2 si TiO2 ce se depun prin procedeul AP-CVD.
Grosimea stratului influenteaza culoarea celulei (culoarea de interferenta). Grosimea stratului trebuie sa fie cat se pote de uniforma, deoarece abateri de cativa nanometri maresc gradul de reflexie. Celulele isi datoreaza culoarea albastra realizarii unei grosimi ce corespunde lungimii de unda a culorii rosii, culorea cea mai bine absorbita de siliciu. In principiu insa in acest mod se pot realiza celule rosii, galbene, sau verzi la cerinte arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. In cazul nitratului de siliciu si a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are si un rol de a reduce viteza de recombinare superficiala.
Pentru alimentarea acumulatorilor masinutei folosim 4 celule solare. De la o singura celula obtinem 3V si 30mA. Cele 4 celule vor fi legate 2 in paralel si 2 in serie dupa modelul de mai jos astfel incat la iesire vom obtine 6V si 60 mA.
Circuit de incarcare 1:
In aceasta schema de incarcare se foloseste chip-ul L200 care are dimensiunea de aproximativ 1 cm cu 5 pini.
Chip-ul in schema de ma jos are rolul de a regal tensiunea cu un limitator de current. Limitarea de curent este importanta pentru functionarea normala a convertorului AC/DC.
Pinul 5 ofera puterea la iesire. Tot curentul care intra trece prin rezistenta R3. Pinul 2 este intrarea unui voltmetru intern, care detecteaza tensiunea care scade intre pinul 5 si pinul 2. Daca tensiunea scade mai mult de 0.45V, atunci se pierde prea mult curent. Pinul 4 este intrarea unui alt voltmetru, care sesizeaza scaderea tensiunii intre pinul 4 si masa (pinul 3). L200 seteaza tensiunea de pe pinul 5 astfel incat tensiunea de pe pinul 4 sa fie 2.77, presupunand caci curentul este mai mic decat curentul maxim de incarcare. Dar daca este prea mult curent la iesire, scade tensiunea de pe pinul 5 pentru a tine curentul la o valoare normala. In acest caz vom obtine un curent mai mic decat cel de care avem nevoie la iesire.
L200 are nevoie pentru a functiona o tensiune de intrare cel putin cu 2V mai mare decat tensiunea dorita la iesire. Dar daca aceasta tensiune este mult mai mare vom pierde mult curent in circuit care se va comporta ca un resistor. Daca incarcam o baterie de 6V vom avea nevoie la iesire de 7V, si astfel tensiunea de la intrare va trebui sa fie de 9V.
Circuit de incarcare 2:
Circuitul de mai jos ofera un curent de 3.6V unei baterii lithium ion. Curentul este limitat la 300 mA iar tensiunea este limitata la 4.2V. Circuitul foloseste un integrat LTC1734 si un panou solar de 6V.
Integratul din imagine este disponibil in variantele 4.1V sau 4.2V cu o acuratete de 1%. Curentul constant este programat utilizand un singur resistor extern intre pinul PROG si masa.
Curentul incarcat poate fi monitorizat de pe pinul PROG lasand microcontrolerul sa citeasca curentul si sa determine cand sa termine ciclul de incarcare. Pinul de iesire DRIVE este atat limitator de curent cat si protejeaza LTC1734 de a opera peste limitele sale de siguranta.
Pentru incarcarea acumulatorilor masinii vom folosi circuitul numarul 2 deoarece nu avem nici un fel de pierdere in circuit deci la o tesnsiune de 6V la intrare vom obtinle la iesire tot 6V pe cand la circuitul1 trebuie sa introducem 7 V pentru ca la iesire sa obtinem 6V.
Mai jos avem o schema bloc a proiectului.
Bibliografie:
https://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83
https://www.linear.com/pc/viewCategory.jsp
https://www.discovercircuits.com/H-Corner/solar-batt-chgr.htm
https://www.jucariisolare.ro/detalii/ma-351inu-355-259-solar-din-acryl---kit-de-construit/49/
https://www.myra-simon.com/bike/charger.html
https://www.avataremess.com/avatare-masini-10.htm?page=7
|
