|
|
|
Benzi de energie
Termenul fotovoltaic combina cuvantul grecesc "photos" - lumina cu "volt", denumirea unitatii de forta electromotoare (dupa numele fizicianului italian Count Alessandro Volta, inventatorul bateriei). Astfel, cuvantul fotovoltaic semnifica transformarea luminii in electricitate [6].
Energia solara poate fi convertita direct in energie electrica, folosind efectul fotoelectric sau, mai precis, un caz particular al acestuia: efectul fotovoltaic.
Conversia fotovoltaica reprezinta conversia directa a radiatiei solare in energie electrica cu ajutorul celulelor solare sau generarea unei tensiuni electromagnetice intr-o jonctiune-homojonctiune/heterojonctiune sau dioda Schottky sub actiunea luminii [7]
Fenomenul fotovoltaic fost descoperit in 1839 de fizicianul francez Edmond Becquerel care descrie experimentele sale cu o "celula umeda", in cursul carora a observat ca tensiunea la bornele celulei creste daca electrozii sai de argint sunt expusi la lumina.
Efectul fotovoltaic consta in transformarea directa a energiei de radiatie luminoasa in energie electrica intr-un corp solid.
Primele celule fotovoltaice si-au gasit aplicatie la alimentarea cu energie electrica a satelitilor artificiali. Prima utilizare a fost in 1958 la alimentarea unui radioemitator amplasat pe al doilea satelit american, Vanguard I. Dupa acest succes, folosirea celulelor fotovoltaice la alimentarea vehiculelor spatiale a devenit universala [6].
Excluderea din lantul tehnologic a transformarilor intermediare, lipsa miscarii, zgomotului, vibratiilor, constructie modulara, durata de exploatare de peste 25 de ani, ne face sa afirmam ca viitorul energeticii descentralizate va apartine tehnologiei fotovoltaice. Nu intamplator revista engleza The Economist din 31 August 1991 mentiona referitor la conversia fotovoltaica a energiei solare: 'Din toate sursele alternative de energie - vantul, valul de mare, maree, geotermica - probabil cea mai promitatoare conversie a energiei solare in electricitate este cea fotovoltaica' [14].
Aplicatiile terestre au urmat imediat; la inceput acestea au fost ceea ce numim acum aplicatii profesionale (monitorizare, telecomunicatii), generatoarele fotovoltaice furnizand mici cantitati de energie in locuri unde reteaua publica de distributie a energiei electrice este inaccesibila [6].
Mai mult, numeroase sisteme fotovoltaice au fost instalate pentru a furniza electricitate unui numar mare de oameni de pe planeta care nu au avut acces la sursa principala, reteaua publica, generatoarele fotovoltaice pentru alimentarea satelor izolate, iluminare, refrigerare si aer conditionat, irigatii si alimentare cu apa vor forma un grup important de aplicatii in urmatorii ani.
Probabil una dintre cele mai atragatoare aplicatii a fost integrarea celulelor fotovoltaice in elemente de acoperis si fatada ale cladirilor la sfarsitul secolului XX.
In figura 1 se prezinta evolutia producerii mondiale de celule si module fotovoltaice (PV) si a costului unui watt in perioada 1990 2004. Dupa anul 1996 constatam o crestere extraordinara a producerii mondiale [14].
Intre ani, 2002 2004, cresterea in raport cu anul precedent a fost, respectiv egala cu 28,2; 79 si 60,5%. Pe o perioada de 15 ani capacitatea mondiala de producere a modulelor fotovoltaice a crescut de circa 25 ori.
Aceasta tendinta se va amplifica in anii urmatori deoarece in noile programe nationale se implica din ce in ce mai mult marile companii petroliere (Shell, British Petroleum).
Concomitent cu cresterea volumului de producere are loc scaderea costurilor celulelor fotovoltaice.
Pe o perioada de 10 ani costul unui watt a scazut de 2,35 ori. Dupa anul 2000 se constata o crestere a costului unui watt ce se explica prin formarea unui decalaj dintre capacitatile mondiale de producere a celulelor si de asamblare a modulelor fotovoltaice si producerea de materie prima - a siliciului pur.
Dar este de asteptat sa treaca multe decade pana modulele fotovoltaice vor contribui substantial la productia globala de energie.
Fig. 1. Evolutia productiei mondiale de module PV
Costul prezent al electricitatii obtinute pe cale fotovoltaica este cu un ordin de marime mai mare (cu exceptia sistemelor conectate in retea) decat pretul curent al energiei electrice produse prin hidrocentrale, termocentrale sau centrale nucleare.
Utilizarea practica a energiei electrice produsa pe cale fotovoltaica este limitata doar de investitiile initiale in achizitionarea celulelor, instalatii de stocare si de conditionare a energiei electrice.
Puterea instalata la nivel mondial a constituit in anul 2004 circa 1194MWc, primele trei locuri fiind ocupate de Japonia cu 51,8%, urmata de UE cu 25,8% si SUA cu 11,5% (figura 2).
Fig. 2. Distributia puterii instalate PV in anul 2004 la nivel mondial
Investitiile in instalatiile de transport si distributie a energiei electrice sunt egale cu zero. Acest avantaj este evident, daca se are in vedere faptul ca investitiile in instalatiile de transport si distributie a energiei electrice sunt deseori egale sau superioare investitiilor in instalatiile de producere a energiei cu sistemele conventionale.
Benzi de energie
Orice corp solid are o retea cristalina formata din atomi, ioni sau molecule fiecare dintre aceste particule reprezentand un sistem cuantic format din nuclee si electroni.
In stare de repaus (fara influente energetice exterioare), electronii unui atom dat se repartizeaza pe orbite astfel incat atomul are o stare de energie minima.
Cand atomul este excitat printr-un aport de energie: lumina, caldura, electronii isi schimba orbita, trecand pe una cu energie mai mare. Daca excitatia inceteaza electronii excitati revin in starea initiala eliberand energia dobandita, sub forma de energie luminoasa, caldura.
Atomii dintr-o retea cristalina interactioneaza intre ei datorita ultimului strat de electroni, numiti si electroni de valenta.
Benzile energetice care se formeaza in cristal din nivelele discrete ale atomilor liberi sunt separate prin intervale energetice in care nu exista nivele energetice pentru electroni, numite benzi de energie interzise.
Banda de energie pe care se afla electronii de valenta se numeste banda de valenta. In atomul liber, se gasesc si alte nivele energetice care, desi libere, pot fi ocupate cu electroni care apar prin excitarea atomului, numite benzi de conductie.
Ocuparea cu electroni a nivelelor energetice din banda de conductie poate incepe numai in momentul cand electronii din banda de valenta primesc o energie cel putin egala cu latimea benzi interzise.
Prin "trecerea" electronilor din banda de valenta in banda de conductie intelegem ca electronii in locul energiei anterioare, limitata de valoarea superioara a benzi de valenta au primit o energie mai mare, a carei valoare minima corespunde tocmai marginii inferioare a benzi de conductie.
Un electron participa direct la formarea curentului electric doar dupa ce si-a parasit atomul propriu, adica, a trecut in banda de conductie. Curentul electric care se stabileste intr-un corp apare datorita miscarii electronilor, care rezulta din atomii retelei cristaline.
