Celula fotovoltaica

Celula fotovoltaica

Celula fotovoltaica este un dispozitiv electronic, functionarea caruia se datoreaza purtatorilor de sarcina minoritari [6]. Celulele fotovoltaice sunt fiabile, nu au piese in miscare, si costurile cu functionarea si intretinerea sunt foarte scazute. Functionarea celulei fotovoltaice este silentioasa si nu polueaza. Exista deja un numar insemnat de astfel de aplicatii terestre unde celulele fotovoltaice furnizeaza energie electrica. Multe instalatii astfel alimentate, functioneaza in locatii unde alte surse de alimentare cu energie nu sunt fezabile.

Cantitatea de radiatii care ajunge pe pamant este, bineinteles, foarte variabila. Aceasta cantitate depinde pe de o parte de variatiile regulate determinate de zile si ani cauzate de miscarea aparenta a Soarelui cat si de variatii aleatoare determinate de conditiile climatice (prezenta norilor) precum si de compozitia generala a atmosferei. Din aceste motive, sistemele de conversie fotovoltaica se construiesc pe baza datelor provenite din masuratori realizate in apropierea zonei instalate.

Relatia 3.16 reprezinta ecuatia caracteristicii curent-tensiune a unei celula fotovoltaice care are schema echivalenta prezentata in figura 3.9:

La functionarea in scurtcircuit U = 0 deci I_sc = I_s. Curentul de scurtcircuit se obtine la scurtcircuitarea bornelor sarcinii R. Pe caracteristica I-U coordonatele sunt U=0, I=I_sc. Puterea furnizata in acest caz este zero.

La functionarea in gol I = 0 rezulta:

                        (3.17)

U_g - tensiunea de mers in gol, [V].

Tensiunea de mers in gol corespunde punctului de pe caracteristica I-U cu coordonatele I=0 si U=U_g. In figura 3.9 cu P_c s-a notat puterea critica, care geometric corespunde punctelor de tangenta a hiperbolelor P=UI=constant catre caracteristica I-U (figura 3.9.d).

Fig. 3.9 Schema echivalenta a celulei fotovoltaice

a - simplificata; b - completa; c,d - caracteristicile celulei [14]

.

Daca nivelul de iluminare este foarte ridicat I_s>>I₀ rezulta:

In lipsa iluminarii:

Cu tehnologiile moderne se obtin celule cu si , incat schema echivalenta simplificata este satisfacatoare. In acest caz caracteristica curent - tensiune se scrie sub forma:

                  (3.18)

Pentru a mari eficienta celulelor fotovoltaice trebuie avut in vedere faptul ca radiatia solara prezinta un spectru larg de frecventa. Cea mai utilizata metoda pentru folosirea intregului spectru al radiatiei solare este cea a utilizarii unor materiale semiconductoare cu nivele de energie in banda interzisa.

In aceasta situatie electronii se pot afla pentru un timp oarecare pe astfel de niveluri, ceea ce face disponibile mai multe valori ale energiei fotonilor pentru generarea purtatorilor de sarcina libera.

Utilizand semiconductoare cu banda interzisa mai larga se obtin tensiuni mai mari la bornele fotocelulei. Dar, semiconductoarele cu banda interzisa mai larga utilizeaza doar o parte din fotonii incidenti avand ca rezultat obtinerea unui curent scazut. Din acest motive, pentru obtinerea de performante ridicate pentru o fotocelula trebuie aleasa o valoare de compromis.

Parametrii celulelor si modulelor fotovoltaice

Producatorii de celule si module PV indica in cartea tehnica a produsului parametrii ridicati in conditii standard:

radiatia solara globala pe suprafata celulei, G=1000 W/m²;

temperatura celulei, T_c= 25 °C;

In mod obligatoriu in cartea tehnica se prezinta: curentul de scurt circuit, I_sc; tensiunea de mers in gol, U_g; puterea maximala sau critica, P_c; tensiunea si curentul in punctul critic, U_M si I_M.

Pe langa acesti parametri pot fi indicati suplimentar: factorul de umplere (Fill Factor), FF, randamentul celulei sau modulului PV, Temperatura Normala de Functionare a Celulei NOCT, coeficientii de variatie a tensiunii de mers in gol si a curentului de scurt circuit cu temperatura [14].

a.     Puterea maxima a celulei

          (3.19)

Puterea electrica cedata sarcinii R a unei celule fotovoltaice este:

Valoarea maxima a puterii furnizate se obtine intr-un punct M al caracteristicii curent-tensiune, ale carui coordonate sunt rezultate din conditia:

deci rezulta:

Din relatia  rezulta ca:

                    (3.20)

Avand in vedere si expresia rezulta:

      T

Se inlocuieste in relatia:  rezultand:

                             (3.21)

Ca urmare puterea maxima are expresia:

       (3.22)

b.     Rezistenta interna se determina din tangenta la curba I-U dusa in punctul M corespunzator puterii maxime:

                                      (3.23)

c.      Rezistenta serie se determina din tangenta la curba I-U dusa in punctul U:

                                     (3.24)

d.     Rezistenta paralel se determina din tangenta la curba I-U dusa in punctul I_sc:

                                      (3.25)

e.     Factorul de umplere (fill factor) este definit ca raportul intre puterea maxima si produsul intre tensiunea in gol si curentul de scurtcircuit:

               (3.26)

Cu cat este mai mica rezistenta interna a celulei fotovoltaice cu atat FF este mai mare. De obicei FF>0,7.

f.      Randamentul unei celule fotovoltaice - se determina ca raportul dintre puterea generata de celula la iesire la o temperatura specificata si puterea radiatiei solare.

  (3.27)

S - aria suprafetei celulei sau modulului, [m²];

E - radiatia globala incidenta pe suprafata celulei sau modulului, [W/m²].

g.     Temperatura Normala de Functionare a Celulei (NOCT). Corespunde temperaturii celulei fotovoltaice la functionare in gol, la temperatura mediului de 20 C, radiatia globala de 800W/m² si viteza vantului mai mica de 1m/s. Pentru celule uzuale NOCT se situeaza intre 42 si 46 C. Daca cunoastem NOCT putem determina temperatura celulei T_C in alte conditii de functionare caracterizate de temperatura mediului T_a si radiatia globala E:

          (3.28)

Caracteristicile celulei fotovoltaice pentru diferite valori ale radiatiei solare sunt prezentate in figura 3.10. a. Constatam, ca curentul fotovoltaic de scurtcircuit este direct proportional cu radiatia solara, iar tensiunea de mers in gol variaza putin deoarece tensiunea U_g depinde logaritmic de radiatia solara (I_s este proportional cu radiatia) si adesea in calcule practice aceasta variatie se neglijeaza.

Curentul de scurtcircuit, pentru diferite valori ale radiatiei E, poate fi determinat cu o aproximatie satisfacatoare cu formula:

                                   (3.29)

I_scst - curentul de scurtcircuit a celulei corespunzator radiatiei standard E_st=1000W/m².

Fig. 3.11. Caracteristicile celulei fotovoltaice

a - la variatia radiatiei solare b - la variatia temperaturii

Fig. 3.10. Caracteristicile celulei fotovoltaice pentru diferite valori ale radiatiei solare

Temperatura celulei influenteaza semnificativ asupra tensiunii de mers in gol si cu mult mai putin asupra curentului de scurtcircuit (figura 3.10.b).

Odata cu cresterea temperaturii tensiunea de mers in gol scade. Pentru celule din siliciu coeficientul de variatie a tensiunii cu temperatura k_T este egal cu 2,3mV/ C. Astfel parametrul U_g pentru temperaturi diferite de cea standard se va calcula cu expresia:

          (3.30)

U₀₂₅ - tensiunea de mers in gol a celulei la temperatura standard, [V];

t - este temperatura curenta a celulei, [ C].

In calculele de proiectare variatia curentului de scurtcircuit si a factorului de umplere FF cu temperatura este neglijata.

Cele mai utilizate materiale in constructia celulelor fotovoltaice sunt [10]:

t    siliciu - in conditii de laborator s-au obtinut celule din siliciu cristalin cu un randament de 13 25% in dependenta de suprafata celulei, iar in conditii de fabrica - 12 14%. Randamentul celulei din siliciu policristalin este de 17 20% in conditii de laborator si 11 13% in conditii de fabrica. Celulele comercializate din siliciu amorf poseda un randament cuprins intre 7 si 11%, iar in conditii de laborator - 16%. Limita teoretica a randamentului din siliciu cristalin este de 37%, celui din siliciu amorf - 28%.

t    arseniura de galiu - atinge un randament de 23% putand functiona la temperaturi mai ridicate decat siliciul, randamentul maxim fiind de 27%;

Fig. 3.11. Randamentul celulelor fotovoltaice

t    sulfura de cadmiu (CdS) - randament de 8%, randamentul teoretic fiind de 19%, dar avand o latime mai mare a benzi interzise poate functiona la temperaturi ridicate;

t    telura de cadmiu (CdTe) - cu randament de 7% si este teoretic materialul cu randamentul optim maxim 28% limitat de tehnologia de fabricatie;

t    germaniu Ge;

t    fosfura de indiu (InP)

t    fosfura de galiu (GaP)

t    antimoniura de aluminiu (AlSb)

Celulele fotovoltaice de constructie moderna produc energie electrica de putere ce nu depaseste 1,5 2 W la tensiuni de 0,5 0,6 V. Pentru a obtine tensiuni si puteri necesare consumatorului celulele fotovoltaice se conecteaza in serie si/sau in paralel [14]