Dumitru Florin Rezumat Teza de Doctorat (1)

1

UNIVERSITATEA DIN ORADEA FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRIC I TEHNOLOGIA

INFORMAIEI

TEZ DE DOCTORAT

ESTIMAREA PERFORMANEI UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC UTILIZND TEHNOLOGIA

THIN FILM CONECTAT LA REEA, DIN ZONA DE VEST I NORD VEST A

ROMNIEI

CONDUCTOR TIINIFIC, prof.univ.dr.ing. TEODOR MAGHIAR

DOCTORAND, DUMITRU FLORIN

2009

2

CUPRINS

CAPITOULUL 1 ROLUL CLIMATULUI RADIAIILOR SOLARE IN PROIECTAREA SISTEMELOR FOTOVOLTAICE................................................................................................................................................... 3

CAPITOLUL 2 PRINCIPIUL DE FUNCIONARE AL CELULELOR SOLARE............................................ 6

CAPITOLUL 3 PROIECTAREA UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC................................................................ 15

CAPITOLUL 4 DATE EXPERIMENTATE PRIVIND POTENIALUL SOLAR AL CMPIEI DE VEST PRECUM I POSIBILITATEA REALIZRII UNOR INSTALAII CU AJUTORUL TEHNOLOGIEI THIN FILM. .................................................................................................................................................................... 19

CAPITOLUL 5 REZULTATE EXPERIMENTALE. CONTRIBUII PERSONALE. CONCLUZII FINALE 25

BIBLIOGRAFIE ................................................................................................................................................... 48

3

CAPITOULUL 1 ROLUL CLIMATULUI RADIAIILOR SOLARE IN PROIECTAREA SISTEMELOR

FOTOVOLTAICE

Climatul solar cat si radiaiile solare au un impact deosebit att asupra proiectrii unui sistem solar cat i asupra montajului propriu zis. Proiectanii au nevoie att de datele solare cat i de datele legate de temperatura. Temperatura afecteaz performanele unei instalaii solare. Cnd vine vorba de utilizarea unei surse de energie alternative se pune problema corelrii corecte a debitului de energie a unei centrale i necesarul consumatorului. Furnizorul de energie trebuie sa ia n considerare o metoda de depozitare a energiei produse pentru a realiza o furnizare destul de stabil avnd n vedere c energia solar nu se distribuie n mod egal n toate zonele de pe Glob i intensitatea radiaiei solare variaz n funcie de momentul din zi. n mod ideal un proiectant ar trebui s aib datele legate de intensitatea radiaiei solare pentru diferite zone ale Globului i datele legate de temperatur, msurate la nivel de ore din zi i n funcie de anotimp [76]. Astfel de date sunt rare i de aceea n ultimii ani s-a realizat o abordare statistic astfel nct s se umple acest gol din domeniul proiectrii. Toate aceste date sunt eseniale pentru o proiectare eficient a unui sistem solar autonom.

Radiaia solara de und-scurt care cade pe o suprafaa orizontala provenit de la soare i ozon combinate se numete radiaia global de und-scurt. Fluxul radiaiei globale de und-scurt, care reprezint energia radiata pe unitate de timp, este cunoscuta sub denumirea de iradiere, simbol G. Unitatea de msur este [Wm-2 ].

n mod tipic perioada de iradiere se msoar n ore, de unde rezult iradiaia globala n ore Gh cu unitatea de msur [ 12 hmMJ ] sau [ 12 hmWh ] sau in zile Gd [ 12 dmMJ ], sau n luni Gm [ 2 mMJ ] pe lun sau 2 mWh pe lun. Iradiaia medie zilnic dintr-o lun este notata cu (Gd)m.

Radiaia global poate fi mprit n dou componente: unda de radiaie direct i radiaia difuza. Metoda de indicare a perioadei de integrare pentru aceste date de iradiere corespund celor folosite pentru iradierea globala i anume Bh, Bd,Bm i (Bd)m sunt simboluri folosite pentru unda de radiaie direct i Dh, Dd, Dm i (Dd)m sunt pentru unda de radiaie difuz n funcie de perioada de msurare h ore, d zile, m luni i media lunar.

Radiaia solar este prezentat de multe ori ntr-o form adimensional notat cu KT numit i index de claritate al radiaiei. Aceast valoare reprezint raportul dintre iradiaia globala la suprafaa panoului i iradiaia global de la nivelul atmosferei n aceeai unitate de timp. Trei perioade de integrare sunt des folosite n aceast lucrare: indexul de claritate n ore KTh care reprezint Gh / Goh, indexul n zile KTd care reprezint raportul Gd / God i indexul de claritate al mediei lunare KTm care este (Gd)m / (God)m. Goh, God i (God)m sunt cantitile globale de iradiaie la nivelul atmosferei pentru perioadele de integrare definite de indicii fiecrei cantiti.

4

Constanta solar I0 reprezint iradierea la nivelul atmosferei a razei solare la distana solar medie. Valoarea acceptat este 1367 Wm-2. Distana pmntului faa de soare se modific pe parcursul anului datorit micrii de revoluie. Simbolul folosit pentru corectarea acestei distane medii este . Iradierea extraterestra normala este deci 0I [Wm-2].

Variabilitatea radiaiilor solare i implicaiile ei in proiectare Proiectanii din domeniul fotovoltaic se confrunta in esena cu problema de a realiza o

performant optima in conversia energiei naturale in energie electrica prin realizarea de materiale cat mai sensibile la radiaiile solare astfel ca perechile de purttori de sarcina, n spe electron-gol, s se genereze ct mai uor. Trei situaii de baz n ceea ce privete claritatea cerului, pot fi identificate: cer senin, cer parial senin sau cer nnorat. Acoperirea cerului cu nori este prima cauz n ceea ce privete variabilitatea intensitii radiaiei solare de la un minut la altul i de la o zi la alta. Modelul tipic de acoperire cu nori variaz n funcie de locaia geografic [43]. n climatul de deert nu avem nici un nor pe cer zile la rnd. n climate maritime la latitudini mari, pot fi nori pe cer o perioad mai lung n continuu, mai ales iarna cnd pot sa fie foarte puine zile nsorite. Statistici legate de perioade de nnorare i de nsorire, care n ultima vreme sunt destul de disponibile pe site-uri de profil, vin cu informaii de mare importan n proiectarea unui sistem n funcie de zona de amplasare a lui i ne informeaz cu privire la viabilitatea realizrii unei astfel de instalaii ntr-o anumit zon avnd n vedere cantitatea de radiaii anual. Astfel de statistici sunt disponibile sub forma unor hri sistematice care scot n eviden climatul diferitelor zone din Europa i din alte pri ale lumii. Avnd n vedere ca un proiect eficient are nevoie de date solide n ceea ce privete cantitatea de flux energetic solar, punctul de pornire n realizarea unui astfel de proiect este s nelegem chestiunile de baza legate de climatul radiaiilor solare pentru cele trei condiii de baz: cer senin, parial senin i cer nnorat.

Radiaia solar global a cerului senin la diferite latitudini Iradiaia globala este compus din doua componente, radiaia solara orizontala directa

i radiaia solara orizontala difuz provenind din zona emisferica a atmosferei. Radiaia solar global a cerului senin poate fi calculat folosind modelul ESRA (European Solar Radiation Atlas) a cerului senin. Modelul necesit introducerea latitudinii zonei care se dorete a se analiza, data din an, care determina geometria solar i claritatea atmosferei. Claritatea cerului este descris de un index cunoscut ca i factorul de nebulozitate Linke. Praful, poluarea realizata de om si vaporii de ap reduc cantitatea de iradiaie solar clar i mresc cantitatea de iradiaie difuza. Figura 1.1 afieaz calculul iradierii cerului senin normala la raza solar ca i funcie de altitudinile solare la nivelul mrii pentru diferite valori ale factorului de nebulozitate Linke. Figura 1.2 afieaz valorile corespunztoare iradierii difuze pe suprafee orizontale. Reprezentarea spectral a radiaiei globale i difuze este reprezentat n figura 1.3.

5

Figura 1.1. Modelul ESRA al iradierii de und direct in condiii de cer senin.Estimri ale iradierii normale la unda in Whm-2 la nivelul marii i la distana medie solara pentru un interval al factorului Linke de 1.5 8.5.In practic factorul de turbulena Linke la nivelul

marii este rar sub 3.5.Valori de peste 6 sunt comune in zone de deert datorita prafului din atmosfer.

Figura 1.2. Modelul ESRA al iraderii in condiii de cer senin;estimari ale iradierii difuze pe o suprafata plana in Whm-2 la nivelul marii i distana medie solara petru un interval al factorului Linke intre 2 i 8.Se observ c iradierea difuz crete o dat cu creterea

factorului Linke in timp ce iradierea de unda directa scade.

6

CAPITOLUL 2 PRINCIPIUL DE FUNCIONARE AL CELULELOR SOLARE

Conversia energiei fotovoltaice n celulele solare parcurge doi pai eseniali. Prima oar absorbia luminii genereaz o pereche electron gol. Electronul i golul sunt dup aceea separai de structura dispozitivului electronii la terminalul negativ i golurile la terminalul pozitiv astfel generndu-se curent electric. Acest proces este ilustrat n figura 2.1, unde se poate observa principalele caracteristici ale celulelor solare tipice care se folosesc la ora actual. Fiecare celul este descris n dou feluri. O diagram arat structura fizica a dispozitivului i procesul de transport de electroni, dominant, care contribuie la procesul de conversie a energiei. Aceleai procese sunt artate pe diagrama de band a semiconductorului sau pe nivelele energetice la nivel molecular [9], [40]. Diagramele din figura 2.1 sunt doar nite scheme generale pentru a explica fenomenul i trebuie avut n vedere diferenele de scal, nesesizabile pe desen: de exemplu grosimea celulelor din siliciu cristalin (artate n figurile (a) i (f)) este de ordinul sutelor de microni sau mai mult, dar grosimea diferitelor dispozitive din figurile (b) (e) (Thin film i celulele bazate pe GaAs) sunt de doar civa microni sau chiar mai subiri. Suprafaa expus la lumin a semiconductorului artat n figura 2.1 este acoperit n mod normal cu un nveli antireflectant.

-

+ -+

-

+

-

+

h h

n p

p-GaAlAs

p-GaAs n-GaAs

substrat

(a) (b)

7

p+ n+intrinsec CdS Cu(In,Ga)Se 2 MoSe2

TCO

Con

tact

di

n sp

ate

Con

tact

di

n sp

ate

ZnO

-

+-

+

-

+

-

+

h

h

(c) (d)

TCO CdS CdTe

-

+-

+

-

+

-

+

h

h

h

- +

Conta

ct di

n sp

ate

n p++

(e) (f)

8

Contact din fata(sticla acoperitacu TCO)

Contact din spate

Acoperire cu TiO2

electrolit

-

+

h

Electrolit

TiO

2

-

+

h

anod electronacceptor

electron donor

catod

(g) (h)

Figura 2.1.(fig1) (a)Structura celulelor solare din siliciu cristalin celula tipica folosit n acest moment; (b)celula solar din arseniur de galiu; (c)structura unei celule unijonciune

din siliciu amorf; (d), (e)structura tipic a celulelor solare bazate pe compuii semiconductori cupru, iridiu, galiu si seleniu(d) i cadmiu i teluriu, (e); (f) contactele pot fi aranjate i pe

aceeai parte a celulei solare; (g), (h) cele mai recente tipuri de celule solare sunt bazate pe materiale moleculare.

Modelarea materialelor semiconductoare Modelarea celulelor solare este fundamental pentru o nelegere detailat a

funcionrii celulei solare, i o modelare eficient necesit o cunoatere detailat a parametrilor materialului folosit [28]. n acest subcapitol se realizeaz o scurt prezentare a proprietilor materialelor semiconductoare folosite n construcia de celule solare, incluznd structura benzii semiconductoare i statistici legate de purttorii de sarcin, proprieti optice i de transport, procese de recombinare etc. Parametri principali ai semiconductorilor ntlnii n aplicaiile fotovoltaice sunt sumarizai n tabelele 2.2. i 2.3. Indicii de refracie a materialelor folosite pentru realizarea de nveliuri antireflectante pot fi gsii n tabelul 2.4.

Numeroase programe de calculator, care folosesc parametrii materialelor semiconductoare pentru a modela operaiile celulelor solare, s-au realizat dea lungul anilor i unele sunt disponibile pe piaa de profil [119]:

9

PC1D realizat de P.A. Basore de la Universitatea New South Wales, Australia, este un simulator unidimensional standard folosit de ctre comunitatea fotovoltaic;

ATLAS, un software de simulare a dispozitivelor solare realizat de SILVACO International, folosete modele fizice n dou sau trei dimensiuni. Include unealta de luminozitate care calculeaz captarea razei de lumin i rspunsul celulei solare. Mai permite i folosirea de surse de lumina monocromatic sau multi-spectral;

MEDICI realizat de Technology Modelling Associate, modeleaz distribuia bidimensional a potenialului i concentraiei de purttori ntr-un material semiconductor.

Metode de preparare a cristalului Un numr de tehnici sunt disponibile pentru producerea straturilor de Si utilizate n

industria fotovoltaic: CZ - Si i siliciu multicristalin (care au mai fost menionate), siliciu multicristalin limitat din punct de vedere magnetic etc. n continuare vom scoate n eviden chestiuni generale legate de prepararea cristalului.

siliciu Czochralski Cea mai comun metod pentru creterea lingourilor de siliciu monocristalin const n

extragerea ntr-un ritm lent a siliciului dintr-un cuptor cu creuzet dndu-i forma dorit [114]. Metoda este foarte cunoscut i este ilustrat n figura 2.26. Este de menionat c un numr mare de aciuni au fost ntreprinse n ultimii 10 ani pentru a reduce costul de producie a materialului CZ i astfel s rectige n competitivitate n raport cu siliciu multicristalin.

Extragere

Siliciu pur

Material topit

Cresterea cristalului

Creuzet

Figura 2.26. Schema de principiu a creterii lingourilor de siliciu monocristalin prin metoda Czochralski.

siliciu multicristalin Realizarea lingourilor de siliciu multicristalin este un proces relativ simplu, i este

bazat pe controlul extraciei de cldur din topitura care se afl ntr-un cuptor cu creuzet, n aa fel nct interfaa dintre zona de cretere i lingou s fie plat. n acest fel, siliciul crete n

10

coloane mari cu seciune de civa cm i lungime de 25cm, i marea majoritate a impuritilor sunt separate la suprafaa lingoului [44]. Paii critici pentru a asigura o calitate bun i o productivitate mare sunt utilizarea unui cuptor la care s se poat controla foarte bine cldura dezvoltat n el i a avea un creuzet de o calitate mare. O schem care s descrie metoda general este dat n figura 2.27.

Cristal

Si topit

Creuzet

Baza cuptorului

Cuptor

Figura 2.27. Schema de principiu a creterii lingorilor de mc-Si

Cuptoarele moderne folosite la prelucrarea mc-Si sunt proiectate n aa fel nct s minimizeze neomogenitile i s maximizeze productivitatea, i de aceea n ultimii ani s-au fcut mari eforturi n studierea unor modele potrivite pentru controlul creterii i optimizare [98].

Module fotovoltice thin film realizate din CdTe Etapele realizrii unei celule solare thin film din CdTe

CdTe Marea majoritate a tehnicilor de realizare a filmurilor din CdTe se bazeaz pe una sau

amndou dintre proprietile urmtoare: CdTe, dac este nclzit n vid la temperaturi de peste o600 , elibereaz n cantiti

egale Cd i Te i n final rmnnd un rezultat stoichiometric de CdTe; n filmuri din CdTe condensate pe substrat i inute la temperaturi de peste o400 C,

compusul stoichiometric reprezint faza solid stabil. Elementele constitutive au o presiune a vaporilor considerabil mai mare dect compusul n sine.

Aceste proprieti face relativ simpl producerea filmurilor din CdTe potrivite pentru celulele solare thin film [52]. Nu s-au luat msuri excesive pentru a realiza stoichiometria, atta timp ct temperatura de substrat este suficient de mare. CdTe sau TeCd sau compui

11

ai acestor dou substane pot fi folosii ca material de nceput. CdTe se condenseaz stoichiometric atta timp ct substratul este nclzit la temperaturi de Co500400 sau mai mari n timpul sau dup realizarea sedimentrii. Calitatea filmului crete cu creterea temperaturii la Co600 .

CdS Ca i CdTe, CdS are aceeai tendin de a realiza filme stoichiometrice, dar spre

deosebire de CdTe, filmurile din CdS sunt dopate nativ cu impuriti de tip n. Filmurile din CdS pot fi realizate prin aceleai procese ca i CdTe deoarece proprietile de baz sunt destul de asemntoare cu cele ale CdTe [95]. Urmtoarele procese au fost studiate mai intensiv, n perspectiva producerii filmurilor:

sublimare/condensare depoziia electronic Un alt proces este potrivit pentru CdS: depoziia n baie chimic (chemical bath

deposition CBD). n acest proces o soluie metastabil care conine Cd i S duce la formri spontane de filme subiri de CdS pe suprafee ale substraturilor imersate n soluie la o temperatur de aproximativ Co80 . Reacia chimic este urmtoarea:

( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )liqSaqaqaq OHCdSHCSNHcomplexCd 222 20 +++ Filmele din CdS astfel formate sunt foarte aderente i foarte omogene chiar i la

grosimi mici. Un oarecare dezavantaj n formarea jonciunilor abrupte de calitate fotoelectronic

nalt ntre CdTe i CdS este acela c CdS are o nepotrivire de grilaj fa de CdTe. contactele de la spate

Este bine cunoscut din fizica semiconductorilor c nu este uor s realizezi contactul unui semiconductor de tip p uor dopat i care are o energie de bariera relativ mare [2]. Exist dou principii generale pentru realizarea contactelor ohmice cu semiconductori de tip p:

s se foloseasc un metal cu potenialul de lucru mai mare dect afinitatea electronului + energia de barier a semiconductorului cu scopul de a alinia partea superioar a benzii de valen cu nivelul Fermi al metalului. Afinitatea electronului + energia de bariera a CdTe este > 6[eV]. Nu exist metal cu potenialul de lucru > 6[eV]. Asta nseamn c toate metalele duc la un contact ntrerupt, dup cum este ilustrat i n figura 2.28., unde se arat diagrama de band a acestei situaii;

generarea unui strat puternic dopat pe suprafaa din spate n semiconductor. Inevitabila bariera Schottky creat de ctre contactul din spate n semiconductor va fi atunci suficient de subire astfel nct s permit deplasarea golurilor ntr-un mod eficient. Figura 2.29. arat diagrama de band pentru a doua opiune, o regiune de suprafa puternic dopat. n consecin, tot ce rmne este s gsim soluii practice pentru aceast problema.

12

contact de blocaj

marginea benzii de valenta

nivel FERMIstrat de saracire

metal

interfata fizicap-CdTe

Figura 2.28. Schema benzii de energie de la interfaa metal CdTe de la o celul solar din CdTe, care arat fenomenul de blocare a contactului

+ tunelare

strat de acumulare de Te

emisie termica

metal

strat de saracire subtirenivel FERMI

marginea benzii de valenta

Imbunatatirea contactelorprin substituirea stratului de bariera, permitandtranzitul tunelar algolurilor

p-CdTeinterfata fizica

Figura 2.29. Schema benzii de energie a unui contact de metal asociat celulei din CdTe dup generarea unui gol p+ la suprafa prin mbogirea cu Te ducnd la o barier mai

mic tunnelling

Eforturi pentru dopri puternice cu impuriti acceptoare n CdTe au euat datorit unei puternice tendine de autocompensare a acceptorilor prin formarea de donori la diferite temperaturi ridicate, cum sunt folosite i aici.

Eforturi alternative din trecut au fost direcionate n primul rnd ctre trei compui semiconductori: HgTe, ZnTe: Cu,Te i Cu2Te. [17], [18] Toate ncercrile au dus la contacte instabile.

13

Realizarea modulelor integrate interconectarea celulelor

Celulele solare semiconductoare sunt dispozitive care furnizeaz o tensiune n circuit deschis de mai puin de 1V. Avnd n vedere c n aplicaiile comerciale este nevoie de o tensiune mai mare, s-a dovedit avantajos s se conecteze o multitudine de celule solare n serie sub forma unor module. Dac n cazul celulelor solare de siliciu, celulele individuale trebuie s fie conectate n serie cu ajutorul unor conductoare lipite de ambele pri ale celulelor, celulele thin film au un avantaj mare pentru ca permit conexiuni serie integrate a mai multor celule care sunt n acelai timp definite n arii i sunt interconectate [27]. Dac diferitele straturi ale celulei TCO, filmul p n i contactele din spate sunt separate individual prin dungi paralele, care se suprapun asimetric peste conexiunea serie a unei celule distincte cu cea nvecinat, poate fi obinut o form de conexiune precum cea din figura 2.30.

substrat

filmul TCO

filmul de CdS/CdTe

Celula 1

contactul din spateprima sectiune: TCO

a doua sectiune: CdS / CdTea treia sectiune: contactul din spate

Celula 2

Figura 2.30. Principiul interconectrii

n unele cazuri, cum ar fi depunerile electrolitice, nu este permis s se separe filmul TCO naintea acoperirii filmului semiconductor [29]. Aici o variaie n procedur permite imprimarea primelor dou linii dup depunere filmului semiconductor. O ilustrare a acestui procedeu este dat n figura 2.31. O umplutur de izolaie este necesar n acest proces.

substrat

filmul TCO

filmul de CdS/CdTe

Celula 1

contactul din spateprima sectiune: TCO + izolatia

a doua sectiune: CdS / CdTea treia sectiune: contactul din spate

Celula 2

Figura 2.31. Principiul interconectrii modificat

n mod evident, folosind aceste tehnici, limea unei celule poate fi ajustat n funcie de nevoile tehnice i / sau necesitile comerciale. Pentru CdTe o lime a celulei de 9 10[mm] pare s fie o valoare optim pentru filmuri TCO cu rezistivitate de ][108 .

14

contactele Fotocurentul unui modul traverseaz toate celulele conectate n serie i iese prin

contactele primei i ultimei celule, i toate tensiunile individuale produse de fiecare celul sunt adunate pentru a forma o tensiune total [108]. De obicei conductoarele metalice sunt ataate zonelor de contact a primei i ultimei celule cu ajutorul adezivilor conductori i mai sunt folosite i benzi de contact care sunt montate pe spatele modului de unde se poate prelua tensiunea.

15

CAPITOLUL 3 PROIECTAREA UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC

Energia produs de ctre un modul fotovoltaic Producia anual de energie

Puterea produs de un sistem fotovoltaic depinde de un numr de factori care trebuiesc examinai cnd sistemul este proiectat. Este de asemenea util s apreciem favorabil acurateea metodelor simplificate cnd aceti factori sunt ignorai sau neglijai. O astfel de analiz este realizat n mod convenabil uitndu-ne la energia anual total produs de sistem. Un studiu recent mai complex a identificat apte factori care influeneaz performana anual a modulelor fotovoltaice [90], i acetia sunt:

iradierea solar cumulativ profilele de iradiere pe termen lung depind de orientarea suprafeelor i posibila captare. Acest factor depinde de locaie i variaz intre 25 30% pentru suprafee verticale. n comparaie cu sistemele fixate la o nclinare funcie de latitudine;

puterea maxim debitat de un modul i condiiile standard de test analiza mai multor tehnologii fotovoltaice a artat c pentru acelai debit de putere toate tehnologiile erau echivalente n termeni de energie anual predeterminat cu o eroare de calcul de 5%;

temperatura de operare analizarea diferitelor tehnologii i anumitor zone de amplasare arat c producia anual poate fi redus datorit temperaturii de operare cu un factor cuprins ntre 2 i 10%, depinznd de design-ul modulului, viteza vntului, tehnica de montare i temperatura de ambient;

dependena tensiunii de punctul maxim de putere la nivel de iradiere modulele a-Si i cele din CdTe au tendina de a avea o valoare a punctul maxim de putere mai mare la nivele de iradiere mai mici dect la iradierea standard. Acest lucru poate s rezulte ntr-o cretere cu 10% a produciei anuale de energie;

prfuirea prfuirea sau murdrirea ntr-o oarecare msur a panourilor solare poate s reduc cu circa 10% producia anual de energie;

variaia spectrului solar s-a determinat c efectele variaiei la nivel de or a spectrului solar aproape c se anuleaz la nivel de an. Siliciul amorf are cea mai mare sensibilitate la acest efect, dar schimbrile observabile rmn de obicei sub 3%;

pierderile optice cnd soarele se afl la un unghi nalt de incidena (high angle of incidence (AOI) pierderile optice se datoreaz reflexiei mrite a sticlei care acoper modulul fotovoltaic pentru AOI mai mare de o60 . Totui efectele pe termen lung sunt

16

relativ mici (tipic sub 5%) dei poate s aib efecte mai semnificative n funcie de sezon.

Orele de vrf solar: concept i definiie

Analiza iniial aproximat i proiectarea unui sistem PV se bazeaz in mod uzual pe orele de vrf solar (Peak Solar Hours PSH) reprezentnd o definiie convenabil a echivalentului unei zile.

Acest concept este util pentru dimensionarea i orientarea panourilor solare care opereaz n funcie de iradiaia global. Amplitudinea orei de vrf solar este egal cu lungimea unei zile echivalente cu o iradiere constant egal cu constanta de intensitate 1 soare (1kW/m2), rezultnd aceeai valoare a iradiaiei zilnice [63]. Acest parametru se msoar n timp i cnd este dat n ore, are aceeai valoare numeric ca i radiaia total dintr-o zi msurat n kWh/m2 pe zi. Avnd n vedere aceste date, generarea total a unui panou PV expus radiaiei solare un an ntreg, poate fi estimat cu urmtoarea formul:

=

=

365

10)(

iiA PPSHE (3.1.)

unde: (PSH)i este valoarea parametrului PSH pentru ziua i i P0 este puterea nominal a panoului in condiii standard de funcionare.

Pentru panouri care opereaz la punctul maxim de putere, debitul de putere instantaneu PA/Pmax depinde de temperatur i iradiere, i ecuaia (3.1.) este deci doar o aproximare. O estimare mai bun a generrii anuale poate fi obinut cu ajutorul unui model care folosete valori efective a temperaturii de ambient, i estimeaz temperatura de funcionare a celulelor folosind conceptul NOCT [86].

. Balana energetic zilnic Energia trebuie furnizat sarcinii in concordan cu necesarul de consum al aplicaiei,

i nevoia de energie s-ar putea s apar la momente diferite de cele n care se realizeaz debitul energetic de la reeaua fotovoltaic. Acest fapt creeaz o neconcordan ntre trecerea energiei de la sistemul fotovoltaic la sarcin.

Balana energetic zilnic dintre sursa de energie fotovoltaic i o sarcin domestic tipic este ilustrat n figura 3.11. Figurile 3.11. (a) i (b) arat date legate de temperatura de ambient i radiaia solar pentru o zi tipic din an, cu panourile fotovoltaice nclinate la latitudine. Aceste date au fost generate statistic cu ajutorul soft-ului METEONORM [44].

Figura 3.11.(c) arat profilul consumului de energie ntr-o locuin tipic. Dac mrimea instalaiei solare este aleas astfel nct energia total produs de reea s fie egal cu energia consumat de sarcin, balana energetic rezultat n funcie de or este artat n figura 3.11.(d). Balana energetic cumulativ este artat n figura 3.11.(e).

17

Aceste rezultate arat c, dei exist o balan energetic complect la sfritul zilei, exist un neechilibru ntre sursa de energie i sarcin pentru un numr de ore din zi cnd sarcina consum mai mult energie dect cea furnizat de generatorul fotovoltaic. Dac acest fapt este ntlnit ntr-un sistem independent, diferena necesar trebuie furnizat de acumulatori sau un generator de rezerv.

a.

b.

c.

18

d.

e.

Figura 3.11. - (a) profilul temperaturii n ore; (b) radiaia solar pentru o zi tipic din an; (c) un profil de sarcin tipic, la nivel de ore; (d) balana energetic la nivel de ore;

(e) balana energetic cumulativ

19

CAPITOLUL 4 DATE EXPERIMENTATE PRIVIND POTENIALUL SOLAR AL CMPIEI DE VEST PRECUM I POSIBILITATEA REALIZRII UNOR INSTALAII CU

AJUTORUL TEHNOLOGIEI THIN FILM.

Celulele solare se testeaz n condiii de atmosfer AM1 (air mass 1). AM reprezint cantitatea de aer pe care fotonii trebuie s o traverseze pana ajung la suprafaa Pmntului, la nivelul mrii. AM1 este masa de aer din momentul amiezii solare, la nivelul mrii, cnd soarele este perpendicular pe suprafaa Pmntului. Energia disponibil la nivelul celulelor solare n condiii de AM1 este echivalent cu 1kW/m2. Cel mai bun moment din zi, n care se realizeaz testarea celulelor este pe la prnz n perioada verii, n apropierea solstiiului. n acel moment se ajunge cel mai aproape de standardul AM1. Testarea se poate face i n alte perioade, doar c trebuie inut cont de faptul c valorile de ieire sunt mai mici dect cele de vrf, care se obin n condiii optime de iradiere.

Pentru testarea celulelor avem nevoie de un multimetru care s ofere posibilitatea citirii curentului i a tensiunii. Mai avem nevoie i de un stand care s in celulele la acelai nivel n momentul testrii figura 4.1.

Figura 4.1. Stand de testare al celulelor solare.

Standul pe care se sprijin celula este recomandat s fie din cupru astfel msurarea realizndu-se mai uor, deoarece se realizeaz contactul dintre electrozii pozitivi i stand i

20

pentru a msura valorile de ieire este suficient s realizm contactul dintre sonda pozitiv i stand i sonda negativ i suprafaa iluminat a celulei. Este recomandat ca testul celulelor care intr n componena unui modul s se realizeze n aceeai zi, pentru a menine condiiile de testare aceleai pentru fiecare celul.

realizarea panourilor solare Unul dintre marile avantaje n realizarea panourilor solare este faptul c pot fi

dimensionate n funcie de aplicaie, ca s debiteze ce tensiune i curent dorim. n aceast aplicaie vom realiza panouri cu 48 de celule pentru a avea un debit de 24V n gol i 4A n scurtcircuit, de unde rezult panouri cu un debit teoretic de 96W. Un exemplu simplu de conectare a celulelor l avem n figura 4.2.

Figura 4.2. - (a) ir de celule solare conectate in serie(pentru mrirea tensiunii); (b) ir de celule conectate in paralel (pentru mrirea curentului de ieire).

Celulele pot fi legate n serie, n paralel sau combinat, n funcie de necesarul de tensiune i curent la ieire. De exemplu, dac vrem 4V i 8A vom conecta dou iruri de cte 8 celule de 0,5V i 4A n paralel.

Panourile pot fi conectate in serie, paralel sau mixt, n funcie de necesitate. Pentru a avea o tensiune de 240V va trebui s conectm 10 panouri n serie ntr-un ir i 15 iruri n paralel [20]. Dar daca rmnem pe 24V atunci vom avea nevoie numai de 15 panouri n paralel avnd astfel un curent de 60A. Conectarea se face ca n figura 4.3.

21

Figura 4.3.Diferite moduri de conectare a panourilor fotovoltaice.

Bancurile de baterii sunt configurare la fel. Pentru sisteme de 24 V, folosind baterii de 6V i cu capacitate de 225Ah, avem nevoie s conectm in serie 4 baterii i n paralel 8 iruri de cate 4 baterii. Deci un total de 32 baterii. Modul de conectare al bateriilor este afiat n figura 4.4.

22

Figura 4.4. Diferite moduri de conectare a bateriilor.

regulatorul de sarcin i invertorul Regulatoarele de sarcin controleaz ncrcarea bateriilor de la panourile solare. Circuitul lor este dedicat s menin bateriile complect ncrcate i s evite suprancrcarea sau subncrcarea. Un regulator de sarcin poate s fie de tip serie sau de tip untare, al doilea tip realiznd deconectarea de la baterii prin devierea curentului printr-un unt. Mai exist i regulatoare de sarcin cu PWM (Pulse width modulation) care aplic un puls pentru a ncrca bateriile [19]. Aceste regulatoare sunt cele mai performante i au rolul de a mri perioada de via a bateriilor i s previn sulfatarea. Aceste regulatoare pot fi achiziionate de la productori sau pot fi construite acas. Schema regulatorului de sarcin este artat n figura 4.5.:

Figura 4.5. Schema electrica a regulatorului cu untare. Schema final a ntregii instalaii va fi cea din figura 4.7:

23

Figura 4.7. Schema final a instalaiei solare.

Conectarea la reea a generatoarelor fotovoltaice

Metode de conectare la reea Conectarea la reea a sistemelor fotovoltaice este un domeniu din ce n ce mai

dezvoltat cu un potenial major pentru uzul domestic. Un sistem fotovoltaic conectat la reea ofer ansa unei persoane sau companii s i produc singur energia electric de care are nevoie i n acelai timp s distribuie i reelei naionale, contribuind astfel la protejarea mediului inconjurtor. Sistemele conectate la reea lucreaz n paralel cu reeaua naional de distribuie [53].

n mod tradiional conectarea la reea a generatoarelor se face la tensiuni nalte (HV), n raza kV. Generatoarele fotovoltaice, situate de obicei pe acoperiurile caselor, se conecteaz n general la reea la tensiuni joase (LV). O astfel de conexiune prezint probleme noi pentru operatorii din reeaua de distribuie care obinuiau s distribuie i s fac conexiuni la tensiuni nalte figura 4.8.

24

Figura 4.8. Un sistem tipic de transmisie i distribuie,ilustrat pentru sistemul public de alimentare. Doar generatoarele fotovoltaice mari sunt conectate la reea

25

CAPITOLUL 5 REZULTATE EXPERIMENTALE. CONTRIBUII PERSONALE. CONCLUZII FINALE

n continuare vor fi prezentate date privind estimrile performanei unui sistem fotovoltaic conectat la reea, din zona judeelor Timi, Arad, Bihor i Satu Mare. Sistemul este realizat cu tehnologia thin-film, puterea fotovoltaic debitat este de 4kW, pierderile estimative ale sistemului sunt considerate a fi 14%, nclinaia optim a modulului este de

o37 i orientarea este ctre sud la o0 . Simulrile au fost realizate pe baza datelor msurate in teren. Unde vom avea:

Ed: media produciei de energie electric zilnic pentru sistemul dat (kWh); Em: media produciei de energie electric lunar pentru sistemul dat (kWh); Gd: media iradiaiei globale dintr-o zi pe metru ptrat primit de modulele

sistemului (kWh/m2); Gm: media iradiaiei globale dintr-o lun pe metru ptrat primit de modulele

sistemului (kWh/m2); Mai departe, tot prin intermediul datelor din teren i cu ajutotul simulrii am

determinat iradiaia global lunar unde au fost analizate mai multe date cum ar fi: iradiaia orizontal, iradiaia pentru un unghi optim de nclinaie, iradiaia la unghiul de o90 , factorul de turbulen Linke, iradiaia difuz / iradiaia global i unghiul de nclinaie optim. Acestea au fost determinate pentru ntreaga zon de vest de la Snicloul Romn pn la Satu Mare, deficitul anual de iradiaie datorit fenomenului de umbrire orizontal a fost considerat 0,0%, iar unghiul de nclinaie de 37, orientarea n plan sau azimutul a fost considerat a fi de 0, au mai fost folosite urmatorele notaii la simulare:

Gh: Iradiaia pe un plan orizontal (Wh/m2); Gopt: Iradiaia pe planuri cu inclinaie optim (Wh/m2); G(90): Iradiaia pe un plan la unghi de: 90 grade. (Wh/m2); Iopt: nclinaia optim (grade); T

L: Factorul Linke (-); D/G: Raportul dintre radiaia difuz i cea global (-);

Ultimele simulri au fost realizate pentru estimarea mediei zilnice de iradiere solar, aceste calcule i simulri au fost fcute pentru fiecare lun n parte acestea au fost determinate pentru municipiul Oradea i zona din apropiarea acestuia cuprins ntre municipiile Salonta n sud i Aled n est, unde au fost folosite notaiile:

Timpul este exprimat in timp solar local .Pentru a afla timpul GMT, se aduna -1 hours 21 minutes;

G: Iradierea global pe un plan fix (W/m2); Gd: Iradierea difuz pe un plan fix (W/m2);

26

Gc: Iradierea global n condiii de cer senin pe un plan fix (W/m2); A: Iradierea global pe un plan cu sistem de urmrie dublu-axial (W/m2); Ad: Iradierea difuz pe un plan cu sistem de urmrire dublu-axial (W/m2); Ac: Iradierea global n condiii de cer senin pe un plan cu sistem de urmrire

dublu axial (W/m2). Problematica proiectrii unui sistem fotovoltaic este suficient de complex pentru a

necesita trecerea n revist a aspectelor teoretice utilizate. Astfel n primul capitol este prezentat importana rolului climatului radiaiei solare n analiza eficienei utilizrii energiei solare ca surs alternativ, ecologic de energie. Pentru a ne forma o idee de ansamblu au fost prezentate caracteristicile cheie ale climatului cu radiaii solare n diferite pri ale globului pmntesc, analizndu-se cantitativ radiaia solar i calculul geometriei solare, estimndu-se iradiaia global i difuz orizontal dintr-o or i a iradiaiei pentru diferite condiii ale cerului pe planuri nclinate din iradiaia difuz orizontal dintr-o or. Climatul solar cat si radiaiile solare au un impact deosebit att asupra proiectrii unui sistem solar cat i asupra montajului propriu zis. Proiectanii au nevoie att de datele solare cat i de datele legate de temperatura. Temperatura afecteaz performanele unei instalaii solare. Cnd vine vorba de utilizarea unei surse de energie alternative se pune problema corelrii corecte a debitului de energie a unei centrale i necesarul consumatorului. Furnizorul de energie trebuie sa ia n considerare o metoda de depozitare a energiei produse pentru a realiza o furnizare destul de stabil avnd n vedere c energia solar nu se distribuie n mod egal n toate zonele de pe Glob i intensitatea radiaiei solare variaz n funcie de momentul din zi. n mod ideal un proiectant ar trebui s aib datele legate de intensitatea radiaiei solare pentru diferite zone ale Globului i datele legate de temperatur, msurate la nivel de ore din zi i n funcie de anotimp. Astfel de date sunt rare i de aceea n ultimii ani s-a realizat o abordare statistic astfel nct s se umple acest gol din domeniul proiectrii. Toate aceste date sunt eseniale pentru o proiectare eficient a unui sistem solar autonom.

Capitolul al doilea prezint principiul de funcionare al celulelor solare pentru a putea analiza precursorii cercetrilor efectuate. Astfel caracteristicile electrice i proprietile optice ale structurilor tipice de celule solare au fost utilizate la modelarea materialelor semiconductoare, urmrindu-se i obinndu-se eficiena ideal pentru modulele fotovoltaice cu foi subiri realizate din CdTe. n scop de exemplificare, a fost prezentat linia de producie a firmei ANTEC Solar GmbH. Linia de producie a fost conceput ca o linie de producie n doi pai, fiind format dintr-o linie de acoperire galvanic complect automat pentru modulele integrate cu substrat de sticl de dimensiuni ][12060 2cm i o linie de modulare semiautomat, pentru acoperirea ermetic, ataarea contactelor, msurare i adaptarea modulelor din punct de vedere ergonomic la cerinele pieei. Linia complect automat de producie, din prima faz, este constituit din 9 pai:

curarea substraturilor; ataarea contactului transparent (ITO + SnO2) la o temperatura de Co250 ;

27

debitarea filmurilor de TCO pentru definirea celulei i pentru realizarea interconectrii;

depunerea de CdS i CdTe prin procedura de Sublimare n Spaiu Apropiat (Close-Space Sublimation CSS) la o temperatura de Co500 ;

activarea(mbuntirea jonciunii prin recoacere n cuptoare cu atmosfer controlat la aproximativ Co400 );

realizarea gravurrii cu chimicale pentru pregtirea zonei de contact (acumularea de Te);

trasarea cu ajutorul uneltelor mecanice a materialului semiconductor pentru a pregti interconectarea celulelor solare;

ataarea contactului din spate; debitarea cu ajutorul uneltelor mecanice a materialului semiconductor pentru a

separa i interconecta celulele solare; n linia de modulare substraturile cu seturi de celule interconectate (adesea numite

submodule) sunt conectate i sigilate pentru a putea fi utilizate n sisteme energetice. Aceasta parte a fabricii realizeaz urmtoarele procese:

curarea sticlei de acoperire; ataarea cablurilor de contact la module; testarea funcionrii fotovoltaice pentru a identifica module sub standard, care pot

fi excluse din procesul de producie; tierea foliilor realizate din EVA la dimensiunile cerute; unirea modulului cu foliile EVA i cu sticla de acoperire; laminarea (seturi de 6 module); umplerea gurilor de contact; ataarea cutiei de contacte; msurtorile cantitative a performanelor fotovoltaice (pentru seturi de 3 module); ataarea semnului de discriminare n funcie de tip; clasificarea, selectarea i mpachetarea pentru livrare. Linia de modulare necesit i intervenii manuale ale personalului pentru diferite

ajustri, datorit naturii eterogene a procesului. Fiecare linie este instalat ntr-o hal separat. Amndou halele sunt conectate de un coridor pentru transferul modulelor. Figura 2.33 arat aranjamentul geometric al diferitelor procese.

Cu o eficien de conversie de 18,8% la o celul din laborator de 0,5 cm2 i 16,6% pentru minimodule cu o arie de aproximativ 20cm2, Cu(In,Ga)Se2 este n ziua de astzi pe departe cea mai eficient celul solar realizat prin tehnologia thin - film. Aici vorbim de patru inovaii tehnologice importante care, n perioada 1990 2000, au dus la mbuntiri considerabile a eficienei atingndu-se eficiena maxim de 18.8%. Aceti pai reprezint elementele cheie a prezentei tehnologii realizate din aliajul Cu(In,Ga)Se2 :

28

calitatea filmului a fost mbuntit substanial de mecanismul de cristalizare indus de prezena de CuySe (y < 2). Acest proces mai este susinut de o temperatur de substrat apropiat de temperatura de nmuiere a substratului de sticl;

substratul de sticl a fost schimbat de la sticl fr Na la sticl care conine Na. Adugarea de Na a dus la o mbuntire enorm a eficienei i stabilitii celulei solare, cat i la o toleran de proces mai mare;

absorbantele fotovoltaice mai vechi erau compuse doar din CuInSe2. nlocuirea parial a In cu Ga este o alt mbuntire notabil, care a mrit potenialul de barier a materialului absorbant de la 1,04 eV la 1,1 1,2 eV pentru dispozitivele de mare eficien. Beneficiul ncorporrii de 20-30% Ga se mai regsete i n calitatea electronic superioar a stratului semiconductor realizat din Cu(In,Ga)Se2 fa de aliajul format doar din CuInSe2;

electrodul folosit pentru stratul CuInSe2, folosit la celulele solare mai vechi, era realizat dintr-un strat de CdS de m2 grosime ataat prin metoda PVD(Physical Vapour Deposition). Acesta a fost nlocuit de o combinaie de nm50 de CdS reprezentnd un strat de filtrare aezat prin metoda depunerii prin baie chimic, i un strat fereastr puternic conductor realizat din ZnO.

Pentru proiectarea unui sistem fotovoltaic, prezentat n capitolul 3, s-a pornit de la datele iniiale privind energia produs de ctre un modul fotovoltaic i balana energetic n sisteme fotovoltaice autonome necesare pentru dimensionarea sistemelor fotovoltaice independente. Puterea produs de un sistem fotovoltaic depinde de un numr de factori care trebuiesc examinai cnd sistemul este proiectat. Este de asemenea util s apreciem favorabil acurateea metodelor simplificate cnd aceti factori sunt ignorai sau neglijai. O astfel de analiz este realizat n mod convenabil uitndu-ne la energia anual total produs de sistem. Un studiu recent mai complex a identificat apte factori care influeneaz performana anual a modulelor fotovoltaice.

Un considerent important de luat n calcul n proiectarea unui sistem fotovoltaic independent este balana dintre energia produs de ctre reeaua fotovoltaic i energia consumat de sarcin. Orice neconcordan ntre aceste dou energii este compensat de depozitele de energie, care se realizeaz de obicei cu ajutorul bateriilor rencrcabile numite i acumulatoare. Consideraii legate de balana energetic se fac n funcie de mai multe caracteristici determinate n timp, i pot fi discutate n termeni de energie depozitat n baterii. Sunt cicluri zilnice care ne arat c acumulatorii se ncarc n timpul zilei i se descarc n timpul nopii dac se conecteaz o sarcin la ieire sau n orice moment n care energia consumat depete energia furnizat de reeaua fotovoltaic. Rata descrcrii n ciclul zilnic variaz de la aplicaie la aplicaie, dar pentru sisteme fr un generator alternativ de rezerv este foarte probabil ca aportul energetic oferit de acumulatori s nu fie suficient tot timpul. Mai exist un ciclu n funcie de clim, care ine cont de variaiile condiiilor de clim. Ciclul climatic apare cnd sarcina zilnic depete valoarea medie de proiectare a energiei zilnice furnizat de generatorul fotovoltaic. n anumite sisteme (de obicei n aplicaii n care posibila

29

ntrerupere a energiei electrice nu este vital), acumulatorul ar putea juca rolul de depozit de energie funcie de sezon, astfel nct pe perioada iernii s furnizeze o parte din energia acumulat pe perioada verii.

Modelarea sistemelor reprezint un element cheie n proiectarea unui sistem fotovoltaic. Poate veni cu rspunsuri la un numr de probleme importante cum ar fi dimensiunile reelei fotovoltaice, orientarea i configuraia electric, poate de asemenea s determine mrimea diferitelor subsisteme cum ar fi bateria i / sau invertorul. Criteriile de proiectare vor varia n funcie de natura aplicaiei. n sisteme independente, consideraiile ca producia de energie s acopere necesarul consumatorului sunt foarte importante. Sigurana sursei de energie i consideraiile economice sunt de asemenea importante. Un aspect important n proiectarea sistemelor independente l mai reprezint dimensionarea. Probleme analizate n cadrul proiectrii au fost cele de conectare la reea a sistemelor fotovoltaice, de conversie i control n partea electronic din sistem i calculul de dimensionare al bateriilor. Cel mai simplu sistem fotovoltaic nu are nevoie de control electronic sau condiionare a puterii. O instalaie fotovoltaic cu un numr bine ales de celule solare n serie ncarc o baterie (acumulator). Bateria susine furnizarea de energie cnd nu este suficient energie solar, dar n acelai timp ajut la meninerea tensiunii furnizate, n anumite limite prestabilite. O astfel de abordare are meritul simplitii dar are limitri serioase. Nu exist control pentru a limita cantitatea de sarcin care este furnizat bateriei, i nu exist posibilitatea limitrii descrcrii bateriei. Puterea furnizat sarcinii va fi constituit din curent continuu i tensiunea ar fluctua considerabil n funcie de starea sarcinii. De asemenea nu exist posibilitatea controlului tensiunii de la nivelul instalaiei fotovoltaice pentru a ne asigura c furnizeaz puterea maxim. n scopul de a depi aceste limitri se folosesc circuite electronice de putere, pentru a controla curentul de sarcin care ncarc bateriile, pentru a transforma tensiunea (conversia de la curent continuu fluctuant la curent continuu) i pentru a converti curentul continuu n curent alternativ (invertoare). Exist trei funcii importante pe care o baterie le ndeplinete ntr-un sistem fotovoltaic:

se comport ca un filtru care depoziteaz energia necesar i elimin neconcordana dintre energia furnizat de generatorul fotovoltaic i necesarul la consumator. Puterea pe care o produce un modul fotovoltaic la un moment dat variaz n funcie de cantitatea de lumin care ajunge pe modul (i este 0 pe perioada de noapte). Marea majoritate a consumatorilor au nevoie de o surs de energie constant pentru a putea funciona normal. Bateria furnizeaz energie cnd modulul fotovoltaic nu produce energie sau produce mai puin dect este necesar. Bateria mai are rolul de a depozita energia produs n plus de ctre panoul fotovoltaic;

bateria reprezint o rezerv de energie care poate fi folosit n timpul zilelor cu cer noros sau n caz de urgen n cazul n care anumite pri din sistemul fotovoltaic cedeaz;

bateria previne fluctuaiile mari de tensiune, care pot duna funcionrii normale. Un modul fotovoltaic poate s furnizeze puterea n orice punct dintre punctele de

30

scurtcircuit i circuit deschis, depinznd de caracteristicile sarcinii. ntr-un sistem nominal de 12V, de exemplu, putem avea o tensiune oarecare din intervalul 0 20V. Multe sarcini nu pot s opereze pe o raz att de vast de tensiuni. Amplasnd o baterie ntre modulul fotovoltaic i sarcin, va stabiliza ntr-o oarecare msur tensiunea, astfel nct sarcina s nu primeasc o tensiune prea mare sau prea mic. n ultimele dou capitole sunt prezentate date experimentale privind potenialul solar

al Cmpiei de Vest i sunt subliniate avantajele ce apar n urma utilizrii instalaiilor fotovoltaice cu foi subiri. Unul dintre marile avantaje n realizarea panourilor solare este faptul c pot fi dimensionate n funcie de aplicaie, ca s debiteze ce tensiune i curent dorim.

Cu ajutotul simulrii am determinat iradiaia global lunar unde au fost analizate mai multe date cum ar fi: iradiaia orizontal, iradiaia pentru un unghi optim de nclinaie, iradiaia la unghiul de o90 , factorul de turbulen Linke, iradiaia difuz / iradiaia global i unghiul de nclinaie optim. Acestea au fost determinate pentru ntreaga zon de vest de la Snicolaul Romn pn la Satu Mare, deficitul anual de iradiaie datorit fenomenului de umbrire orizontal a fost considerat 0,0%, iar unghiul de nclinaie de 37, orientarea n plan sau azimutul a fost considerat a fi de 0. n final au fost realizate simulri pentru estimarea mediei zilnice de iradiere solar, aceste calcule i simulri au fost fcute pentru fiecare lun n parte pentru municipiul Oradea i zona din apropierea acestuia cuprins ntre municipiile Salonta n sud i Aled n est. Au fost utilizate dou tipuri de modele de simulare, o simulare realizat cu softul RETScreen utiliznd datele tehnice (msurtori din teren) i o simulare economic de unde avem diagrama cash flow.

Elementele de noutate obinute n urma cercetrilor efectuate sunt cele legate de estimrile performanei unui sistem fotovoltaic cu foi subiri conectat la reea, din zona judeelor Timi, Arad, Bihor i Satu Mare.

33

Performance of Grid-connected PV

PVGIS estimates of solar electricity generation

Location: 4538'50" North, 210'21" East, Elevation: 78 m a.s.l., Nearest city: Timisoara, Romania Nominal power of the PV system: 4.0 kW(thin - film tehnology) Estimated losses due to temperature: 9.5% (using local ambient temperature) Estimated loss due to angular reflectance effects: 2.8% Other losses (cables, inverter etc.): 14.0% Combined PV system losses: 24.4%

Fixed system: inclination=35, orientation=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 1.60 49.6 1.92 59.6 Feb 2.38 66.6 2.92 81.8 Mar 3.15 97.8 4.03 125 Apr 3.64 109 4.81 144 May 4.08 126 5.55 172 Jun 4.15 124 5.74 172 Jul 4.36 135 6.07 188 Aug 4.27 132 5.92 184 Sep 3.79 114 5.08 152 Oct 3.05 94.5 3.97 123 Nov 1.81 54.3 2.26 67.7 Dec 1.34 41.5 1.61 49.8 Yearly average 3.14 95.4 4.16 127 Total for year 1150 1520

Vertical axis tracking system inclination=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 0.94 29.0 1.19 37.0 Feb 1.60 44.7 1.99 55.7 Mar 2.52 78.3 3.19 98.8 Apr 3.37 101 4.38 131 May 4.16 129 5.56 172 Jun 4.43 133 6.03 181 Jul 4.55 141 6.23 193 Aug 4.06 126 5.53 171 Sep 3.10 93.1 4.10 123 Oct 2.08 64.4 2.72 84.3 Nov 1.09 32.6 1.42 42.6 Dec 0.75 23.3 0.98 30.3 Yearly average 2.73 82.9 3.62 110 Total for year 995 1320

Inclined axis tracking system inclination=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 1.41 43.6 1.66 51.3

34

Feb 2.34 65.5 2.80 78.3 Mar 3.58 111 4.43 137 Apr 4.54 136 5.87 176 May 5.46 169 7.28 226 Jun 5.77 173 7.85 235 Jul 6.10 189 8.34 259 Aug 5.63 175 7.63 236 Sep 4.47 134 5.82 175 Oct 3.17 98.4 4.01 124 Nov 1.64 49.3 2.00 60.0 Dec 1.12 34.6 1.32 41.0 Yearly average 3.78 115 4.93 150 Total for year 1380 1800

2-axis tracking system Month Ed Em Hd Hm Jan 1.96 60.6 2.40 74.3 Feb 2.94 82.2 3.65 102 Mar 4.02 124 5.13 159 Apr 4.79 144 6.29 189 May 5.62 174 7.56 234 Jun 5.92 178 8.09 243 Jul 6.28 195 8.64 268 Aug 5.91 183 8.11 251 Sep 4.98 149 6.63 199 Oct 3.91 121 5.11 159 Nov 2.24 67.2 2.83 84.8 Dec 1.62 50.3 1.99 61.6 Yearly average 4.19 127 5.55 169 Total for year 1530 2020

Ed: Average daily electricity production from the given system (kWh) Em: Average monthly electricity production from the given system (kWh) Hd: Average daily sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2) Hm: Average sum of global irradiation per square meter received by the modules of the given system (kWh/m2)

36



Location: 4559'58" North, 217'36" East, Elevation: 95 m a.s.l., Nearest city: Arad, Romania Nominal power of the PV system: 4.0 kW(thin - film tehnology) Estimated losses due to temperature: 9.1% (using local ambient temperature) Estimated loss due to angular reflectance effects: 2.8% Other losses (cables, inverter etc.): 14.0% Combined PV system losses: 24.0%

Fixed system: inclination=35, orientation=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 1.60 49.6 1.92 59.4 Feb 2.43 67.9 2.96 82.9 Mar 3.18 98.7 4.04 125 Apr 3.66 110 4.83 145 May 4.10 127 5.57 173 Jun 4.14 124 5.70 171 Jul 4.33 134 6.00 186 Aug 4.27 132 5.90 183 Sep 3.77 113 5.02 151 Oct 3.06 94.7 3.95 123 Nov 1.75 52.6 2.17 65.2 Dec 1.29 39.9 1.54 47.7 Yearly average 3.14 95.4 4.14 126 Total for year 1140 1510


37

Inclined axis tracking system inclination=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 1.38 42.8 1.62 50.4 Feb 2.36 66.1 2.81 78.6 Mar 3.55 110 4.38 136 Apr 4.53 136 5.83 175 May 5.47 170 7.28 226 Jun 5.68 170 7.69 231 Jul 5.98 185 8.13 252 Aug 5.56 172 7.50 232 Sep 4.37 131 5.66 170 Oct 3.13 97.0 3.93 122 Nov 1.54 46.3 1.88 56.3 Dec 1.06 32.8 1.25 38.8 Yearly average 3.73 113 4.84 147 Total for year 1360 1770



39



Location: 472'33" North, 2157'2" East, Elevation: 125 m a.s.l., Nearest city: Oradea, Romania Nominal power of the PV system: 4.0 kW(thin - film tehnology) Estimated losses due to temperature: 8.6% (using local ambient temperature) Estimated loss due to angular reflectance effects: 2.8% Other losses (cables, inverter etc.): 14.0% Combined PV system losses: 23.6%

Fixed system: inclination=35, orientation=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 1.55 48.0 1.83 56.7 Feb 2.51 70.2 3.02 84.6 Mar 3.32 103 4.17 129 Apr 3.78 113 4.96 149 May 4.24 131 5.74 178 Jun 4.13 124 5.68 170 Jul 4.36 135 6.03 187 Aug 4.21 131 5.78 179 Sep 3.73 112 4.93 148 Oct 3.02 93.7 3.86 120 Nov 1.70 51.0 2.08 62.5 Dec 1.13 34.9 1.33 41.3 Yearly average 3.14 95.6 4.12 125 Total for year 1150 1510


40

Inclined axis tracking system inclination=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 1.28 39.7 1.50 46.4 Feb 2.39 67.0 2.81 78.8 Mar 3.68 114 4.49 139 Apr 4.71 141 6.03 181 May 5.73 178 7.60 236 Jun 5.68 170 7.66 230 Jul 6.02 187 8.15 253 Aug 5.44 169 7.29 226 Sep 4.30 129 5.52 166 Oct 3.03 94.1 3.77 117 Nov 1.48 44.4 1.78 53.5 Dec 0.90 27.8 1.06 32.8 Yearly average 3.73 113 4.82 146 Total for year 1360 1760



42



Location: 4747'36" North, 2253'43" East, Elevation: 123 m a.s.l., Nearest city: Satu Mare, Romania Nominal power of the PV system: 4.0 kW(thin - film tehnology) Estimated losses due to temperature: 8.1% (using local ambient temperature) Estimated loss due to angular reflectance effects: 2.8% Other losses (cables, inverter etc.): 14.0% Combined PV system losses: 23.2%

Fixed system: inclination=35, orientation=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 1.33 41.2 1.55 48.2 Feb 2.21 61.8 2.64 74.0 Mar 3.14 97.3 3.91 121 Apr 3.54 106 4.62 139 May 4.05 126 5.46 169 Jun 3.86 116 5.26 158 Jul 4.12 128 5.66 176 Aug 3.89 121 5.31 164 Sep 3.32 99.6 4.36 131 Oct 2.72 84.3 3.44 107 Nov 1.49 44.7 1.81 54.4 Dec 0.96 29.8 1.13 35.1 Yearly average 2.89 87.9 3.77 115 Total for year 1050 1380

Vertical axis tracking system inclination=0 Month Ed Em Hd Hm Jan 0.75 23.2 0.95 29.6 Feb 1.41 39.5 1.74 48.8 Mar 2.42 75.0 3.00 93.0 Apr 3.22 96.6 4.13 124 May 4.07 126 5.39 167 Jun 4.06 122 5.46 164 Jul 4.23 131 5.72 177 Aug 3.65 113 4.90 152 Sep 2.69 80.7 3.50 105 Oct 1.81 56.2 2.34 72.5 Nov 0.88 26.4 1.15 34.4 Dec 0.55 16.9 0.72 22.2 Yearly average 2.48 75.6 3.26 99.1 Total for year 907 1190

Inclined axis tracking system inclination=0

43

Month Ed Em Hd Hm Jan 1.08 33.6 1.26 39.1 Feb 2.07 58.0 2.42 67.8 Mar 3.42 106 4.15 129 Apr 4.33 130 5.51 165 May 5.37 167 7.08 220 Jun 5.16 155 6.92 207 Jul 5.53 172 7.45 231 Aug 4.90 152 6.52 202 Sep 3.72 112 4.75 143 Oct 2.68 83.1 3.31 103 Nov 1.28 38.4 1.54 46.1 Dec 0.75 23.4 0.89 27.6 Yearly average 3.37 102 4.33 132 Total for year 1230 1580

2-axis tracking system Month Ed Em Hd Hm Jan 1.61 50.0 1.90 58.8 Feb 2.73 76.4 3.28 91.9 Mar 3.96 123 4.93 153 Apr 4.62 138 5.97 179 May 5.57 173 7.41 230 Jun 5.31 159 7.15 214 Jul 5.71 177 7.75 240 Aug 5.18 160 6.97 216 Sep 4.20 126 5.48 164 Oct 3.42 106 4.33 134 Nov 1.81 54.4 2.22 66.7 Dec 1.14 35.2 1.34 41.7 Yearly average 3.78 115 4.90 149 Total for year 1380 1790


45

Monthly Solar Irradiation PVGIS Estimates of long-term monthly averages Location: 473'49" North, 2157'2" East, Elevation: 138 m a.s.l., Nearest city: Oradea, Romania Optimal inclination angle is: 36 degrees Annual irradiation deficit due to shadowing (horizontal): 0.0 %

Month Hh Hopt H(90) Iopt T L D/G TD T24h NDD Jan 1090 1820 1860 64 2.9 0.62 -0.9 -1.5 585 Feb 1960 3020 2850 59 3.2 0.52 1.4 0.6 457 Mar 3190 4170 3310 47 3.2 0.49 6.0 4.9 340 Apr 4430 4940 3150 32 3.5 0.47 12.4 11.2 117 May 5690 5720 3000 19 3.6 0.45 18.0 16.6 33 Jun 5900 5640 2720 13 3.8 0.47 20.8 19.5 5 Jul 6110 6000 2950 17 3.9 0.42 22.5 21.4 0 Aug 5330 5760 3380 28 4.0 0.42 22.2 20.9 19 Sep 3920 4930 3640 43 4.1 0.42 17.2 15.9 95 Oct 2580 3870 3490 56 3.6 0.45 12.9 11.4 297 Nov 1280 2070 2070 63 3.0 0.59 6.4 5.4 461 Dec 816 1320 1340 64 3.0 0.69 0.3 -0.3 598 Year 3530 4110 2810 36 3.5 0.46 11.6 10.5 3007

Hh: Irradiation on horizontal plane (Wh/m2) Hopt: Irradiation on optimally inclined plane (Wh/m2) H(90): Irradiation on plane at angle: 90deg. (Wh/m2) Iopt: Optimal inclination (deg.) T

L: Linke turbidity (-) D/G: Ratio of diffuse to global irradiation (-) TD: Average daytime temperature (C) T24h: 24 hour average of temperature (C) NDD: Number of heating degree-days (-)

48

BIBLIOGRAFIE SELECTIV

1. Abken, A., Heinemann, F., Kampmann, A,, Leinkiihler, G., Rechid, J., Sittinger, V., Wietler, T. and Reineke-Koch, R., 1998. Large area electrodeposition of Cu(In,Ga)Se2 precursors for the fabrication of thin film solar cells. Proc. 2nd World Con. on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, p. 1133.

2. Abou-Elfotouh, F.A., Moutinho, H., Bakry, A., Coutts, T.J. and Kazmerski, L.L., 1991. Characterization of the defect levels in copper indium diselenide. Solar Cells, Vol. 30, p. 151.

3. Birkmire, R.W., McCandless, B.E., Shafarman, W.N. and Varrin, R.D., 1989. Approaches for high efficiency CuInSe2 solar cells. Proc. 9th. European Photovoltaic Solar Energy Conf., Freiburg, p. 134.

4. Bube, R.H., 1992. Photolectronic Properties of Semiconductors, Cambridge University Press, Cambridge, UK.

5. Cahen, D. and Noufi, R., 1989. Defect chemical explanation for the effect of air anneal on CdS/CuInSe2 solar cell performance. Appl. Phys. Lett., Vol. 54, p. 558.

6. Contreras, M., Egaas, B., Ramanathan, K., Hiltner, J., Swartzlander, A.Hasoon, F. and Noufi, R., 1999. Progress toward 20% efficiency in Cu(In,Ga)Se2 polycrystalline thin-film solar cells. Prog. Photovolt. Res.Appl. Vol. 7,p. 311.

7. Contreras, M.A., Egaas, B., Dippo, P., Webb, J., Granata, J., Ramanathan, K., Asher, S., Swartzlander, A. and Noufi, R., 1997. On the role ofNa and modifications to Cu(In,Ga)Se absorber materials using thin-MF (M = Na, K, Cs) precursor layers. Proc. 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anaheim, p. 359.

8. Contreras, M.A., Wiesner, H., Niles, D., Ramanathan, K., Matson, R., Tuttle, J., Keane, J. and Noufi, R., 1996. Defect chalcopyrite Cu(Inl-,Ga,)3Se5 materials and high Ga-content Cu(In,Ga)Se2-based solar cells. Proc. 25th IEEE Photovoltaic Specialists,W ashington, DC, p. 809.

9. Coutts, T.J., Kazmerski, L.L. and Wagner, S., 1986. Ternary Chalcopgrite Semiconductors: Growth, Electronic Properties, and Applications, Elsevier, Amsterdam.

10. Deibel, C., Dyakonov, V., Parisi, J., Palm, J., Zweigart, S. and Karg, F.,2002. Electrical characterisation of damp-heat trated Cu(In,Ga)(S,Se)2 solar cells. Proc. 17th European Photovoltaic Solar Energy Conf., Munich, p. 1229.

11. Delahoy, A.E., Ruppert, A. and Contreras, M., 2000. Charging and discharging of defect states in CIGS/ZnO junctions. Thin Solid Films, Vols.

12. Devaney, W.E., Chen, W.S., Steward, J.M. and Mickelson, R.A., 1990. Structure and properties of high efficiency ZnO/CdZnS/CuInGaSe2 solar cells. IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-3 7, p. 428.

13. Dhingra, A. and Rothwarf, A., 1996. Computer simulation and modeling of graded bandgap CuInSe2/CdS based solar cells. IEEE Trans. Electron Devices, Vol. ED-43, p. 613 ,

14. Dimmler, B., Powalla, M. and Schock, H.W., 2002. CIS-based thin-film photovoltaic modules: potential and prospects. Prog. Photovolt. Res. Appl.Vol. 10, p.149.

15. Dullweber, T. Rau. U., Contreras, M., Noufi, R. and Schock, H.W., 2000. Photogeneration and carrier recombination in graded gap Cu(In, Ga)Se2 solar cells. IEEE Trans. Electron. Dev., Vol. ED-47, p. 2249.

16. Guillemoles, J.-F., Rau, U., Kronik, L., Schock, H.W. andCahen, D., 1999. Cu(In,Ga)Se2 solar cells: device stability based on chemical flexibility. Adv.Mat..Vol. 8.p. 111.

49

17. Haalboom, T., Godecke, T., Ernst, F., Riihle, M., Herberholz, R., Schock, H.W., Beilharz. C. and Benz, K.W.. 1997. Phase relations and microstructure in bulk materials and thin films of the ternary system Cu-In-Se. Inst. Phys. Conf. Ser., Vol. 152E, p. 249.

18. Hanket, G.M., Singh, U.P., Eser, E., Shafarman, W.N. and Birkmire, R.W., 2002. Pilot-scale manufacture of Cu(InGa)SeZ films on a flexible polymer substrate. Proc. 29thIEEEPhotovoltaicSpecialistsConf.N, ew Orleans, p. 567.

19. Hanna, G., Jasenek, A., Rau, U. and Schock, H.W., 2000. Open circuit voltage limitations in CuInl -,Ga,Se2 thin- film solar cells dependence on alloy composition. Phys. Stat. Sol. A, Vol. 179, p. R7.

20. Hariskos, D., Ruckh, M., Riihle, U., Walter, T., Schock, H.W., Hedstrom, J. and Stolt, L., 1996. A novel cadmium free buffer layer for Cu(In,Ga)Se2 based solar cells. Solar Energy Mat. Solar Cells, Vols. 41/42, p. 345.

21. Hartmann, M., Schmidt, M., Jasenek, A., Schock, H.W., Kessler, F., Herz, K. and Powalla, M., 2000. Flexible and light weight substrates for Cu(In,Ga)Sez solar cells and modules. Proc. 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anchorage, p. 638.

22. Hartmann, M., Schmidt, M., Jasenek, A., Schock, H.W., Kessler, F., Herz, K. and Powalla, M., 2000. Flexible and light weight substrates for Cu(In,Ga)Sez solar cells and modules. Proc. 28th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anchorage, p. 838.

23. Heath, J.T., Cohen, J.D., Shafarman, W.N., Liao, D.X. and Rockett, A.A., 2002. Effect of Ga content on defect states in CuInl_,Ga,Se2 photovoltaic devices.Appl. Phys. Lett.,Vol. 80,p. 4540.

24. Hedstrom, J., Ohlsen, H., Bodegard, M., Kylner, A., Stolt, L., Hariskos, D., Ruckh, M. and Schock, H.W., 1993. ZnO/CdS/Cu(In,Ga)Se/sub 2/ thin film solar cells with improved performance. Proc. 23rd ZEEE Photovoltaic Specialists Conf., Lousville, p. 364.

25. Hengel, I., Neisser, A., Klenk, R. and Lux-Steiner, M.C., 2000. Current transport in CuInS2:Ga/Cds/Zn0 - solar cells. Thin Solid Films, Vols. 361-362, p. 458.

26. Herberholz, R., Igalson, M. and Schock, H.W., 1998. Distinction between bulk and interface states in CuInSe2/CdS/Zn0 by space charge spectroscopy. J. Appl. Phys., Vol. 83, p. 3 18.

27. Herberholz, R., Nadenau, V., Ruhle, U., Koble, C., Schock, H.W. and Dimmler, B., 1997. Prospects of wide-gap chalcopyrites for thin film photovoltaic modules. Solar Energy Mater. Solar Cells, Vol. 49, p. 227.

28. Herberholz, R., Rau, U., Schock, H.W., Haalboom, T., Godecke, T., Ernst, F., Beilharz, C., Benz, K.W., and Cahen, D., 1999. Phase segregation, Cu migration and junction formation in Cu(In,Ga)Se2, Eur. Phys. 1. Appl. Phys., Vol. 6, p. 131.

29. Holz, J., Karg, F. and Phillipsborn, H.V., 1994. The effect of substrate impurities 30. Kushia, K., Tachiyuki, M., Kase, T., Sugiyama, I., Nagoya, Y., Okumura, D., Sato,

M., Yamase, O., and Takeshita, H. 1997. Fabrication of graded band-gap Cu(InGa)Sez thin-film mini-modules with a Zn(O.S,OH), buffer layer, Solar Energy Mat. Solar Cells, VoI. 49, p. 277.

31. Kushiya, K., 2001. Improvement of electrical yield in the fabrication of CIGS-based thin-film modules. Thin SolidFilms, Vol. 387, p.257.

32. Kushiya, K., Nii, T., Sugiyama, I., Sato, Y., Inamori, Y., Takeshita, H., 1996. Application of Zn-compound buffer layer for polycrystalline CuInSe2-based thin-film solar cells. Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 35, p. 43 - 83.

33. Kushiya, K., Tachiyuki, M., Kase, T., Nagoya, Y., Miura, T., Okumura, D., Satoh, M., Sugiyama, and I., Yamase, O., 1997. Improved FF of CIGS thin-film mini-modules with Zn(O,S,OH), buffer by post-depostion light soaking. Proc. 26th IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Anaheim, p. 327.

Documents

Dumitru Florin Rezumat Teza de Doctorat (1)