Panoul fotovoltaic

Panoul fotovoltaic reprezintă un dispozitiv realizat cu scopul transformării energiei emise de către Soare, sub formă de lumină (unde electromagnetice), în energie electrică. Elementul principal al unui panou solar sau fotovoltaic îl constituie celula solară sau fotovoltaică.

Celula fotovoltaică

O celulă solară, numită și celulă fotovoltaică, este un dispozitiv electronic care transformă direct lumina solară în electricitate. Materialul utilizat la realizarea celulei solare este de cele mai multe ori un semiconductor, iar la baza acestuia este cristalul de siliciu. Acesta este dopat (i se adaugă) cu impurități în vederea modificării proprietăților electrice. Semiconductorul este o joncțiune de tip PN a care fiecare strat este dopat diferit. La partea superioară se află stratul N, cu electroni (ce sunt sarcini negative) în exces, dopat cu fosfor sau arsen iar partea inferioară este stratul P, cu goluri (ce sunt sarcini pozitive), dopat cu bor sau galiu.
Sectiunea_unei_celule_fotovoltaice
Figura 1. Secțiunea unei celule fotovoltaice 1

Sub acțiunea fotonilor, aferenți iradiației luminii solare, se va genera un curent continuu ca urmare a apariției unei diferențe de potențial. Fotonii absorbiți vor fi captați de electronii stratului N și le va permite să depășească bariera de potențial și să apară astfel un curent electric continuu. Pentru captarea acestui curent electric sunt depuse grile cu electrozi pe cele două straturi N și P. În plus electrodul superior N va tratat astfel încât să permită la maximum absorbția de fotoni de la soare.

Tehnologii de realizare ale celulelor solare din siliciu

Materialul cel mai utilizat la realizarea celulelor solare/fotovoltaice este siliciu. Din siliciu, în funcție de cum sunt asociate cristalele, se pot realiza mai multe tipuri de celule fotovoltaice, astfel întâlnim celule 2, 3:

  • Monocristaline

Celulele solare monocristaline au fost primele realizate, iar ele sunt construite din așa numitele Wafer, ce reprezintă un bloc de siliciu dintr-un cristal. Datorită formei cilindrice a cristalului de siliciu, după prelucrare, tăiere, au forma rotundă sau pseudo-pătrată.

Prezintă un randament mai ridicat în comparație cu celelalte celule din siliciu de aproximativ 12[%]-16[%], dar și un preț mai ridicat.

Monocristal_de_siliciu
Figura 2. Monocristal de siliciu 3

Celula_monocristalina
Figura 3. Celulă monocristalină 3

  • Multicristaline

Celule multicristaline, mai sunt numite și policristaline, sunt realizate dintr-un bloc de siliciu unde cristalizarea a fost realizată din mai multe cristale de siliciu cu diferite orientări. Aceste pot fi realizate printr-un procedeu de turnare și sunt astfel mai ieftine ca cele monocristaline.

Prezintă un randament mai scăzut ca cele monocristaline de aproximativ 11[%]-13[%].

Celula_policristalina
Figura 4. Celulă policristalină 3

  • Amorfe

Acest gen de celule sunt realizate pe un suport de sticlă sau material sintetic, pe care se depune, prin procedeul de condensare a vaporilor de siliciu și sunt mai ieftine ca celulele realizate din cristale.

Prezintă un randament mai scăzut, de aproximativ 5[%]-10[%], comparativ cu celulele realizate din cristale dar prezintă avantajul unui preț mai scăzut și a unui bun randament la lumina slabă fiind folosite cel mai adesea în aparatura electronică (ceasuri, calculatoare, etc).

Tehnologie Randament tipic [%] Randament teoretic [%]
Monocristaline 12-16 24
Policristaline 11-13 18,6
Amorfe 5-10 12,7

Tabelul 1. Randamentul celulelor funcție de tehnologie 2

Construcția panourilor

Panoul fotovoltaic este alcătuit, în principal, din:

  • Celule fotovoltaice;
  • Conductoare electrice pentru culegerea energiei electrice de la celule;
  • Dioda Schottky, pentru stabilirea sensului curentului prin panou;
  • Cadrul în care sunt fixate celule fotovoltaice.

În vederea utilizării practice, celule fotovoltaice sunt conectate între ele în module numite panouri fotovoltaice. Un astfel de panou cuprinde de regula 36 de celule, întâlnite la sistemele de 12[V], 60 de celule sau 72. Panourile la rândul lor dispun de terminale/legături ce au la capete conectori, astfel realizați, făcând facilă înserierea între panouri.

Panoul_fotovoltaic_realizat_cu_60_de_celule
Figura 5. Panoul fotovoltaic realizat cu 60 de celule

Caracteristicile tehnice ale unui astfel de panou sunt:
\(P_{max}=245[W]\) – Puterea maximă;
\(U_{MPP}=29,9[V]\) – Tensiunea la puterea maximă;
\(U_{OC}=37,4[V]\) – Tensiunea la mers în gol;
\(I_{MPP}=8,1[A]\) – Curentul la puterea maximă;
\(I_{sc}=9,7[A]\) – Curentul de scurtcircuit;

Caracteristicile sunt valabile pentru o iradiație solară standard de \(1000[W/m^2]\) și o temperatură a panoului de \(25[^0C]\).

Caracteristicile_tehnice_a_unui_panou_din_60_de_celule
Figura 6. Caracteristicile tehnice a unui panou din 60 de celule

Panoul are cele 60 de celule împărțite în 3 grupe. Fiecare grupare realizată din 20 de celule este înseriată cu următoarea iar la fiecare grupă este conectată o diodă în montaj antiparalel. Diodele folosite sunt de tip Schottky, de putere, ce au scopul de a nu permite transformarea grupei de 20 de celule, din generator de energie, în consumator de energie, în cazul în care panoul este parțial umbrit. Diodele de blocaj, sunt în general tot diode de putere Schottky, având rolul de bloca curgerea inversă a curentului, din baterii către panou, pe timpul serii 4.

Cutia_de_legaturi_cu_diodele_de_bypass_a_panoului_solar_1 Cutia_de_legaturi_cu_diodele_de_bypass_a_panoului_solar_2 Cutia_de_legaturi_cu_diodele_de_bypass_a_panoului_solar_3
. Figura 7. Cutia de legături cu diodele de bypass a panoului solar 4

Modelarea în vederea simulării a unui panou solar

Pornind de la schema echivalentă a unei celule solare se poate realiza, în vederea simulării și analizării, un model/bibliotecă în programe de simulare de tip spice, în acest caz LTspice.

Schema_electrica_echivalenta_a_unei_celule_solare
Figura 8. Schema electrică echivalentă a unei celule solare 5

În figura de mai sus este prezentat elementele și conexiunile a principalelor componente a unei celule fotovoltaice. Joncțiunea PN, este reprezentată de diodă, conexiunile electrice respectiv conductoarele ce adaugă o rezistență electrică este reprezentată de \(R_s\) iar rezistența \(R_{sh}\) în paralel cu dioda reprezintă o rezistență parazită. Din analiza circuitului constatăm că o celulă ideală va avea rezistență \(R_s\) de valoare nulă, iar rezistența \(R_{sh}\) de valoare infinită.

În LTspice se va transpune schema electrică a unei celulei, prezentata mai sus, iar pentru a ține cont de numărul de celule aferente unui panou fotovoltaic vom crea un parametru n ce va multiplica cu numărul de celule aferente panoului tensiunea de la ieșirea din panou.

Schema_electrica_in_LTspice_a_modelului_unui_panou_solar
Figura 9. Schema electrică, în LTspice, a modelului unui panou solar

Fișierul netlist a circuitului de mai sus este următorul:

* C:\Users\Florin\Master_RCC\Disertatie\PV-Spice_files\Fotovoltaic\Model_panou_solar.asc
D Isc 0 Dcelula
Rsh Isc 0 {Rsh}
Rs cell Isc {Rs}
Fcelula 0 celula Eps 1
Eps Vps+ Vps- celula 0 {n}
.model D D
.lib C:\Users\Florin\Documents\LTspiceXVII\lib\cmp\standard.dio
.model Dcelula D IS={IS}
.param Rs=0.005
.param Rsh=100
.param IS=1.5nA
.param n=60
* Isc reprezinta\ncurentul de scurtcircuit\nal panoului si este direct\nproportional cu iradierea\nsoarelui
* Tensiunea de ieșire\ndin panoul fotovoltaic
.backanno
.end

Circuitul a fost realizat parametric pentru a se putea în viitor folosi lesne comanda spice .step, aferentă unui parametru, pentru a analiza influența acestuia asupra rezultatelor.

Parametrul \(Rs\), reprezintă rezistența serie (\(R_s\)), iar \(R{sh}\) reprezintă rezistența șunt (\(R_{sh}\)) montată în paralel cu dioda iar \(n\) este numărul de celule și care este aferent \(E{ps}\) (Voltage dependent voltage). \(E{ps}\) va scoate o tensiune ce va depinde de tensiunea de intrare multiplicată cu parametrul \(n\). \(F{celula}\) (Current dependent current) va genera un curent ce va fi egal cu multiplu (în acest caz este 1) a curentului prin sursa de tensiune \(E{ps}\).

Cu ajutorul circuitului de mai sus se va crea un model într-o librărie, utilizând comanda din meniul Hierarchy->Open this Sheet’s Symbol. Biblioteca astfel realizată va fi folosită în viitoarele simulări.

Pentru a verifica modelul creat, în cele ce urmează, se prezentă circuitul folosit la simularea bibliotecii create, în vederea testării caracteristicilor panoului solar cu 60 de celule ce va debita pe o sarcină/baterie compusă dintr-o rezistență serie \(R{sarc}\) de 10[mΩ] și o sursă \(Vps\) de 24[V].

Schema_electrica_a_simularii_utilizand_modelul_creat_anterior
Figura 10. Schema electrică a simulării utilizând modelul creat anterior

Caracteristicile trasate, reprezintă puterea și curentul la ieșirea din panou, la diferite iluminări ale soarelui. Sursa de curent \(Isc\) va genera un curent ce este proporțional cu iradierea solară. În acest caz \(Isc\) are valoarea curentului de scurtcircuit al panoului de mai sus.

Fișierul netlist al simulării este următorul: 

* C:\Users\Florin\Master_RCC\Disertatie\PV-Spice_files\Fotovoltaic\TesPanou.asc
XX1 N002 ps 0 model_panou_solar
Isc 0 N002 9.7
Rsarc N001 ps 0.01
Vps N001 0 24
* block symbol definitions
.subckt model_panou_solar Isc Vps+ Vps-
D Isc 0 Dcelula
Rsh Isc 0 {Rsh}
Rs cell Isc {Rs}
Fcelula 0 cell Eps 1
Eps Vps+ Vps- cell 0 {n}
.model Dcelula D IS={IS}
.param Rs=0.005
.param Rsh=100
.param IS=1.5nA
.param n=60
.ends model_panou_solar
.model D D
.lib C:\Users\Florin\Documents\LTspiceXVII\lib\cmp\standard.dio
.dc Vps 0 40 0.01 Isc 1 9.7 1
.backanno
.end

Parametrii tehnici ai panourilor fotovoltaice sunt listate de producători pentru iradiere standard de \(1000 [W/m^2]\) iar după o utilizare de 25 de ani acestea încă mai păstrează 70[%]-80[%] din caracteristicile inițiale. În cazul în care locația prezintă o iradierea superioară și panoul va debit corespunzător o putere superioară, proporțional cu iradierea.

Figura 11. Planșele cu energia solară a României6
Plansele_cu_energia_solara_a_Romaniei_1 Plansele_cu_energia_solara_a_Romaniei_2 Plansele_cu_energia_solara_a_Romaniei_3
Plansele_cu_energia_solara_a_Romaniei_4 Plansele_cu_energia_solara_a_Romaniei_5 Plansele_cu_energia_solara_a_Romaniei_6

Din planșele de mai sus putem observa că pentru locația Suceava avem o iradiere de aproximativ \(1200[W/m^2]\) de unde va rezulta aproximativ o creștere cu 20[%] a puterii generate de către panourile fotovoltaice.

  1. C. Honsberg și S. Bowden, „Solar Cell Structure,” [Interactiv]. Available: https://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/solar-cell-structure.  ↩

  2. L. Petillon, J.-C. Herant și T. Leroy, „Celula fotoelectrica,” [Interactiv]. Available: http://em.ucv.ro/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereSolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Cellule/Cellule.pdf  ↩ ↩

  3. „Celulă solară,” Wikipedia, [Interactiv]. Available: https://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83  ↩ ↩ ↩ ↩

  4. „Bypass Diodes in Solar Panels,” [Interactiv]. Available: https://www.electronics-tutorials.ws/diode/bypass-diodes.html  ↩ ↩

  5. J. Cubas, S. Pindado și Carlos de Manuel, „Explicit Expressions for Solar Panel Equivalent Circuit Parameters Based on Analytical Formulation and the Lambert W-Function,” în 1st International e-Conference on Energies, 2014  ↩

  6. „Solar resource maps of Romania,” [Interactiv]. Available: https://solargis.com/maps-and-gis-data/download/romania  ↩