Parametrii tehnici ai celulelor solare

Sunt dați pentru condiții standard (STC, Standard Test Conditions):

• Intensitate luminoasă de 1000 W/m2 în zona panoului,
• Temperatura celulei solare constant 25 °C
• Spectrul luminii AM 1,5 global; DIN EN 61215, IEC 1215, DIN EN 60904, IEC 904.

AM 1,5 global indică slăbirea luminii solare la suprafața pământului în funcție de latitudine datorită parcurgerii unei mase mai mari de aer proporțional cu latitudinea (în acest caz se consideră latitudinea de 50°). Aceasta corespunde condițiilor de vară din Europa centrală din nordul Italiei până în centrul Suediei. În iarnă condițiile corespund unor valori de AM 4 până la AM 6. Prin absorbție atmosferică și spectrul luminii ce cade pe panou se deplasează. Global indică faptul că lumina este compusă atât din lumina difuză cât și din cea directă. Este de remarcat că în realitate îndeosebi vara la prânz, temperatura celulelor solare (în funcție de poziție, condiții de vânt etc.) poate atinge 30 până la 60 °C ceea ce are ca urmare o scădere a randamentului. Din acest motiv se ia în calcul un alt parametru, PNOCT care indică puterea la temperatura de funcționare normală (normal operating cell temperature).

Prescurtări utilizate:

• SC: Short Circuit - scurtcircuit
• OC: Open Circuit - mers în gol
• MPP: Maximum Power Point - punctul de putere maximă
• PR: Performance Ratio Qualitätsfaktor - Factor de performanță, indică porțiunea în care panoul furnizează curentul la valori nominale.

Caracteristicile unei celule solare sunt:

• Tensiunea de mers în gol - Voc
• Curentul de scurtcircuit - Isc
• Tensiunea în punctul optim de funcționare - Vmpp
• Curentul în punctual de putere mazimă - Impp
• Puterea maximă estimată - Pmpp
• Factor de umplere - FF
• Coeficient de modificare a puterii cu temperatura celulei
• Randamentul celulei solare - la o suprafață iluminată A și intensitate luminoasă

Randamentul

Randamentul este raportul dintre puterea debitată de panou și putere conținută în lumina incidentă totală. Semiconductoare cu zona interzisă stabilă utilizează doar o parte a luminii solare. Randamentul teoretic maxim ce poate fi atins în acest caz este de 33 %, pe când randamentul theoretic maxim la sistemele cu mai multe benzi interzise care reacționează la toate lungimile de undă a luminii solare este de 85 %.

Material	Randament(AM1,5)	Durată de viață	Costuri
Siliciu amorf	5-10 %	< 20 J ani
Siliciu policristalin	10-15 %	25-30 ani	5 Eur/W
Siliciu monocristalin	15-20 %	25-30 ani	10 EUR/W
Arseniura de galiu (monostrat)	15-20 %
Arseniura de galiu (doua straturi)	20 %
Arseniura de galiu (trei straturi)	25 % (30% la AM0)	> 20 ani	20-100 EUR/W

Randamentul celulelor solare comerciale este de cca 20 %, iar modulele construite cu acestea ating un randament de cca 17 %. Recordul pentru celulele fabricate în condiții de laborator este de 24,7 % (University of New South Wales, Australia), din care s-au confecționat panouri cu un randament de 22 %. Prețul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonală este de cca 200 Euro pe celulă la o suprafață a celulei de 21,6 cm2, corespunzând unui cost de 5-10 Euro/W. Sistemele GaAs au costuri de 5 până la 10 ori mai mari.

Îmbătrânirea conduce la scăderea randamentului cu cca 10 % în 25 ani. Fabricanții dau garanții pe cel puțin 80 % din puterea maximă în 20 ani.

În spațiu constanta solară este mai mare decât iluminarea globală pe pămînt, totodată celulele solare îmbătrânesc mai repede. Panourile pentru sateliți ating momentan (2005) un randament de 25 % la o durată de viață de 15 ani.

Curbele I-V ale celulei solare la diferite niveluri de iradiere

Efectul intensității luminii și al temperaturii asupra puterii de ieșire a modulului fotovoltaic:

Efectul umbririi partiale:

Curbele caracteristice I-V ale celulei solare arată caracteristicile de curent și tensiune (I-V) ale unei anumite celule fotovoltaice (PV), modul sau matrice. Oferă o descriere detaliată a capacității și eficienței sale de conversie a energiei solare. Cunoașterea caracteristicilor electrice I-V (mai important Pmax) ale unei celule solare sau ale unui panou este esențială în determinarea performanței de ieșire a dispozitivului și a eficienței solare.

Celulele solare fotovoltaice transformă lumina radiantă a soarelui direct în energie electrică. Odată cu creșterea cererii pentru o sursă de energie curată și potențialul soarelui ca sursă de energie gratuită, conversia energiei solare ca parte a unui amestec de surse regenerabile de energie a făcut din ce în ce mai importantă. Ca urmare, cererea de celule solare eficiente, care transformă lumina solară direct în electricitate, crește mai rapid decât oricând.
Principalele caracteristici electrice ale unei celule sau modul PV sunt rezumate în relația dintre curent și tensiune produsă pe curba caracteristicilor I-V tipice ale celulei solare. Intensitatea radiației solare (izolația) care lovește celula controlează curentul ( I ), în timp ce creșterea temperaturii celulei solare reduce tensiunea acesteia ( V ).

Celulele solare produc energie electrică în curent continuu (DC) și curentul în timp ce tensiunea este egală cu puterea, astfel încât să putem crea curbe I-V ale celulei solare reprezentând curentul față de tensiunea pentru un dispozitiv fotovoltaic.

Caracteristicile celulei solare I-V Curbele sunt practic o reprezentare grafică a funcționării unei celule solare sau a unui modul care rezumă relația dintre curent și tensiune în condițiile existente de iradiere și temperatură. Curbele I-V oferă informațiile necesare pentru a configura un sistem solar, astfel încât acesta să poată funcționa cât mai aproape de punctul optim de putere de vârf (MPP) posibil.

Graficul de mai sus arată caracteristicile curent-tensiune (I-V) ale unei celule fotovoltaice tipice din siliciu care funcționează în condiții normale. Puterea furnizată de o singură celulă sau panou solar este produsul dintre curentul și tensiunea de ieșire (I x V). Dacă înmulțirea este făcută, punct cu punct, pentru toate tensiunile de la scurtcircuit la condiții de circuit deschis, curba puterii de mai sus se obține pentru un nivel de radiație dat.

Cu celula solară în circuit deschis, care nu este conectată la nicio sarcină, curentul va fi la minim (zero) și tensiunea pe celulă este la maxim, cunoscută sub numele de tensiune în circuit deschis al celulelor solare sau Voc. La cealaltă extremă, când celula solară este scurtcircuitată, adică conductorii pozitiv și negativ conectați împreună, tensiunea pe celulă este la minim (zero), dar curentul care iese din celulă atinge maximul, cunoscut sub numele de curent de scurtcircuit al celulelor solare, sau Isc.

Apoi, intervalul curbei caracteristicilor I-V celulei solare variază de la curentul de scurtcircuit (Isc) la zero volți de ieșire, până la curentul zero la tensiunea de circuit deschis complet (Voc). Cu alte cuvinte, tensiunea maximă disponibilă de la o celulă este la circuit deschis, iar curentul maxim la circuit închis. Desigur, niciuna dintre aceste două condiții nu generează energie electrică, dar trebuie să existe un punct undeva între ele în care celula solară generează putere maximă.
Cu toate acestea, există o combinație specială de curent și tensiune pentru care puterea atinge valoarea maximă, la Imp și Vmp. Cu alte cuvinte, punctul în care celula generează putere electrică maximă și aceasta este afișată în zona din dreapta sus a dreptunghiului verde. Acesta este „punctul de putere maximă” sau MPP. Prin urmare, funcționarea ideală a unei celule fotovoltaice (sau panou) este definită a fi la punctul de putere maximă.

Punctul de putere maximă (MPP) al unei celule solare este poziționat în apropierea curbei în curba caracteristicilor I-V. Valorile corespunzătoare ale Vmp și Imp pot fi estimate din tensiunea în circuit deschis și curentul de scurtcircuit: Vmp ≅ (0,8–0,90)Voc și Imp ≅ (0,85–0,95)Isc. Deoarece tensiunea și curentul de ieșire ale celulei solare depind ambele de temperatură, puterea reală de ieșire va varia în funcție de modificările temperaturii ambientale.

Până acum ne-am uitat la Curba caracteristică I-V a celulei solare pentru o singură celulă sau panou solar. Dar o matrice fotovoltaică este formată din panouri fotovoltaice mai mici interconectate între ele. Apoi, curba I-V a unui tablou fotovoltaic este doar o versiune mărită a curbei caracteristice I-V a celulei solare individuale, așa cum se arată.

Panourile fotovoltaice pot fi cablate sau conectate împreună fie în serie, fie în paralel, sau ambele pentru a crește capacitatea de tensiune sau curent a panoului solar. Dacă panourile matrice sunt conectate împreună într-o combinație în serie, atunci tensiunea crește și dacă sunt conectate împreună în paralel, atunci curentul crește.

Puterea electrică în wați, generată de aceste combinații fotovoltaice diferite, va fi totuși produsul dintre tensiunea cu curentul, ( P = V x I ). Oricum panourile solare sunt conectate între ele, colțul din dreapta sus va fi întotdeauna punctul de putere maximă (MPP) al matricei.

Caracteristicile electrice ale unei rețele fotovoltaice

Caracteristicile electrice ale unei rețele fotovoltaice sunt rezumate în relația dintre curentul de ieșire și tensiune. Cantitatea și intensitatea izolației solare (iradința solară) controlează cantitatea de curent de ieșire ( I ), iar temperatura de funcționare a celulelor solare afectează tensiunea de ieșire ( V ) a panoului fotovoltaic. Curbele caracteristice I-V ale celulei solare care rezumă relația dintre curent și tensiune sunt furnizate în general de producătorul panourilor și sunt date astfel:

• VOC = tensiune în circuit deschis – Aceasta este tensiunea maximă pe care o oferă matricea atunci când bornele nu sunt conectate la nicio sarcină (o condiție de circuit deschis). Această valoare este mult mai mare decât Vmp care se referă la funcționarea rețelei fotovoltaice care este fixată de sarcină. Această valoare depinde de numărul de panouri fotovoltaice conectate împreună în serie.
• MPP = punctul de putere maximă – Acesta se referă la punctul în care puterea furnizată de matricea care este conectată la sarcină (baterii, invertoare) este la valoarea sa maximă, unde MPP = Imp x Vmp. Puterea maximă a unei rețele fotovoltaice este măsurată în wați (W) sau în wați de vârf (Wp).
• FF = factor de umplere – factorul de umplere este relația dintre puterea maximă pe care o poate furniza de fapt matricea în condiții normale de funcționare și produsul tensiunii de circuit deschis înmulțit cu curentul de scurtcircuit, (VOC x ISC) Acest factor de umplere value oferă o idee despre calitatea matricei și cu cât factorul de umplere este mai aproape de 1 (unitate), cu atât mai multă putere poate oferi matricea. Valorile tipice sunt între 0,7 și 0,8.
• %eff = eficiență procentuală – Eficiența unei rețele fotovoltaice este raportul dintre puterea electrică maximă pe care o poate produce rețeaua în comparație cu cantitatea de iradiere solară care lovește rețeaua. Eficiența unei rețele solare tipice este în mod normal scăzută, în jur de 10-12%, în funcție de tipul fotovoltaic (monocristalin, policristalin, amorf sau film subțire) de celulă utilizată.

Unele panouri solare sunt evaluate la tensiuni puțin mai mari sau mai mici decât altele de aceeași valoare a puterii, iar acest lucru afectează cantitatea de curent disponibil și, prin urmare, panourile MPP. Alți parametri importanți sunt, de asemenea, tensiunea în circuit deschis și tensiunea nominală a curentului de scurtcircuit din punct de vedere al siguranței, în special tensiunea nominală. O serie de șase panouri în serie, deși are o valoare nominală de 72 volți (6 x 12), ar putea produce o tensiune în circuit deschis de peste 120 volți DC, care este mai mult decât suficientă pentru a fi periculoasă.

În ce direcție trebuie să fie îndreptate panourile solare și la ce unghi ar trebui să fie înclinate?

În primul rând, trebuie să vă întrebați „În ce regiune geografică vreau să plasez panourile?”

Direcția ideală pe care trebuie să o înfrunte panourile solare, se schimbă în funcție de dacă locuiți în emisfera nordică sau în emisfera sudică.
În emisfera nordică, panourile trebuie să fie orientate spre sud, iar nordul funcționează cel mai bine pentru emisfera sudică.

Acum, următoarea întrebare pe care ați putea-o pune este: „De ce sud sau nord? De ce nu la est sau la vest?”

Pentru a înțelege răspunsul, gândiți-vă la o clădire din emisfera nordică. Partea de nord a clădirii este întotdeauna la umbră. Dimineața, vestul este umbrit, iar estul este luminat de soare și, pe măsură ce se desfășoară seara, vestul este luminat de soare, iar estul este umbrit.
Acest lucru se datorează faptului că soarele are un decalaj sudic în emisfera nordică și un offset nordic în emisfera sudică.

Dacă panourile ar fi amplasate cu fața spre est sau vest, acestea ar genera o cantitate bună de energie doar dimineața sau seara. Cu toate acestea, pentru a obține cele mai bune din ambele timpuri, aveți nevoie de un sistem orientat spre nord sau spre sud.

Există o tendință nouă și emergentă, denumită prețul timp de utilizare (TOU). Acesta este un sistem de stabilire a prețurilor în care tarifele de energie sunt mai mari pentru o oră predefinită a zilei, de obicei atunci când consumul de energie în stat/țară este cel mai mare.

În mod normal, utilizarea este cea mai mare între 13:00 și 19:00. În acest timp, furnizarea de energie electrică de la centralele deja active este întinsă la limitele sale. La un moment dat, centralele electrice care sunt mai departe se pornesc ca o situație neprevăzută pentru a evita întreruperea alimentării. Acest lucru, din motive evidente, crește costul de funcționare al rețelei. Conform TOU, clientul plătește mai mulți bani pentru a-și plăti facturile la utilități.

În locuri ca acestea, se dovedește că panourile orientate spre vest sunt mai economice în comparație cu panourile orientate spre sud sau nord. Acest lucru se datorează în principal faptului că panourile orientate spre vest generează cu 49% mai multă energie electrică în timpul cererii de vârf, în comparație cu panourile orientate spre sud, după spusele unui studiu.

Cât de mult afectează direcția panoului solar producția?

În Romania orientarea panourilor solare spre sud (azimut de 180 de grade la amiază solară) va avea ca rezultat o putere maximă. Înfruntați-le în orice altă direcție și vă puteți aștepta să vedeți o scădere a producției de panouri solare.

Pierdere de ieșire aproximativă în funcție de directive:

Orientare	Pierdere estimată
SV / SE	8 %
E/V	15 %
N	30%

• Panouri orientate spre est si vest
Panourile montate pe un acoperiș înclinat standard orientat spre est sau vest vor produce cu aproximativ 15% mai puțină putere decât panourile orientate spre sud la aceeași înclinare.
• Panouri orientate spre nord
Panourile de pe un acoperiș înclinat standard orientat spre nord - adică departe de soare - vor produce cu aproximativ 30% mai puțin decât panourile orientate spre sud.

Întoarcerea panourilor solare de la sudul adevărat va duce, în general, la pierderi de producție de mai puțin de 30%, dar în unele cazuri extreme pot fi observate pierderi de aproape 60%.

Scăderea exactă a producției de energie este determinată de trei factori:

• Distanța de la sud: numărul de grade în care panourile sunt întoarse față de sudul real
• Latitudinea: cât de departe spre nord se află casa
• Înclinarea acoperișului: Aceasta determină unghiul panourilor solare

Distanța de la sud
Pentru a afirma ceea ce este evident, cu cât este mai mare întoarcerea de la sud, cu atât mai mare este pierderea în producția de energie. Deci, o viraj spre sud-vest va vedea o scădere mică, virajul spre vest va vedea o scădere moderată, iar virajul spre nord va vedea cea mai mare scădere.
Latitudine
Când vine vorba de latitudine, cu cât ești mai la nord, cu atât scăderea producției de energie este mai mare atunci când te îndepărtezi de la sud.
Pantă acoperiș
În ceea ce privește înclinarea acoperișului, cu cât acoperișul este mai abrupt, cu atât este mai mare scăderea puterii pentru panourile solare care nu sunt orientate spre sud.

Ce se întâmplă dacă acoperișul tău nu este orientat spre sud?

Cu excepția câteva excepții prezentate mai sus, sistemul dvs. de energie solară de pe acoperiș ar trebui să fie în mod ideal orientat spre sud pentru o eficiență maximă. Desigur, acest lucru nu este întotdeauna posibil: mulți proprietari nu au acoperișuri orientate în acea direcție!

Vestea bună este că există o mulțime de proprietari fără acoperiș orientat spre sud, care au panouri solare instalate și se bucură de economii uriașe la facturile la electricitate.

Iată câteva soluții pentru proprietarii de case care nu au acoperișuri orientate spre sud:

• Mai multe panouri solare
Puteți compensa nivelul scăzut de lumină solară instalând mai multe panouri solare. Într-o instalație de panouri solare, panourile solare în sine reprezintă doar o mică parte din costuri; ar trebui să puteți adăuga câteva panouri suplimentare fără a crește costurile prea mult. Aceasta este opțiunea pe care o aleg majoritatea proprietarilor de case atunci când nu au o secțiune de acoperiș orientată spre sud.


• Instalați un panou solar pe sol
De asemenea, puteți instala un sistem de energie solară montat la sol în curtea dvs. Acest lucru este mai puțin costisitor decât a crea rafturi pe acoperiș sau a le atârna pe un perete, dar necesită mult spațiu în curte. Unul dintre cele mai bune aspecte ale panourilor solare montate la sol este întreținerea ușoară. Puteți peria frunzele sau zăpada de pe ele fără a fi nevoie să vă urcați pe acoperiș.
• Dispozitive de urmărire a panourilor solare
Sistemele de urmărire a panourilor solare pot îmbunătăți randamentul unui sistem prin asigurarea unei expuneri constante și directe la soare, atât în timpul zilei, cât și în timpul anotimpurilor. Sistemele de urmărire a axei generează mai multă energie electrică utilizând aproximativ aceeași cantitate de spațiu ca și sistemele fixe. Dacă bugetul vă permite, luați în considerare sistemele de urmărire a panourilor solare. Ele pot îmbunătăți randamentul unui sistem asigurând o expunere constantă, directă la soare, atât în timpul zilei, cât și în timpul anotimpurilor. Sistemele de urmărire a axei generează mai multă energie electrică utilizând aproximativ aceeași cantitate de spațiu ca și sistemele fixe.

Cu toate acestea, este important să rețineți că sistemele solare cu trackerele solare sunt ceva mai scumpe, in special partea mecanica. Pentru sistemele de pana la 6 panouri pe un suport mobil pretul este accesibil.