Sunt foarte multe lucruri de aflat despre panourile fotovoltaice și energia curată de care putem beneficia cu ajutorul lor. Începând cu acest articol, deschidem seria unor materiale în care vă vom aduce mai multe informații despre sursele de energie regenerabilă, consumul inteligent de energie, ce înseamnă să fii prosumator și, bineînțeles, despre panourile fotovoltaice. Am intitulat această serie de articole „România Verde” deoarece ne dorim să fim cât mai aproape de voi, să încercăm să educăm și să construim împreună o Românie curată pentru viitor.
 
Primul articol din această serie aduce în față câteva noțiuni de bază despre panourile fotovoltaice, cum funcționează acestea, ce sunt celulele solare și cum se produc.

Ce sunt panourile fotovoltaice? Cum funcționează panourile fotovoltaice?

Informații generale

Fotovoltaic (PV) înseamnă conversia luminii în electricitate folosind materiale semiconductoare care prezintă efectul fotovoltaic, un fenomen studiat în fizică, fotochimie și electrochimie.
 
Panoul fotovoltaic este generatorul cu ajutorul căruia se fabrică energia în cadrul sistemului fotovoltaic.
 
Energia solară fotovoltaică este energia produsă prin celule fotovoltaice solare, care convertesc lumina soarelui direct în energie electrică.
 
PV-ul a devenit cea mai ieftină sursă de energie electrică în regiunile cu potențial solar ridicat. Prețurile panourilor au scăzut cu 10% în decursul a zece ani. În acest caz, competitivitatea este benefică și deschide calea spre tranziția globală către energia durabilă și diminuarea încălzirii globale.
 
Un sistem fotovoltaic folosește module solare, fiecare cuprinzând un număr de celule solare, care generează energie electrică.
 
Sistemele fotovoltaice pot fi montate la sol, pe acoperiș, pe perete sau plutitoare. Montura poate fi fixă ​​sau se poate folosi un tracker solar pentru a urmări soarele pe cer.
Sistemele PV solare au avantaje specifice ca sursă de energie: odată instalate, funcționarea lor nu generează poluare și nici emisii de gaze cu efect de seră, arată o scalabilitate simplă în ceea ce privește nevoile de energie, iar siliciul are o mare disponibilitate în scoarța terestră.
 
Sistemele fotovoltaice au fost folosite de multă vreme în aplicații specializate, ca instalații de sine stătătoare, iar sistemele fotovoltaice conectate la rețea au fost utilizate încă din anii 1990.  Modulele fotovoltaice au fost produse pentru prima dată în masă în 2000, când ecologiștii germani și organizația Eurosolar au obținut finanțări guvernamentale pentru un program de zece mii de acoperișuri.
 
Pe măsură ce tehnologia a avansat, procesul de producție s-a îmbunătățit și, astfel, costul a scăzut, fiabilitatea a crescut și, la fel, și eficiența instalațiilor fotovoltaice. Stimulentele de contorizare și stimulentele financiare, cum ar fi tarifele de alimentare preferențiale pentru energia electrică generată de solar au sprijinit instalațiile fotovoltaice solare în multe țări. Peste 100 de țări folosesc acum energie solară.
 
După energia hidraulică și eoliană, PV este a treia sursă de energie regenerabilă din punct de vedere al capacității globale. Agenția Internațională pentru Energie se așteaptă la o creștere cu 700 – 880 GW din 2019 până în 2024.
 
În 2018, capacitatea fotovoltaică instalată la nivel mondial a crescut la peste 515 gigawati (GW), acoperind aproximativ două procente din cererea globală de energie electrică.

Celulele solare folosite la panourile fotovoltaice

Celulele solare generează electricitate direct folosindu-se de lumina soarelui.
 
Sistemul fotovoltaic este cel mai cunoscut ca metodă de generare a energiei electrice prin utilizarea celulelor solare pentru a transforma energia de la soare într-un flux de electroni prin efectul fotovoltaic.
 
Celulele solare produc electricitate curentă directă de la lumina soarelui, care poate fi folosită pentru a alimenta echipamente sau pentru a reîncărca o baterie.

 

Prima aplicație practică a fotovoltaicelor

Prima aplicație practică a fotovoltaicelor a fost la orbitarea sateliților și a altor nave spațiale, dar astăzi majoritatea modulelor fotovoltaice sunt utilizate pentru sisteme conectate la rețea pentru generarea de energie electrică.În acest caz, un invertor este necesar pentru a converti curentul continuu în curent alternativ.
 
Există și alte piețe, mai mici,  pentru sisteme de sine stătătoare, controlate de la distanță, pentru locuințe, bărci, vehicule de agrement, mașini electrice, telefoane de urgență pe marginea drumului, teledetecție și protecție catodică a conductelor.
 
Generarea de energie fotovoltaică folosește module solare compuse dintr-un număr de celule solare care conțin un material semiconductor. Cablurile solare din cupru conectează module (cablul modulului), tablouri (cabluri matrice) și subcâmpuri. Din cauza cererii tot mai mari de surse regenerabile de energie, producția de celule solare și tablouri fotovoltaice a avansat considerabil în ultimii ani.
 
Generarea de energie fotovoltaică solară este văzută de mult timp ca o tehnologie de energie curată care se bazează pe cea mai abundentă și distribuită sursă de energie regenerabilă a planetei – soarele. Celulele necesită protecție împotriva mediului și sunt de obicei ambalate strâns în module solare.
 
Puterea modulului fotovoltaic se măsoară în condiții de testare standard (STC) în „Wp”. Puterea reală într-un anumit loc poate fi mai mică sau mai mare decât această valoare nominală, în funcție de locația geografică, ora zilei, condițiile meteorologice și alți factori. Factorii de capacitate ai rețelei fotovoltaice sunt de obicei sub 25%, ceea ce este mai mic decât multe alte surse industriale de electricitate.

Tipuri de sisteme fotovoltaice

Sisteme fotovoltaice terestre mobile – Pentru cele mai bune performanțe, sistemele fotovoltaice terestre își propun să maximizeze timpul în care sunt expuse la soare. Acest lucru se realizează cu ajutorul unor sisteme de urmărire a soarelui, prin mutarea modulelor fotovoltaice în funcție de poziția acestuia pe cer. Creșterea expunerii panourilor fotovoltaice poate fi cu până la 20% iarna și cu până la 50% vara.
 
Sistemele fotovoltaice statice montate pot fi optimizate prin analiza căii solare. Modulele fotovoltaice sunt adesea setate pe înclinarea latitudinii, un unghi egal cu latitudinea, dar performanțele pot fi îmbunătățite prin reglarea unghiului pentru vară sau iarnă. În general, la fel ca în cazul altor dispozitive semiconductoare, temperaturile peste temperatura camerei reduc performanța modulelor fotovoltaice.
 
Sisteme fotovoltaice verticale
 
Un număr de module solare pot fi, de asemenea, montate vertical unul de altul într-un turn, dacă distanța de zenit a Soarelui este mai mare decât zero, iar turnul poate fi rotit orizontal ca un întreg și fiecare modul în plus în jurul unei axe orizontale. Într-un astfel de turn, modulele pot urmări exact Soarele. Un astfel de dispozitiv poate fi descris ca o scară montată pe un disc rotativ. Fiecare treaptă a acelei scări este axa de mijloc a unui panou solar dreptunghiular. În cazul în care distanța zenit a Soarelui ajunge la zero, „scara” poate fi rotită spre nord sau spre sud pentru a evita un modul solar care produce o umbră pe unul inferior. În locul unui turn exact vertical, se poate alege un turn cu o axă îndreptată spre steaua polară, ceea ce înseamnă că este paralel cu axa de rotație a Pământului. În acest caz, unghiul dintre axă și Soare este întotdeauna mai mare de 66 de grade.
 
Pe parcursul unei zile este necesar doar să rotiți panourile în jurul acestei axe pentru a urma Soarele. Instalațiile pot fi montate la sol (și uneori integrate cu agricultură și pășunat) sau încorporate pe acoperișul sau pereții unei clădiri (fotovoltaice integrate în clădire).

 

Cum se produc panourile fotovoltaice?

În general, procesul de fabricație a fotovoltaicelor solare este simplu, prin faptul că nu necesită multe piese complexe sau mobile. Datorită naturii solide a sistemelor fotovoltaice, acestea au adesea durate de viață relativ lungi, între 10 și 30 de ani. Pentru a crește puterea electrică a unui sistem fotovoltaic, producătorul trebuie să adauge pur și simplu mai multe componente fotovoltaice. Odată cu creșterea producției, se realizează economii de scară care duc la scăderea costurilor, ceea ce este atât în avantajul producătorului cât și al beneficiarului final.

Etapele fabricării sistemelor fotovoltaice din siliciu

Fabricarea sistemelor fotovoltaice din siliciu are mai multe etape. În primul rând, poli-siliconul este prelucrat din cuarț minat până când este foarte pur (grad semiconductor). Acest lucru este topit atunci când se adaugă cantități mici de bor, un element de grup III, pentru a face un semiconductor tip p bogat în găuri de electroni. De obicei folosind un cristal de semințe, un lingou al acestei soluții este cultivat din policristalinul lichid. Lingoul poate fi turnat și într-o matriță. Plăcile acestui material semiconductor sunt tăiate din materialul în vrac cu fierăstrău de sârmă, apoi trec prin gravură de suprafață înainte de a fi curățate. Apoi, sunt plasate într-un cuptor de depunere de vapori de fosfor, care pune un strat foarte subțire de fosfor, un element de grup V, care creează o suprafață semiconductoare de tip n. Pentru a reduce pierderile de energie, la suprafață se adaugă un strat anti-reflectorizant, împreună cu contactele electrice. După terminarea celulei, celulele sunt conectate prin circuit electric în conformitate cu aplicația specifică și pregătite pentru transport și instalare.
 
Fotovoltaicele din siliciu cristalin sunt un tip de sistem fotovoltaic și, deși reprezintă majoritatea celulelor solare produse în prezent, există multe tehnologii noi și promițătoare, care au potențialul de a fi amplificate pentru a răspunde nevoilor energetice viitoare. Începând cu 2018, tehnologia celulelor cristaline de siliciu servește ca bază pentru mai multe tipuri de module PV, inclusiv monocristaline, multicristaline, mono PERC și bifaciale.

Fotovoltaice cu film subțire

O altă tehnologie mai nouă, PV cu film subțire, este fabricată prin depunerea straturilor semiconductoare pe substrat în vid. Substratul este adesea din sticlă sau din oțel inoxidabil, iar aceste straturi semiconductoare sunt fabricate din mai multe tipuri de materiale, inclusiv telurură de cadmiu (CdTe), diselenidă de cupru (CIS), diselenidă de cupru indiu (CIGS) și siliciu amorf (a-Si). După ce au fost depuse pe substrat, straturile semiconductoare sunt separate și conectate prin circuite electrice prin scriere cu laser. Fotovoltaica cu film subțire constituie acum aproximativ 20% din producția totală de fotovoltaic din cauza cerințelor reduse de materiale și a costurilor pentru fabricarea modulelor constând din pelicule subțiri, comparativ cu napolitele pe bază de siliciu.
 
Alte tehnologii fotovoltaice emergente includ fotovoltaice organice, sensibilizate la vopsea, cuantice și perovskite. OPV-urile se încadrează în categoria de film subțire de fabricație și, de obicei, operează în jurul domeniului de eficiență de 12%, care este mai mic decât 12–21% observat în mod tipic de PV-urile pe bază de siliciu. Deoarece fotovoltaica organică necesită o puritate foarte ridicată și este relativ reactivă, acestea trebuie încapsulate ceea ce crește mult costul de fabricație și ceea ce înseamnă că nu sunt realizabile pentru o scară largă. PV-urile sensibilizate la colorant sunt similare ca eficiență cu OPV-uri, dar sunt semnificativ mai ușor de fabricat. Cu toate acestea, aceste fotovoltaice sensibilizate la colorant prezintă probleme de stocare, deoarece electrolitul lichid este toxic și poate pătrunde potențialul plastic utilizat în celulă. Celulele solare cu puncte cuantice sunt DSSC sensibilizate cu punct și sunt procesate prin soluție, ceea ce înseamnă că sunt potențial scalabile, dar în prezent au un nivel de eficiență de 12%. Celulele solare Perovskite sunt un convertor de energie solară foarte eficient și au proprietăți optoelectrice excelente în scopuri fotovoltaice, dar sunt costisitoare și dificil de fabricat.
 
Sursa: wikipedia.org