Conversia Energiei Solare

Introducere

O cantitate imensă de energie solară ajunge la suprafaţa pământului în fiecare zi. Această energie poate fi captată, şi folosita sub formă de căldură în aplicaţii termo-solare, cu ajutorul panourilor solare, sau poate fi transformată direct în electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice.

Pentru a înţelege cum celulele fotovoltaice şi sistemele termo-solare captează energia solară, este important să înţelegem cum aceasta îşi urmează cursul de la soare spre Pământ şi cum acest flux se schimbă periodic.

Cum produce soarele energie

Soarele este o sferă cu diametrul de aproximativ 1.4 milioane de km, formată din gaze cu temperaturi foarte mari(temperatura interioră a soarelui este de aproximativ 15 milioane de grade Kelvin). Această temperatură imensă, combinată cu o presiune de 70 miliarde de ori mai mare decât aceea a atmosferei Pământului creează condiţiile ideale pentru reacţiile de fuziune.

Reacţiile de fuziune din soare au loc între atomi de hidrogen, care se combină şi formează atomi de helium. În urma acestui proces se degajă energie sub forma unor radiaţii cu energie mare, mai cu seamă raze gamma. În timp ce aceaste radiaţii migrează din centrul spre exteriorul sferei solare, ele reacţionează cu diferite elemente din interiorul soarelui şi se transformă în radiaţii cu energie mica. Soarele a produs în acest fel energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani, şi va continua să facă la fel pentru înca 4-5 miliarde.

Pământul se roteste în jurul soarelui la o distanţă de aproximativ 150 milioane de km. Radiaţiile se extind la viteza de 300.000 de km pe secundă, viteza luminii. Timpul necesar pentru a ajunge pe Pământ este de aproximativ 8 min.

Cantitatea de energie solară ce atinge la un moment dat un anumit loc de pe suprafaţa Pământului se numeşte constantă solară, valoarea ei depinzând de mai mulţi factori. Dacă soarele este la amiază şi cerul este senin, radiaţia pe o suprafaţă orizontală este de aproximativ 1000 de W pe metru patrat. Se observă scăderea constantei solare când suprafaţa nu este orientată perpendicular pe razele soarelui.

Metode de conversie a energie solare în alte forme de energie

Pentru utilizarea energiei solare este nevoie de conversia acesteia în alte forme de energie, conversii care sunt:

- conversia fotoelectrică - Conversia fotoelectricã directã se poate realiza folosind proprietãţile materialelor semiconductoare din care se confecţioneazã celulele fotovoltaice.

Celulele fotovoltaice transformă razele solare în electricitate. Acestea pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, dar peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarţa terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantităţi suficiente, fiind astfel şi ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.

În vederea fabricării celulelor fotovoltaice, Si este impurificat (dopat) cu diferite elemente chimice, pentru obţinerea unui surplus de sarcini electrice negative (electroni) sau positive (goluri). Se obţin astfel straturi de siliciu semiconductoare de tip n, respectiv de tip p, în funcţie de tipul sarcinilor electrice care predomină. Prin alăturarea a două asemenea straturi de material semiconductor, caracterizate prin predominanţa diferită a sarcinilor electrice, în zona de contact, se obţine o aşa numită joncţiune de tip p-n de tipul celei reprezentate schematic în figura 1.

Fig. 1. Joncţiune p-n

Sub acţiunea diferenţei de potenţial electric, manifestată în zona de contact, electronii excedentari din stratul n, prezintă tendinţa de migraţie în stratul p, deficitar în electroni. Analog, golurile excedentare din stratul p, prezintă tendinţa de a migra în stratul n, deficitar în sarcină electrică pozitivă. Această tendinţă de deplasare a sarcinilor electrice este reprezentată în figura 2.

Fig. 2. Tendinţa de migrare a sarcinilor electrice între straturile joncţiunii p-n

Amploarea migraţiei sarcinilor electrice între cele două straturi ale joncţiunii p-n este limitată de nivelul energetic al purtătorilor celor două tipuri de sarcini electrice. Astfel, cu toate că nu se va realiza o reechilibrare la nivelul sarcinilor electrice în toată profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice în zona joncţiunii p-n, de tipul celei reprezentate în figura 3.