13
LUCRAREA 3 LUCRAREA 3 LUCRAREA 3 LUCRAREA 3 OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA A STRUCTURILOR FOTOVOLTAICE Moldoveanu Cristina Grupa 123A

OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

LUCRAREA 3LUCRAREA 3LUCRAREA 3LUCRAREA 3

OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

A

STRUCTURILOR FOTOVOLTAICE

Moldoveanu Cristina

Grupa 123A

Page 2: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Introducere

Efectul fotovoltaic este crearea de o tensiune (sau un curent electric corespunzător) într-un material la expunerea la lumina. efectul fotovoltaic este direct legat de efectul fotoelectric , insa cele doua procese sunt diferite şi ar trebui să fie deosebite. În efectul fotoelectric, electronii sunt respinsi de la suprafaţa unui material dupa expunerea la radiaţii de suficientă energie. In Efectul fotovoltaic diferentă consta in faptul ca electronii generate sunt transferate între benzi diferite (de exemplu, de la banda valenţă la benzile de conductie), din interiorul material, rezultand crearea unei tensiune între cei doi electrozi.

Celulele fotovoltaice (FV) sunt dispozitive semiconductoare care convertesc lumina solara direct in energie electrica. O celula FV este alcatuita din doua straturi de material semiconductor intrinsec, unul de tip p si unul de tip n, care formeaza o jonctiune p-n(sediul unui c amp electric intrinsic).

Rezistenta serie Rs a celulei este responsabila de reducerea puterii electrice furnizate de celula in sarcina.

Lucrarea are ca scop aplicarea principiului “constructal” pentru rezolvarea probleme de acces optim prezentata aplicatia urmatoare:

Dandu-se un volum finit care genereaza caldura (cu sursa de caldura in oricare punct) si care este racit printr-un port de dimensiuni reduse plasat pe frontiera, precum si o canitate finita de material bun conductor, sa se determine distributia materialului bun conductor astfel incat temperatura maxima sa fie cat mai mica .Aceasta problema de optimizare este echivalenta cu identificarea structurii gridului colector care minimizeaza Rserie se presupune ca celula FV functioneaza in regim stationar (curent continuu).Structura FV este reprezentata printr-un model 2D, care include suprafata generatoare (cu sursa de curent si de conductivitate electrica, σ0, mica) si gridul colector (fara sursa de curent, cu conductivitate electrica, σ1, mare) din cauza grosimii mici in raport cu suprafata,. In aceste ipoteze, problema este:

������

�������

��′′′�

unde: w- sursa FV de curent (de volum),

Page 3: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

���- conductivitatea electrica, V – potentialul electric. Conditii la limita specifice (potential sau curent) inchid modelul.

Mod de lucru

Cantitatea de material a gridului, Vp, de conductivitate σp, precum si volumul celulei FV, V =H0L0W , sunt presupuse constante. In consecinta, aria suprafetei celulei FV acoperita de grid este constanta.In procesul de optimizare H0 si L0 pot varia, dar produsul lor A0=H0L0 ramane constant. Calea buna conductoare electric (degetul, de conductivitate σp) este plasata pe axa Ox.

Potentialul electric are valori maxime pentru fiecare factor de forma.

Tesiunea la celula FV cu factorul de forma 1 si σ =100 (fig.1) are valoarea maxima 0.893

Page 4: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Functionarea unei celune FV se determina experimental prin modificare factorului de forma si a conductivitatii electrice.

Conductivitatea electrica σ =100 si factorul de forma f=0.5; 0.7; 0.9; 1; 1.1; 1.3;1.5; 1.7; 1.9

σ =100

Din tabel rezulta graficul rezistentei Rserie in functie de factorul de forma f:

f 0.5 0.7 0.9 1 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 Rserie 0.6 0.50 0.43 0.41 0.40 0.38 0.37 0.38 0.38

Page 5: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Ansamblul de ordinul I

Page 6: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Problema de optimizare este acum determinarea factorului de forma optim H1/L1 , sau cate celule FV elementare trebuiesc conectate astfel încât tensiunea maxima pe ansamblu sa fie minimizata. Analitic,se poate demonstra ca,

unde:

- 0

~

/σσσ p= ;

- 2/1

01

~

1 / ADD = ;

- 1/ 000 <<= HDφ . - ∆V1 are un minimum in raport cu (H1 L1), Ansamblul prezinta un al doilea grad de libertate, in raport cu care se poate efectua

o a doua optimizare: D1. Cantitatea totala de material bun conductor, pσ , este

Ap,1=D1L1,opt+n1,optD0L0,opt, sau 04/1

0

~2/1

1

~

,11

1,1

)(2φ

φσφ +==

DLH

A

opt

p (“porozitate”),

respectiv.

Stabilim aria matrialului bun conducator ca fiind de doua ori mai mare decat cea alocata pentru aria materialului bun conducator de la celula elementara,(cea efectuata inainte) adica Acelula 2 ( adimensional) iar Abanda 0,02 ( adimensional).

Calculeaza Rserie, definita de raportul Vmax /Itotal, unde Itotal este curentul produs de celula si se traseaza grafic variatia lui Rserie in raport cu numarul de perechi de celule.

Page 7: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Ansamblu de orinul 1(grafic doua celule) - se obtine dintr-o celula elementara dispusa simetric fata de contactul electric.

Tensiunea maxima are valoare 1.22

Page 8: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Ansamblu de ordinal 2.(grafic 6 celule)

Tensiunea maxima 3.91

Page 9: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Liniile de curgere ale curentilor- arata directa in care curentul”curge”

Directiile vectorului densitatii de current

Page 10: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Notiuni teoretice: Fotovoltaicele (FV)

• metodă de generare de energie electrică prin conversia radiaţiei solare in current continuu folosind semiconductori care prezintă efectul fotovoltaic. Generarea de putere fotovoltaica implica utilizarea de panouri solare cuprinzând un număr de celule care conţin un material fotovoltaic. Materiale utilizate în prezent pentru celule fotovoltaice includ siliciu monocristalin , siliciu policristalin , siliciu amorf , cadmiu-telur , şi seleniură de cupru indiu / sulfurat. Datorită cererii în creştere pentru energie regenerabilă , procesul de fabricaţie a celulelor solare şi reţelele fotovoltaice a avansat considerabil în ultimii ani

• incepand cu anul 2010 fotovoltaice solare genereaza energie electrică în mai mult de 100 de ţări , în timp ce cuprinde încă o mică fracţiune din capacitatea totală de 4800 GW din totalul global de putere generata de toate sursele, este cea mai rapidă creştere de putere de tehnologica de generaţie din lume

Motivat de progresele tehnologice şi creşteri în industria prelucrătoare , rafinament, costul de celule fotovoltaice a scăzut constant de la primele celule solare care au fost fabricate.

În majoritatea aplicaţiilor fotovoltaice radiatia este lumina soarelui şi din acest acest motiv, dispozitivele sunt cunoscute ca celule solare.

Efectul fotovoltaic a fost observat pentru prima oara de Alexandre-Edmond Becquerel în anul 1839.

Efectul fotovoltaic se referă la fotoni de lumină care lovesc electroni într-o stare mai mare de energie pentru a creea electricitate. Termenul fotovoltaice denota modul de operare imparţială a unei fotodiode în care curentul prin dispozitiv se datorează în întregime energia luminii. Practic, toate dispozitivele fotovoltaice sunt un anumit tip de fotodiodă.

Celule solare

O celulă solară constă din două sau mai multe straturi de material semiconductor, cel mai întâlnit fiind siliciul. Aceste straturi au o grosime cuprinsă între 0,001 şi 0,2 mm şi sunt dopate cu anumite elemente chimice pentru a forma joncţiuni „p” şi „n”. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitaţie” a electronilor din material şi va fi generat un curent electric.

Page 11: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Celulele, numite şi celule fotovoltaice, au de obicei o suprafaţă foarte mică şi curentul generat de o singură celulă este mic dar combinaţii serie, paralel ale acestor celule pot produce curenţi suficient de mari pentru a putea fi utilizaţi în practică. Pentru aceasta, celulele sunt încapsulate în panouri care le oferă rezistenţă mecanică şi la intemperii.

Celulele solare produc current continuu de la lumina soarelui, care pot fi utilizat pentru echipamente de putere sau pentru a reincarca o baterie . Practic prima cerere de celule fotovoltaice a fost la putere care orbiteaza sateliţi şi alte nave spaţiale , dar astăzi majoritatea modulelor fotovoltaice sunt folosite pentru generarea de energie conectate reţea.

O celulă solară tipică Evolutii acuale

Panouri fotovoltaice pe baza de siliciu cristalin modulele sunt parţial înlocuite în piaţa de panouri care folosesc celule solare thin-film si sunt în creştere rapidă , este de aşteptat la contribuie la pentru 31% din puterea instalată la nivel mondial până în 2013

Aplicatii • central electrice • in cladiri • in domeniul transporturilor • sateliti etc.

Avantaje

• folosesc lumina solara • electrice energie solara are puterea cea mai mare densitate • energia solară este poluare-free în timpul utilizării

Dezavantaje • sunt costisitoare

Page 12: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

• energia electrica nu poate fi produsa pe timp de noapte • producţia de energie electrică solare depinde de densitatea de putere

limitată de insolatie • celulele solare produc curent continuu.etc Teroria constructuala

Legea constructala pune mai departe ideea că generaţia de proiectare (configurare, model, geometrie) in natura este un fenomen fizica care îi uneşte toate sistemele animate si neanimate , şi că acest fenomen este acoperit de legea constructala sustinuta de către Adrian Bejan în 1996:"Pentru ca un sistem de marime finita (debit) sa persiste în timp (sa traiasca), configuraţia sa trebuie să evolueze astfel încât acesta ofere acces uşor la curenţii impudi care trec prin ea." Legea constructala defineşte direcţia timp de toate fenomenele de design revolutionar. Aceasta defineşte în termeni fizici ce înseamnă să fii "cel mai puternic", a "supravieţui", şi să fie eficient. Cele mai importante caracteristici ale celulelor fotovoltaice sunt ca şi în cazul bateriilor:

• tensiunea; • intensitatea curentului electric; • puterea electrică.

panou fotvoltaic Trebuie menţionat şi faptul că performanţele panourilor fotovoltaice sunt

dependente de temperatură. Astfel cu cât creşte temperatura, cu atât scade şi eficienţa panourilor fotovoltaice de a converti energia radiaţiei solare în curent electric. Se poate considera, ca valoare orientativă, o reducere a eficienţei panourilor fotovoltaice cu 0,3%, pentru fiecare grad de creştere a temperaturii. De regulă performanţele electrice ale panourilor fotovoltaice sunt indicate la temperatura de 25°C. Este evident că din acest punct de vedere, cea mai eficientă conversie a energiei solare în energie electric este realizată în spaţiul cosmic, unde temperatura este apropiată de 0K.

Page 13: OPTIMIZAREA CONSTRUCTALA

Bibliografie

Ø http://cursuri.iem.pub.ro/2010-2011/login/index.php Ø http://ro.wikipedia.org/wiki/Celul%C4%83_solar%C4%83 Ø http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/5_2.pdf Ø http://www.constructal.org/ Ø http://en.wikipedia.org/wiki/Constructal_theory Ø http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaics

Nota: Graficele si unele din valori sunt aceleasi ca ale unui coleg deoarece nu am putut lucra la calcucatorul meu si atrbui sa lucram impreuna la acelasi calculator.