Considerații privind concentratoarele optice de radiație solară

Gheorghe Badea, George Naghiu, Adrian Buică, Andrei Mircea Bolboacă

Producerea energiei electrice cu ajutorul celulelor fotovoltaice întâmpină mari dificultăți datorită randamentului scăzut a acestora. În lucrare autorii trec în revistă principalele tipuri de concentratoare optice de radiație solară, utilizate pentru îmbunătățirea randamentului celulelor fotovoltaice. De asemenea este prezentat principiul de funcționare a concentratoarelor optice de radiație solară și dificultățile tehnice întâmpinate în exploatarea acestora.

1. INTRODUCERE

În domeniul tehnologiilor și sistemelor de producere a energiei, una dintre cele mai relevante cifre este costul energiei – kWh. În linii mari, costul energiei electrice produsă de un sistem fotovoltaic este dominat de costul pe metru pătrat de celulă, eficiența conversiei energiei solare și durata de viață. În ultimele decade s-a încercat dezvoltarea în sensul îmbunătățirii concomitente a celor 3 factori. Totuși, chiar dacă s-au realizat mari salturi tehnologice în domeniul celulelor fotovoltaice, paritatea energiei produse astfel cu cea din rețeaua electrică nu a fost atinsă în sistemele fără concentratoare.

Ideea de bază a concentratorului fotovoltaic este de a utiliza un element optic care să concentreze radiația solară pe suprafața relativ mică a celulei solare. Ca rezultat direct, costul cu celula solară dintr-un sistem concentrator fotovoltaic este procentual mic, ceea ce permite utilizarea de celule mai scumpe, cu eficiență ridicată, astfel fiind indicată utilizarea celulelor solare cu multi-joncțiuni, cu elemente din coloana III-V, acestea având eficiențe de peste 40%.

Deoarece celulele cu multi-joncțiuni sunt mai costisitoare decât cele clasice pe bază de silicon, un sistem concentrator fotovoltaic eficient trebuie să concentreze radiația solară de pe o suprafață de câteva sute de ori mai mare decât cea a celulei propriu-zise, și asta utilizând sisteme optice accesibile din punct de vedere al costurilor. Elementul optic cel mai potrivit acestui tip de aplicație este lentila Fresnel (Peharz și Bett, 2010).

2. EVOLUTIA LENTILELOR FRESNEL

Lentilele Fresnel au fost utilizate încă de la începuturile sistemelor concentratoare fotovoltaice. Astfel, primele aplicații importante au fost dezvoltate de SNL (Sandia National Laboratory). S-a arătat că, datorită densității mari a fluxului radiant, devine de mare importanță rezistența electrică scăzută a ansamblului de celule legate în serie. Mai mult decât atât, cantitatea de căldură generată trebuie disipată în mod eficient, pentru a preîntâmpina defecțiuni majore. Astfel, este necesară utilizarea unui sistem de disipare a căldurii, în mod pasiv sau activ, adică folosind fenomenul de convecție a aerului la suprafața unui radiator de răcire sau prin vehicularea unui agent de răcire printr-un schimbător de căldură cu celula propriu-zisă.

Există două tipuri principale de concentratoare, cu lentile Fresnel sau cu paraboloid hiperbolic (tip parabolă). Din punct de vedere al sistemului de răcire, acesta poate utiliza, în cazul concentratoarelor parabolice doar o suprafață echivalentă cu cea a celulei solare, orice altă suprafață în plus folosită va reduce suprafața total concentrată, deoarece celula solară se află, în acest caz, chiar în fața elementului optic. În cazul sistemelor concentratoare cu lentile Fresnel, celula solară se află în spatele elementului optic, astfel că suprafața de schimb termic poate fi mult mărită, până la dimensiunea unui modul.

Lentilele Fresnel sunt printre cele mai economice sisteme optice concentratoare, astfel că acestea au devenit obiect de studiu pentru implementarea lor în sisteme fotovoltaice cu concentrare solară (CPV). Primele studii efectuate de SNL în anii ’90, utilizând celule pe bază de siliciu, au folosit lentile Fresnel acrilice, cu un factor de concentrare de 60X, calculat prin raportarea suprafeței captatorului optic la suprafața totală de celulă fotovoltaică și anume 912 cm2 de captator la 15,2 cm2 de suprafață activă de celulă fotovoltaică.

Universitatea Politehnica din Madrid (UPM) a preluat acest concept și, în 1970, a realizat un sistem CPV complet bazat pe celule de siliciu și lentile Fresnel fabricate din sticlă, realizând un factor de concentrare de 50X pentru o suprafață echivalentă activă de celulă fotovoltaică de 15 cm2. Eficiența electrică a întregului sistem a fost sub 10%, restul energiei fiind convertită în căldură, disipată printr-un sistem pasiv de răcire cu radiatoare. Problema disipării căldurii nu a fost surmontată, iar proiectarea corectă a sistemului, ținând cont de variația coeficientului de dilatare termică, nu a fost considerat pentru suprafața mare a celulei fotovoltaice utilizată. Cercetările au continuat în 1990 cu un sistem CPV dezvoltat de Fraunhofer ISE, Germania și Institutul Ioffe, Rusia, cu factor de concentrare de 1000X, dar tot pe celule pe bază de siliciu, dar cu suprafață mult redusă, iar în 2001 același institut Fraunhofer a folosit o celulă multi-joncțiune de 13 mm2 în combinație cu o lentilă Fresnel de 40×40 mm2, obținând astfel o eficiență de 24,8% – cea mai mare înregistrată la acel moment.

Dezvoltarea rapidă a celulelor solare multi-joncțiune la eficiențe din ce în ce mai mari înseamnă implicit un potențial în reducerea costului specific pe kWh.

Articolul integral îl puteți găsi în ediția tipărită a revistei Electricianul nr. 2/2014.